CN106896307A - 一种碳化硅mosfet导通电阻特性的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅MOSFET导通电阻特性的建模方法。搭建可控环境温度测试平台，在不同测试温度下测试碳化硅MOSFET，获得不同测试温度下的电流‑电压特性，再输入到直流等效电路模型，采用最小二乘法处理获得各个测试温度下的剩余电阻，用幂次函数曲线拟合获得剩余电阻‑温度特性曲线；用导通电阻减去剩余电阻得沟道电阻，用幂次函数曲线拟合沟道电阻‑温度的特性曲线；将沟道电阻与剩余电阻之和作为导通电阻，由此获得导通电阻特性。本发明方法能够分析碳化硅MOSFET导通电阻的组成部分沟道电阻和剩余电阻在不同温度下占总导通电阻的比例，能够用于评估碳化硅MOSFET器件沟道界面的品质，提供参考。
Description
技术领域
本发明属于功率器件领域的大信号等效电路统计模型建模方法，特别涉及了一种碳化硅MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)导通电阻特性的建模方法。
背景技术
相比于传统硅(Si)材料，碳化硅(silicon carbide,简称SiC)材料因其更宽的禁带宽度(3.26eV)，更高的热导率，和更高的临界击穿场强，在大功率开关电路和电力系统应用领域得到了广泛的关注。SiC功率器件最突出的性能优势在于其高压、高频和高温工作特性，可以有效地降低电力电子系统的功率损耗。
目前，国际上以美国Cree公司，日本Rohm公司等为代表的半导体器件厂商，已在SiC MOSFET器件产品化道路上取得了巨大进展。现阶段，除了Rohm公司最新推出的沟槽型SiC MOSFET，商用SiC MOSFET产品绝大多数为N沟道平面垂直结构。在2010年和2013年分别生产出第一代和第二代1200V SiC MOSFET后，Cree公司于2015年推出了基于第三代技术的900V平面型SiC MOSFET。作为行业内第一款900V SiC MOSFET，这一产品不仅拓展了SiCMOSFET产品的电压等级，更表现出比同等级Si基超级结MOSFET更低的导通电阻。
由于半导体材料对温度变化十分敏感，环境温度的改变对SiC功率器件的工作特性有着不可忽略的影响。功率MOSFET，在低温下，由于本征载流子浓度的降低以及载流子迁移率和载流子平均自由程的提高，其阀值电压将略有升高，通态阻抗将大幅度下降，击穿电压将降低。
导通电阻RDS,on为影响器件工作时导通损耗的一重要特征参数，其数值会随栅极电压Vgs以及环境温度T的变化而改变。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供了一种碳化硅MOSFET导通电阻特性的建模方法。
为实现上述目的，本发明提供了采用以下步骤的技术方案：
S1，搭建可控环境温度的测试平台；
S2，在可控环境温度的测试平台上，在不同测试温度下测试碳化硅MOSFET，获得碳化硅MOSFET不同测试温度下的电流-电压特性；
S3，将电流-电压特性输入到碳化硅MOSFET的直流等效电路模型，采用最小二乘法通过matlab来提取处理获得碳化硅MOSFET在各个测试温度下的阈值电压VT和剩余电阻Rs，进而用幂次函数曲线拟合获得剩余电阻Rs-温度T的特性曲线；
S4，每个测试温度下，用碳化硅MOSFET的导通电阻减去剩余电阻得到碳化硅MOSFET的沟道电阻Rch，碳化硅MOSFET的导通电阻是用漏源电压Vds除以漏源电流Ids获得的，进而得到碳化硅MOSFET的沟道电阻Rch随温度的变化关系，用指数函数曲线拟合沟道电阻Rch-温度T的特性曲线。
S5，将碳化硅MOSFET的沟道电阻Rch与剩余电阻Rs之和作为碳化硅MOSFET的导通电阻，由此获得导通电阻特性。
