从Tesla削减75%碳化硅用量的市场猜想看功率器件技术进步中可靠性测试的挑战

  前言

  2021年，第三代半导体产业被正式写入“十四五”规划与2035年远景目标中;2022年上半年，科技部国家重点研发计划“新型显示与战略性电子材料”重点专项2022年度项目中，再对第三代半导体材料与器件的7个项目进行研发支持。而此前已经有一系列政策相继出台。市场与政策的双轮驱动下，聚焦市场化的应用，作为代表性材料，碳化硅(SiC)在新能源电动车领域正如火如荼。

  而近日，全球电动车大厂特斯拉(Tesla)突然宣布，下一代电动车传动系统碳化硅(SiC)用量将削减75%，这消息直接激起发展如日中天的碳化硅行业的千层浪。

  碳化硅(SiC)之所以被电动车大量采用，因具有“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性，相较硅基半导体更适合车用。首先，从材料特性上看，碳化硅(SiC)具有更低电阻，电流传导时的功率损耗更小，不仅使电动车电池电量得到更高效率的使用，而且降低传统高电阻产生热的问题，降低散热系统的设计成本。

  其次，碳化硅(SiC)可承受高电压达1200V，减少硅基半导体开关切换时的电流损耗，解决散热问题，还使电动车电池使用更有效率，车辆控制设计更简单。第三，碳化硅(SiC)相较于传统硅基(Si)半导体耐高温特性更好，能够承受高达250°C，更适合高温汽车电子的运作。

  最后，碳化硅(SiC)芯片面积具耐高温、高压、低电阻特性，可设计更小，多出来的空间让电动车乘坐空间更舒适，或电池做更大，达更高行驶里程。

  TESLA

  而Tesla的一纸宣言，引发了行业对此进行的多种分析和解读，基本可以归纳为以下几种理解：

  01 特斯拉宣称的75%指的是成本下降或面积下降。从成本角度看，碳化硅(SiC)的成本在材料端，2016年6英寸碳化硅(SiC)衬底价格在2万元一片，现在大概6000元左右。从材料和工艺来讲，碳化硅良率提升、厚度变薄、面积变小，能缩减成本。从面积下降来看，特斯拉的碳化硅(SiC)供应商ST最新一代产品面积正好比上一代减少75%。

  02 整车平台升级至800V高压，改用1200V规格碳化硅(SiC)器件。目前，特斯拉Model 3采用的是400V架构和650V碳化硅MOS，如果升级至800V电压架构，需要配套升级至1200V碳化硅MOS，器件用量可以下降一半，即从48颗减少到24颗。

  03 除了技术升级带来的用量减少外，还有观点认为，特斯拉将采用硅基IGBT+碳化硅MOS的方案，变相减少碳化硅的使用量。

  从硅基(Si)到碳化硅(SiC)MOS的技术发展与进步进程来看，面临的最大挑战是解决产品可靠性问题，而在诸多可靠性问题中尤以器件阈值电压(Vth)的漂移最为关键，是近年来众多科研工作关注的焦点，也是评价各家 SiC MOSFET 产品技术可靠性水平的核心参数。

  碳化硅SiC MOSFET的阈值电压稳定性相对Si材料来讲，是比较差的，对应用端的影响也很大。由于晶体结构的差异，相比于硅器件，SiO2-SiC 界面存在大量的界面态，它们会使阈值电压在电热应力的作用下发生漂移，在高温下漂移更明显，将严重影响器件在系统端应用的可靠性。

  由于SiC MOSFET与Si MOSFET特性的不同，SiC MOSFET的阈值电压具有不稳定性，在器件测试过程中阈值电压会有明显漂移，导致其电性能测试以及高温栅偏试验后的电测试结果严重依赖于测试条件。因此SiC MOSFET阈值电压的准确测试，对于指导用户应用，评价SiC MOSFET技术状态具有重要意义。

