為什么要進行浪涌測試？

    SiC器件雖然擁有諸多優勢，但是由于SiC MOSFET柵氧工藝的局限性，其可靠性存在不少問題。

    如果要實現SiC MOSFET的廣泛應用，可靠性問題是必須要解決的一個問題。其中，浪涌可靠性是器件可靠性指標的一種，是指MOSFET承受浪涌電流的能力。浪涌電流是指電源接通瞬間或是在電路出現異常情況下產生的遠大于穩態電流的峰值電流或過載電流。

    在電子設計中，浪涌主要指的是電源剛開通的那一瞬息產生的可能高于電源本身的強力脈沖；也指由于電源或電路中其它部分受到的本身或外來的尖脈沖干擾。電路很可能在浪涌的一瞬間燒壞，發生 PN 結電容擊穿，電阻燒斷等等。浪涌的應力主要是由器件內部的體二極管來承受，所以浪涌測試的目的就是測試二極管所能承受的大浪涌電流，以及在這么大的浪涌電流下顯現出來的一些特性變化。

    由于電容電感等非線性器件的充放電，很多電子電路在工作中會產生浪涌電流，尤其是在電路開啟的瞬間，而浪涌電流會對器件本身造成損傷，影響電路的正常工作，因此用戶在進行電路設計選擇器件之前，需要知道器件可承受的大浪涌電流，并依此設計電路參數使器件盡可能工作在安全區域。

    然而目前對于器件的浪涌性能參數并沒有詳細的數據進行參考，在制造商提供的數據手冊(datasheet)中也沒有提到器件的浪涌性能，這樣就會對用戶選型造成困擾。另一方面，用戶對于提升器件的浪涌耐受性也有訴求，這就需要對器件在浪涌特性進行深入的研究。

 當前國內外研究現狀  

   目前對于SiC MOSFET浪涌性能的研究較少，并且現有的一些研究主要集中于對SiC MOSFET和Si IGBT性能的比較，對于Si器件浪涌性能的一些研究也比較零散，沒有形成體系。

    2004年，Hillkrik 提出了一種 IR 技術來監測在浪涌電流沖擊下器件表面溫度隨時間和空間的變化。大浪涌電流常伴隨著高溫的產生，這種新方法的提出對研究浪涌電流對半導體器件的影響提供了很大的幫助。

    2008年，Levinshtein進行了更進一步的研究工作，分析了高壓4H-SiC整流二極管單電流浪涌脈沖下的自發熱。他提出了一種估算半導體內部自加熱后的溫度的方法，并在實際測試中發現：二極管多次流過略小于二極管大承受浪涌電流值的電流，也會發生性能退化，甚至失效。這個現象的發現使器件失效的原因除了過熱之后又增加了一個，即器件承受多次浪涌電流。

    Levinshtein專門對浪涌電流進行了分類。將浪涌電流分為三類。

   一類是極短脈寬的浪涌。這種浪涌通常是微秒級別。由于浪涌脈寬太短，浪涌電流產生的熱量來不及被散熱器吸收，這種情況可以通過簡單的計算獲得芯片內部溫度上升的情況。

    第二類是無限長浪涌電流，指脈寬很大的電流。在研究范圍內可以等效于直流進行研究。此時熱斑效應是器件失效的主要原因，這種情況也比較容易分析。

   一種情況，即脈寬在毫秒級別的浪涌。在浪涌發生的這段時間里，熱量有足夠的時間傳導到散熱器上面，只能通過解微分方程大致計算器件的內部情況。這種情況是復雜的，當溫度高于1000K時，所有關于熱量的計算都只是推測，必須知道器件內部熱傳導的細節才能做出精準的預測。

    2012年，Thomas Basler一次測試了IGBT在柵壓變化情況下的浪涌性能。分別測試了浪涌電流形狀為梯形，以及浪涌電流為正弦波形情況下的浪涌性能，并對浪涌發生時IGBT內部導通情況提出了3種可能：1.浪涌電流到達峰值，IGBT導通。2.IGBT在浪涌發生前已經導通。3.IGBT接收到浪涌電流即導通。

    也有研究者對SiC肖特基二極管的浪涌性能進行了研究。在這些研究中發現，器件通過足夠多次數的浪涌電流后，即使通過的這些浪涌電流峰值小于器件能承受的浪涌電流，器件也會發生退化。

     直到2016年，才有學者開始研究SiC MOSFET的浪涌性能，但研究只著眼于SiC MOSFET浪涌性能和其他器件浪涌性能的比較。

    2016年，Sadik專門研究了SiC MOSFET的浪涌性能。他分別測試了幾種SiC MOSFET在各種溫度，脈沖寬度和柵壓情況下的浪涌能力。通過采集數據并觀察，得出了SiC MOSFET浪涌性能與溫度的關系，研究了脈沖寬度對SiC MOSFET浪涌性能的影響，以及MOSFET導通與否對器件浪涌能力的的影響。他還測試了SiC MOSFET模塊的浪涌性能，與單芯片SiC MOSFET的浪涌性能進行了比較。論文中提出了兩個對浪涌失效機理的猜測，一個是MOSFET內部寄生NPN的閂鎖效應。第二個是高溫使得MOSFET的源極金屬融化。

    同年，Carastro測試比較了SiC MOSFET，Si PIN二極管和SiC肖特基二極管在常溫下的浪涌性能。收集了這三種器件的浪涌數據，對三者進行了比較，也對失效機理提出了猜測，認為高溫導致的金屬熔化是器件失效的主要原因。論文中還對這三種器件進行了一維熱仿真，通過仿真結果來證實實際測試中得到的結果和猜測。

