Siliziumkarbid - Teil 3 Zuverlässigkeit und praktische Erfahrungen mit SiC

Praktische Erfahrungen mit Siliziumkarbid-Komponenten.
Praktische Erfahrungen mit Siliziumkarbid-Komponenten.

Siliziumkarbid ist ein noch relativ neues Material, wenn es um Leistungshalbleiter wie Transistoren geht. Zuverlässigkeit muss erst bewiesen, praktische Erfahrungen erst gesammelt werden. Tests helfen hier.

Bei konventionellen Produkten gab es Berichte über Probleme mit Durchbrüchen in den äußeren peripheren Strukturen von SiC-Schottky-Dioden (SBD) infolge hoher dV/dt-Werte. Bei den SiC-SBDs von Rohm wurden solche Durchbrüche auch bei dV/dt-Werten bis 50 kV/µs nicht beobachtet. In Lebensdauerprüfungen wurden SiC-SBDs mit hohen Temperaturen bei angelegter Sperrspannung geprüft und auf Temperatur- und Feuchtebeständigkeit, Temperaturzyklusfestigkeit, Druck- und Temperaturfestigkeit und Beständigkeit bei hohen und tiefen Lagertemperaturen getestet. Außerdem testete man die Beständigkeit bei Löt­hitze, die Lötbarkeit, die Temperaturschock-Beständigkeit sowie die Zug- und Biegefestigkeit der Anschlüsse. Bei Fast-Recovery-Dioden (FRDs) auf Siliziumbasis kommt es zu Durchbrüchen infolge der sehr hohen Sperrverzögerungsströme bei hohen dI/dt-Werten. Dieses Phänomen ist bei SiC-SBDs sehr unwahrscheinlich, da die Sperrverzögerungsströme hier sehr viel geringer sind.

Die Zuverlässigkeit der zur Gate-Isolation dienenden Oxidschicht wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit des gesamten MOSFET aus. Für die Industrie war die Entwicklung qualitativ hochwertiger Oxidschichten eine große Herausforderung. Rohm löste das Problem mit einer Kombination aus einem geeigneten Prozess zum Züchten der Oxidschicht und den passenden Bauelemente-Strukturen. Wie den Ergebnissen des CCS-TDDB-Tests (Constant Current Stress Time Dependent Dielectric Breakdown) zu entnehmen ist, haben die SiC-MOSFETs eine Qualität erreicht, die auf dem Niveau von Si-MOSFETs und -IGBTs liegt.

Der QBD-Wert fungiert als Gradmesser für die Qualität der Gate-Oxidschicht (Bild 1). Werte im Bereich von 15 bis20 C/cm² liegen auf dem Niveau von Si-MOSFETs. Allerdings kommt es auch bei einer hochwertigen Gate-Isolierschicht zu Kristalldefekten, die zu digitalen Fehlern führen können. Rohm wendet deshalb spezielle Auswahlverfahren an, um defekte Bauelemente zu erkennen und aus dem Produktionsprozess auszusondern. Mit den Resultaten von HTGB-Tests (High Temperature Gate Bias) bei +22 V und 150 °C konnte der Nachweis erbracht werden, dass 1000 Stunden von 1000 Bauelementen ohne Ausfall und mit charakteristischen Schwankungen überstanden werden, während es bei 3000 Stunden und 300 Bauelementen zu einem Ausfall kam.

Mit der aktuellen Technologie bilden sich Elektronenfallen an der Schnittstelle zwischen der Gate-Isolierschicht und dem SiC-Body. Da hier Elektronen eingefangen werden können, kann sich die Schwellenspannung erhöhen, wenn für längere Zeit eine positive Spannung an das Gate gelegt wird. Allerdings ist diese Änderung der Schwellenspannung sehr gering. Sie beträgt lediglich 0,2 bis 0,3 V nach 1000 Betriebsstunden bei 150 °C und Ugs = +22 V und ist damit der kleinste Wert der Industrie. Da der Großteil der Elektronenfallen nach einer zweistelligen Stundenzahl gefüllt ist, stabilisiert sich die Schwellenspannung jedoch und verändert sich anschließend nicht mehr (Bild 2).

Die Schwellenspannung sinkt durch das Einfangen von Löchern, wenn für längere Zeit eine negative Spannung an das Gate gelegt wird. Diese Spannungsverschiebung ist größer als jene, die durch eine positive Gate-Spannung verursacht wird, und liegt bei einem Ugs-Wert von –10 V oder mehr bei 0,5 V oder darüber. Bei den SiC-MOSFETs der zweiten Generation (Serien SCT2xxx und SCH2xxx) ist die Verschiebung der Schwellenspannung nicht größer als 0,3 V, solange die an das Gate gelegte Sperrspannung nicht größer als –6 V ist. Gate-Spannungen unter –6 V lassen die Schwellenspannung dagegen stark zurückgehen. Im normalen Betrieb hat die Gate-Spannung abwechselnd ein positives und negatives Vorzeichen, was ein zyklisches Laden und Entladen der Fallen zur Folge hat und nennenswerte Änderungen der Schwellenspannung damit unwahrscheinlich macht.