  根据第三代半导体产业技术战略联盟目前的研究表明，导致SiC MOSFET的阈值电压不稳定的因素有以下几种：

  01 栅压偏置

  通常情况下，负栅极偏置应力会增加正电性氧化层陷阱的数量，导致器件阈值电压的负向漂移，而正栅极偏置应力使得电子被氧化层陷阱俘获、界面陷阱密度增加，导致器件阈值电压的正向漂移。

  02 测试时间

  高温栅偏试验中采用阈值电压快速测试方法，能够观测到更大比例受栅偏置影响改变电荷状态的氧化层陷阱。反之，越慢的测试速度，测试过程越可能抵消之前偏置应力的效果。

  03 栅压扫描方式

  SiC MOSFET高温栅偏阈值漂移机理分析表明，偏置应力施加时间决定了哪些氧化层陷阱可能会改变电荷状态，应力施加时间越长，影响到氧化层中陷阱的深度越深，应力施加时间越短，氧化层中就有越多的陷阱未受到栅偏置应力的影响。

  04 测试时间间隔

  国际上有很多相关研究表明，SiC MOSFET阈值电压的稳定性与测试延迟时间是强相关的，研究结果显示，用时100μs的快速测试方法得到的器件阈值电压变化量以及转移特性曲线回滞量比耗时1s的测试方法大4倍。

  05 温度条件

  在高温条件下，热载流子效应也会引起有效氧化层陷阱数量波动，或使SiC MOSFET氧化层陷阱数量增加，最终引起器件多项电性能参数的不稳定和退化，例如平带电压VFB和VT漂移等。

  根据JEDEC JEP183:2021《测量SiC MOSFETs阈值电压(VT)的指南》、T_CITIIA 109-2022《电动车辆用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)模块技术规范》、T/CASA 006-2020 《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管通用技术规范》等要求，目前，武汉普赛斯仪表自主开发出适用于碳化硅(SiC)功率器件阈值电压测试及其它静态参数测试的系列源表产品，覆盖了现行所有可靠性测试方法。

  针对硅基(Si)以及碳化硅(SiC)等功率器件静态参数低压模式的测量，建议选用P系列高精度台式脉冲源表。P系列脉冲源表是普赛斯在经典S系列直流源表的基础上打造的一款高精度、大动态、数字触摸源表，汇集电压、电流输入输出及测量等多种功能，最大输出电压达300V，最大脉冲输出电流达10A，支持四象限工作，被广泛应用于各种电气特性测试中。

  01  P300高精度脉冲源表

  - 脉冲直流，简单易用

  - 范围广，高至300V低至1pA

  - 最小脉冲宽度200μs

  - 准确度为0.1%

  针对高压模式的测量，普赛斯仪表推出的E系列高压程控电源具有输出及测量电压高(3500V)、能输出及测量微弱电流信号(1nA)、输出及测量电流0-100mA等特点。产品可以同步电流测量，支持恒压恒流工作模式，同事支持丰富的IV扫描模式。E系列高压程控电源可应用于IGBT击穿电压测试、IGBT动态测试母线电容充电电源、IGBT老化电源、防雷二极管耐压测试等场合。其恒流模式对于快速测量击穿点具有重大意义。

  02  E系列高电压源测单元

  - ms级上升沿和下降沿

  - 单台最大3500V电压输出(可扩展10kV)

  - 测量电流低至1nA

  - 准确度为0.1%

  针对二极管、IGBT器件、IPM模块等需要高电流的测试场合，普赛斯HCPL系列高电流脉冲电源，具有输出电流大(1000A)、脉冲边沿陡(15μs)、支持两路脉冲电压测量(峰值采样)以及支持输出极性切换等特点。

  03  HCPL 100高电流脉冲电源

  - 输出电流达1000A

  - 多台并联可达6000A

  - 50μs-500μs的脉冲宽度可调

  - 脉冲边沿陡(典型时间15us)

  - 两路同步测量电压(0.3mV-18V)

  未来，普赛斯仪表基于国产化高精度数字源表(SMU)的测试方案，以更优的测试能力、更准确的测量结果、更高的可靠性与更全面的测试能力，联合更多行业客户，共同助力我国半导体功率器件高可靠高质量发展。

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