    2018年開始，研究SiC MOSFET的浪涌性能的論文開始逐漸變多。

    2018年，Shan Yin等人利用電容放電實驗測試比較了SiC MOSFET和Si IGBT的浪涌能力。不過在文章中主要討論了柵極驅動電路的設計，以及各種參數對電容充放電結果的影響，對于浪涌能力僅僅提出了一個結論，并沒有進行深入的研究。

    從2018年下半年到2019年，除了Shan Yin等人外，還有一些關于SiC MOSFET浪涌性能的論文發表，Xi Jiang,Patrick Hofstetter等人也紛紛將SiC MOSFET的浪涌性能和其他器件進行了比較。

    除了研究浪涌性能外，Knoll等人測試了特定SiC MOSFET的整體性能。還有一些研究主要關注MOSFET和IGBT的各種性能參數，并沒有對浪涌性能進行深入的研究。

    除了對MOSFET浪涌性能的研究工作，還有與MOSFET浪涌保護相關的zhuanli。國內的zhuanli有魏晨光等人通過在MOSFET的漏極外加電壓，隔離等操作的方法來改善浪涌性能，國外的zhuanli有Robbins等人通過加旁路二極管的方法來改善浪涌能力。

    縱觀目前對SiC MOSFET浪涌性能的研究，主要局限于對SiC MOSFET所能承受的大浪涌電流的研究上。包括將SiC MOSFET置于不同的環境下，觀察SiC MOSFET所能承受的大浪涌電流的變化；比較SiC MOSFET和其他器件所能承受的大浪涌電流的不同等。目前并沒有文章深入研究大浪涌電流對SiC MOSFET電氣性能的影響和SiC MOSFET浪涌失效的具體機理。

浪涌測試原理概述  

  考慮到實際在使用SiC MOSFET時，一般會使用市電作為供電電源，而我國的市電為50Hz的交流電，因此，在本文的浪涌測試中選擇 10ms 脈寬的正弦半波作為浪涌電流，如圖2.6所示。

     為了分析SiC MOSFET的浪涌性能，需要對浪涌失效發生時的電流、電壓和能量有一個總體把握。其中電流為外加控制源，由實驗人員控制，可以直接得到。當 VgsVth時，溝道導通，但是當電流足夠大時，體二極管占主導作用，此時也可視為體二極管導通。浪涌失效電流一般為大電流，因此電壓可根據(2-1)得到

      為體二極管的開啟電壓，由材料決定，對SiC來說，開啟電壓為 2.7V，R為 N-漂移區電阻，為浪涌電流，在本文中可為(2-2)                    

     為正弦脈沖的寬度，在本文中固定為 10ms，為浪涌電流峰值。根據(2-1)和(2-2)可以得到浪涌過程中產生的能量E。          

    浙江大學李煥在碩士論文中對SiC MOSFET的浪涌可靠性進行了一些研究，并對器件結構改進提出了一些意見：

    (1)由于目前大多數商用SiC MOSFET的耐壓為 1200V，因此只選擇了耐壓為1200V的器件進行測試比較。在未來的工作中可以選擇更多不同耐壓等級的SiC MOSFET 進行測試研究。

   (2)由于條件所限，沒有能力對SiC MOSFET進行流片，因此對SiC MOSFET結構的改進建議僅限于理論分析和仿真驗證，沒有進行實際的流片比較。在未來的工作中，如果條件允許，可以制作實際器件對一些方法進行驗證。

    浙江大學李煥的碩士論文先選擇了Rohm、Cree、ST和 Littlefuse四家公司的五款1200V SiC MOSFET器件進行對比研究，測試了這些器件在溝道導通和不導通情況下的浪涌特性，得到了不同情況下SiC MOSFET能承受的大浪涌電流。

    浪涌失效前后器件性能的變化主要表現為MOSFET柵源短路和體二極管性能發生改變。不同器件所能承受的大浪涌電流約為額定電流的四到五倍。

    有些器件在失效后體二極管還有反向阻斷能力，而有些器件則表現為體二極管反向阻斷能力消失。通過對每次浪涌實驗之后器件的特性測試，發現沒有累積性損傷。

    之后對失效后的器件進行了解剖觀察，仔細分析了壞點的損壞情況，得到了SiC MOSFET失效的主要原因。導致SiC MOSFET失效的主要原因是大浪涌電流導致的高溫。高溫導致源極金屬Al發生融化，并與相鄰的介質材料發生了反應。有些融化的Al甚至滲透到了器件內部，導致器件失效。

     論文選用Silvaco公司的Atlas TCAD對浪涌電流通過SiC MOSFET的過程進行了仿真，研究了浪涌測試時器件內部電流分布、結溫、載流子濃度的變化。仿真顯示在流過大電流時，不論器件溝道導通與否，體二極管是主要的導電通道，驗證了溝道導通與否對器件能承受的大浪涌電流影響較小的實驗結論。器件中的結溫在通過大浪涌電流的時候高達900K，證實了高溫導致鋁熔化是器件失效的主要原因。

    基于分析得到的失效機理，從改善SiC MOSFET的自熱效應和提高SiC MOSFET的耐高溫性能兩方面對器件的結構設計提出了一些改進建議，以提升SiC MOSFET的浪涌性能。并用器件仿真驗證了這些建議的有效性。