所述的测试平台包括深冷高温测试箱、大功率晶体管测试设备和感温电阻，深冷高温测试箱的可调温度范围为-180℃-200℃，碳化硅MOSFET的待测器件置于由液氮做制冷剂的深冷高温测试箱中，并用开尔文四探针法与大功率晶体管测试设备连接，感温电阻贴在碳化硅MOSFET的待测器件表面，感温电阻连接至温度显示器，由温度显示器显示待测器件的温度。
所述在不同温度环境下测试碳化硅MOSFET，获得所述碳化硅MOSFET的电流-电压特性具体是：在深冷高温测试箱的可调温度范围内等间隔变化温度，并在每个温度下利用大功率晶体管测试设备输入不同偏置电压，偏置电压是在碳化硅MOSFET的线性工作电压范围内递增或递减扫描，输出获得与偏置电压对应的漏源电流，以不同偏置电压及其对应的漏源电流作为电流-电压特性。
所述偏置电压包括栅极电压Vgs和漏源电压Vds，输入不同偏置电压是先间隔扫描栅极电压Vgs进行采集，在每个栅极电压Vgs也间隔扫描漏源电压Vds进行采集。
所述的将电流-电压特性输入到碳化硅MOSFET的直流等效电路模型，采用最小二乘法处理获得碳化硅MOSFET在各个测试温度下的剩余电阻Rs具体是：
在所述碳化硅MOSFET的线性电压工作范围内，将包含不同温度下的电流-电压特性的数据代入以下公式采用最小二乘法获得每次采集对应的阈值电压VT：
Ids＝α(Vgs-VT)2
其中，Vgs表示栅极电压，Ids表示漏源电流，α表示第一线性工作区电压电流系数；
根据获得的阈值电压VT和电流-电压特性的数据一起再代入以下公式采用最小二乘法获得每次采集对应的剩余电阻Rs：
Ids＝β[(Vgs-VT)(Vds-Ids×Rs)-0.5×(Vds-Ids×Rs)2]；
其中，Vgs表示栅极电压，Ids表示漏源电流，Vds表示漏源电压，β表示第二线性工作区电压电流系数。
上述公式中的第一线性工作区电压电流系数α是和阈值电压VT一起求解获得，第二线性工作区电压电流系数β和剩余电阻Rs一起求解获得。
本发明的有益效果是：
本发明方法能够分析碳化硅MOSFET导通电阻的组成部分沟道电阻和剩余电阻在不同温度下占总导通电阻的比例，从而实现作为器件性能参数的评估的参考。
本发明方法能够用于评估碳化硅MOSFET器件栅极SiO2/SiC界面的品质，并通过测得常温下碳化硅MOSFET的导通电阻来推测获得其高温下的导通电阻。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明碳化硅MOSFET的等效各部分电阻结构示意图；
图2为本发明方法的流程图；
图3为本发明方法实施例型号CMF20120碳化硅MOSFET器件获得的转移特性曲线图；
图4为本发明方法实施例获得的阈值电压-温度对比图；
图5为本发明方法实施例型号CMF20120碳化硅MOSFET器件获得的导通电阻RDS,on，拟合所得的剩余电阻RS以及二者相减所得的沟道电阻Rch与温度关系的对比图。
图6为本发明方法实施例型号C2M0080120D碳化硅MOSFET器件获得的转移特性曲线图；
图7为本发明方法实施例型号C3M0065090D碳化硅MOSFET器件获得的转移特性曲线图；
图8为本发明方法实施例型号C2M0080120D碳化硅MOSFET器件获得的导通电阻RDS,on，拟合所得的剩余电阻RS以及二者相减所得的沟道电阻Rch与温度关系的对比图。
图9为本发明方法实施例型号C3M0065090D碳化硅MOSFET器件获得的导通电阻RDS,on，拟合所得的剩余电阻RS以及二者相减所得的沟道电阻Rch与温度关系的对比图。
图10为实施例三种型号器件获得的阈值电压-温度的特性对比图。
图11为实施例三种型号器件的沟道电阻Rch-T关系图。
图12为以实施例三种型号器件测量值作为标准的归一化沟道电子有效迁移率结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
本发明的实施例如下：
实施例一：
步骤S1：将碳化硅MOSFET导通电阻的看做碳化硅MOSFET的沟道电阻Rch与剩余电阻Rs之和。
