Bewertung der Zuverlässigkeit des Z-FET-Bausteins für 1200 V

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Eine hinreichende Gateoxid-Zuverlässigkeit

Die TDDB-Statistiken von SiC-MOSFETs sind ebenso gut, wenn nicht sogar besser als die Werte von Si-MOSFETs. Die Gültigkeit der langen Extrapolation wird durch Messungen bei höheren Temperaturen und moderaten Feldstärken bestätigt. Hervorzuheben ist, dass die Ausfallstatistiken bei 175 °C darauf hindeuten, dass die Lebensdauer bei der maximal im Betrieb auftretenden Feldstärke rund 10 Milliarden Jahre beträgt. Hieraus wiederum lässt sich eine hinreichende Gateoxid-Zuverlässigkeit für den Z-FET ableiten.

Gemäß den JEDEC/AEC-Standards für die Qualifikation von Bauelementen müssen Insulated-Gate-Bauelemente wie etwa MOSFETs und IGBTs eine HTGB-Prüfung (High Temperature Gate Bias) mit weniger als 20% Änderung der Eigenschaften im On-Zustand bzw. weniger als 500% Änderung der Leckeigenschaften überstehen.

Mit der HTGB-Methode werden aus drei Produktions-Chargen jeweils 25 Prüflinge der 80-mΩ-Z-FET-Bausteine bei einer Gate-Vorspannung von 20 V und für eine Dauer von 1000 Stunden einer Temperatur von 150 °C ausgesetzt. In Übereinstimmung mit dem TDDB-Ergebnis kommt es in der HTGB-Prüfung zu keinen Gate-Ausfällen der Z-FET-Bausteine. Allerdings tritt eine spürbare Änderung der elektrischen Eigenschaften der Bausteine auf, die sich auf eine Zunahme der Schwellenspannung zurückführen lässt (Bild 5).

HTGS ist ein neuer Gate-Belastungstest

Zu diesem Anstieg der Schwellenspannung kommt es durch die Ansammlung von Ladung beim Anlegen der statischen Gate-Vorspannung im On-Zustand. Im praktischen Betrieb wechselt die Gate-Vorspannung allerdings ständig zwischen On- und Off-Zustand, was ein Abfließen der Ladung ermöglicht. Die HTGB-Prüfung im dauerhaften On-Zustand ist deshalb kein zutreffender Indikator für die Stabilität der Bauelemente im Feld. Dementsprechend war es erforderlich, einen präziseren Gate-Belastungstest zu entwickeln.

Mit der HTGS-Prüfung (High Temperature Gate Switching) wurde ein neuer Gate-Belastungstest entwickelt. Dabei wird die Stabilität eines SiC-MOSFET mit einer geeigneteren, besser an den Verhältnissen im praktischen Einsatz ausgerichteten Gate-Vorspannung ermittelt. Der Testaufbau der HTGS-Prüfung entspricht dem des HTGB-Tests, allerdings wird die Gatespannung mit 20 kHz und 50% Tastverhältnis zwischen 20 V und 0 V umgeschaltet, um realistischere Einsatzbedingungen zu simulieren. Es zeigte sich in der HTGS-Prüfung als Ergebnis eine hervorragende Gate-Stabilität des Z-FET. Die Zunahme der Schwellenspannung um nur 0,25 V und der 10-prozentige Anstieg von VDS(on) liegen deutlich unter den Akzeptanzgrenzwerten von JEDEC und AEC (Bild 6).

Die gründlichen Durchbruch- und Qualitätsprüfungen an SiC-MOSFET-Strukturen entkräften damit frühere Bedenken bezüglich der Zuverlässigkeit des Gateoxids und legen die Prognose nahe, dass die kommerziell eingeführten Z-FET-Bausteine im praktischen Einsatz stabile Eigenschaften mit akzeptabel niedrigen Gate-Ausfallraten haben werden.

* * Mrinal K. Das, Jim Richmond, Sarah Haney, Zoltan Ring, Anant Agarwal, John Palmour arbeiten bei Cree in Durham, North Carolina/USA

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