本步骤中，所选的碳化硅MOSFET，为平面垂直型结构，图1为碳化硅MOSFET的等效各部分电阻结构示意图。导通电阻的组成部分主要有沟道电阻Rch，JFET区电阻RJFET，扩展电阻RSp，漂移区电阻RDrift和衬底电阻RSub，其中JFET区电阻RJFET，扩展电阻RSp，漂移区电阻RDrift和衬底电阻RSub之和可被看做剩余电阻Rs。
实施例的碳化硅MOSFET为高压器件，电压等级高于900V。对于电压等级高于900V的碳化硅MOSFET，剩余电阻RS中漂移区电阻RDrift占主要部分。因此实施例测试得到的剩余电阻RS主要由漂移区电阻RDrift决定。
步骤S2：搭建可控环境温度的测试平台，可调温度范围为-180℃-200℃；
本步骤中，测试环境为计算机控制温度的测试箱，低温由通入液氮来实现。在待测器件表面贴一感温电阻，并连接至温度显示器，显示待测器件的温度。将待测器件置于其中，以开尔文四探针法接线，可以消除引线和接触电阻阻抗的影响。
测量仪器为371A大功率晶体管测试仪，该仪器是应用漏源极加脉冲电压测试方法，脉冲宽度为200μS，以确保器件自身发热所引发的温度变化控制在可忽略的范围内。
测试时先将温度降至约-180℃，待温度稳定后保持10分钟，接着进行一次脉冲信号的输出特性测试，然后以每升高20℃作为一个温度点，在温度稳定10分钟后，再进行一次脉冲信号的输出特性测试，依次类推完成在可调温度范围-180℃-200℃内的每一温度点的测试。
一次脉冲信号的输出特性测试是利用大功率晶体管测试设备输入不同的在碳化硅MOSFET的线性工作电压范围内递增或递减扫描偏置电压。偏置电压扫描中，先间隔扫描栅极电压Vgs在0-20V范围内进行采集，在每个栅极电压Vgs也间隔扫描漏源电压Vds在0-12V范围内进行采集，从而输出获得与偏置电压对应的漏源电流，以不同偏置电压及其对应的漏源电流作为该温度点下的电流-电压特性。
步骤S3：在可控环境温度的测试平台上，测试碳化硅MOSFET，获得碳化硅MOSFET的电流-电压特性。
本步骤中，每一次脉冲信号可测试10个不同栅压下的一系列漏源电压的输出曲线，调节栅压大小及步长，实现栅压从0V至20V范围内的输出特性的测试。栅极电压Vgs的取值为从0V到20V，漏源电压Vds的取值为从0V到漏源电流为30A时Vds的取值。
步骤S41：将电流-电压特性用于碳化硅MOSFET的直流等效电路模型，采用最小二乘法，通过matlab来提取碳化硅MOSFET在每个测试温度下的阈值电压VT。
本步骤中，碳化硅MOSFET线性工作区内，由于器件MOS结构沟道长，不考虑短沟道效应，栅极电压Vgs、漏源电流Ids与阈值电压VT满足关系式Ids＝α(Vgs-VT)2；
采用以上公式的关系式获得碳化硅MOSFET的转移特性曲线，通过二次函数拟合的方式，提取出每一测量温度下的阈值电压VT。图3中图标数据点为实际测量值，实线为拟合的二次函数曲线，拟合结果如图3所示，从图3中图标和实线的符合程度看出拟合结果好。
步骤S42：将步骤S41中提取出的每个测试温度下的阈值电压VT带入碳化硅MOSFET的直流等效电路模型中，采用最小二乘法，通过matlab来提取碳化硅MOSFET在每个测试温度下的剩余电阻Rs。
本步骤中，碳化硅MOSFET线性工作区内，漏源电压VDS可看作沟道两端电压Vch与剩余电阻两端电压之和，即Vds＝Vch+IdsRs。在实际沟道两端电压Vch很小的情况下，可认为反型区电子迁移率恒定，漏源电流可表示为：
Ids＝β(Vgs-VT-Vch/2)Vch
栅极电压Vgs、漏源电压Vds、漏源电流Ids、剩余电阻Rs与阈值电压VT满足关系式
Ids＝β[(Vgs-VT)(Vds-Ids×Rs)-0.5×(Vds-Ids×Rs)2]
为排除不同温度下阈值电压不同所引起的导通电阻的变化，对于每一温度，选取Vgs-VT＝10V附近，Vds<0.5V的输出特性的测量数据Vgs，Vds和Ids拟合公式，可提取出比例系数β和剩余电阻Rs。此时的器件的工作区在强反型，符合真实的工作性能。
步骤S5：用每个测试温度下的碳化硅MOSFET的导通电阻减去剩余电阻，得到碳化硅MOSFET的沟道电阻Rch；
本步骤中，碳化硅MOSFET的导通电阻可由漏源电压Vds除以漏源电流Ids计算取得。
优选的，沟道电阻可表示为Rch＝L/[μCoxW(Vgs-VT)]，式中μ为反型沟道电子迁移率，L为沟道长度，W为沟道宽度，Cox为单位面积栅氧化层电容，VT为阈值电压，Vgs为栅源电压。其中反型沟道电子迁移率μ随温度升高而增大，由于无法直接测得器件的沟道电阻或沟道迁移率，所以用导通电阻减去剩余电阻的建模方法，计算得到沟道电阻Rch。
实施例的剩余电阻-开尔文温度的特性的幂次函数曲线为：
Rs＝1.46×10-4T2.28
步骤S6：得到碳化硅MOSFET的沟道电阻随温度的变化关系，可用指数函数曲线拟合沟道电阻-开尔文温度的特性曲线。
本步骤中，将步骤S5中计算得出的每个测试温度下的沟道电阻Rch与测试温度T建立对应关系，可用y＝kxγ的幂次函数曲线拟合沟道电阻-开尔文温度的特性曲线。碳化硅MOSFET RDS,on,Rs和Rch与温度关系如图5所示。
实施例的沟道电阻-开尔文温度的特性的指数函数曲线为：
Rch＝555.14×exp(-T/138)
实施例在低掺杂的漂移区内，体声子散射为主导的电子散射机制，电子迁移率可表示为式中μΒ0为300Κ时的电子迁移率，θ为预设参数。
理论上杂质完全电离的情况下，漂移区电阻RDrift理论值应正比于温度T的θ次方Tθ。具体实施考虑到RJFET，RSp和RSub的存在带来的误差，由测量结果提取出的剩余电阻Rs与漂移区电阻RDrift并不完全一致，但剩余电阻Rs主要由漂移区电阻RDrift决定。因此，由以上实施例可见，本发明的方法能够准确获得电阻-温度之间的特性曲线，完成模型搭建。
实施例二：
步骤S1：型号为CMF20120，C2M0080120D，C3M0065090D的碳化硅MOSFET器件，对每个型号的MOSFET分别取三个样品，按照实施例一中步骤S1-S4的方法进行测试和数据处理，考虑到同一型号的不同器件在常温下的阈值电压也会有不同，选取其中一组测量数据作为代表性结果。得到图3、图6、图7分别为三个型号器件的碳化硅MOSFET的转移特性曲线，通过二次函数拟合的方式，提取出每一测量温度下的阈值电压VT。图3、6、7中图标数据点为实际测量值，实线为拟合的二次函数曲线。图10为三种型号器件阈值电压-温度的特性对比图。
步骤S2：按照实施例一中步骤5-6的方法进行数据处理，得到三个型号器件电阻-温度的关系如图5、图8、图9所示。三种器件剩余电阻-开尔文温度的特性的幂次函数曲线分别为：
Rs1＝1.46×10-4T2.28
Rs2＝5.43×10-5T2.43
Rs3＝1.08×10-4T2.23
三个器件沟道电阻-开尔文温度的特性的指数函数曲线分别为：
Rch1＝555.14×exp(-T/138)
Rch2＝211.22×exp(-T/141)
Rch3＝388.17×exp(-T/77)
步骤S3：器件的沟道电阻可表示为：
式中，μn为反型沟道电子有效迁移率，L为沟道长度，W为沟道宽度，Cox为单位面积栅氧化层电容。三种器件的沟道电阻Rch-T关系如图11所示，分别以三种器件20℃室温下测量值作为标准的归一化沟道电子有效迁移率如图12所示。因此由图12可得出，三个器件的界面态密度为：器件1>器件2>器件3。
并且，已有的关于SiC MOSFET沟道迁移率理论建模的研究，提出了多个SiO2/SiC表面库仑迁移率的数学模型，都证明了库仑迁移率是与温度成正相关，与界面态密度成负相关的。由于库仑散射机制的主导地位，随着界面态密度的增加，沟道迁移率温度变化率也随之增加。
步骤S4：SiO2/SiC界面态密度越大，器件的沟道界面品质越差，器件的可靠性能越差，因此本发明方法能够用于评估器件的沟道界面品质，具有其突出显著的技术效果。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种碳化硅MOSFET导通电阻特性的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，搭建可控环境温度的测试平台；
S2，在可控环境温度的测试平台上，在不同测试温度下测试碳化硅MOSFET，获得碳化硅MOSFET不同测试温度下的电流-电压特性；
S3，将电流-电压特性输入到碳化硅MOSFET的直流等效电路模型，采用最小二乘法处理获得碳化硅MOSFET在各个测试温度下的剩余电阻Rs，进而用幂次函数曲线拟合获得剩余电阻Rs-温度T的特性曲线；
S4，每个测试温度下，用碳化硅MOSFET的导通电阻减去剩余电阻得到碳化硅MOSFET的沟道电阻Rch，进而得到碳化硅MOSFET的沟道电阻Rch随温度的变化关系，用指数函数曲线拟合沟道电阻Rch-温度T的特性曲线。
S5，将碳化硅MOSFET的沟道电阻Rch与剩余电阻Rs之和作为碳化硅MOSFET的导通电阻，由此获得导通电阻特性。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET导通电阻特性的建模方法，其特征在于：所述的测试平台包括深冷高温测试箱、大功率晶体管测试设备和感温电阻，深冷高温测试箱的可调温度范围为-180℃-200℃，碳化硅MOSFET的待测器件置于由液氮做制冷剂的深冷高温测试箱中，并用开尔文四探针法与大功率晶体管测试设备连接，感温电阻贴在碳化硅MOSFET的待测器件表面，感温电阻连接至温度显示器，由温度显示器显示待测器件的温度。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET导通电阻特性的建模方法，其特征在于：所述在不同温度环境下测试碳化硅MOSFET，获得所述碳化硅MOSFET的电流-电压特性具体是：在深冷高温测试箱的可调温度范围内等间隔变化温度，并在每个温度下利用大功率晶体管测试设备输入不同偏置电压，偏置电压是在碳化硅MOSFET的线性工作电压范围内递增或递减扫描，输出获得与偏置电压对应的漏源电流，以不同偏置电压及其对应的漏源电流作为电流-电压特性。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET导通电阻特性的建模方法，其特征在于：所述偏置电压包括栅极电压Vgs和漏源电压Vds，输入不同偏置电压是先间隔扫描栅极电压Vgs进行采集，在每个栅极电压Vgs也间隔扫描漏源电压Vds进行采集。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET导通电阻特性的建模方法，其特征在于：所述的将电流-电压特性输入到碳化硅MOSFET的直流等效电路模型，采用最小二乘法处理获得碳化硅MOSFET在各个测试温度下的剩余电阻Rs具体是：
在所述碳化硅MOSFET的线性电压工作范围内，将包含不同温度下的电流-电压特性的数据代入以下公式采用最小二乘法获得每次采集对应的阈值电压VT：
Ids＝α(Vgs-VT)2
其中，Vgs表示栅极电压，Ids表示漏源电流，α表示第一线性工作区电压电流系数；
根据获得的阈值电压VT和电流-电压特性的数据一起再代入以下公式采用最小二乘法获得每次采集对应的剩余电阻Rs：
Ids＝β[(Vgs-VT)(Vds-Ids×Rs)-0.5×(Vds-Ids×Rs)2]；
其中，Vgs表示栅极电压，Ids表示漏源电流，Vds表示漏源电压，β表示第二线性工作区电压电流系数。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET导通电阻特性的建模方法，其特征在于：本发明方法适用于电压等级高于600V的碳化硅MOSFET。
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