Page 54 - RISC-V創新百花齊放中國MCU業者積極佈局

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化層的設計必須考慮這些可能影 響到閘極氧化層有效厚度的因素。 除了採用更厚的閘極氧化層設計以 提高SiC的可靠度外，並且針對閘 極氧化層給予遠超出額定閘極電 壓的長時間電壓測試(圖6)，VGUSE 是閘極電壓建議值，VGMAX是額定 閘極電壓最大值，隨著時間推移增 加閘極電壓值，直到所有的功率晶 體閘極都燒毀失效。採用這樣的 閘極測試，可以檢測出閘極氧化層 會在不同的電壓下產生失效，一般 而言，在較低電壓下失效是來自上 述雜質造成有效閘極厚度減少的 外在缺陷(extrinsicdefect);而在 較高電壓下的失效被稱為本質缺 陷(Intrinsic defect)是來自F-N穿 隧(Fowler-Nordheim tunneling) 或是閘極氧化層超過其最大電場 10MV/cm。
如同對介面間的電容進行充放電， 而閘極電壓驅動過程造成電子或 電洞被擷取，而形成臨界電壓的 遲滯現象。
如公式(2)，臨界電壓遲滯 是由接面的缺陷密度(Density of defect)及材料的能隙寬 (bandgap)所決定，相比於矽材 料，SiC的材料缺陷密度比矽材 料缺陷密度高1,000~10,000倍; 而SiC的能隙約為矽的3倍，因而 造成SiC功率晶體的臨界電壓遲 滯在未經處理之前，高達數伏特 (V)之多，而矽材料只有數毫伏特 (mV)。這也是電源供應器設計者 在使用SiC功率晶體所必須注意 的考量重點之一。
SiC功率晶體在閘極氧化層及 SiC之間的電荷分佈可簡單化驅分 為固定式電荷( )及缺陷密度電 荷( )。SiC功率晶體在閘極氧化 層的電荷分佈與閘極臨界電壓的 關係，可以用公式(3)來描述，其 中，當驅動電壓為直流正電壓時， 會發射電洞或擷取電子，造成缺 陷密度電荷增加，使閘極臨界電 壓提高;而之，當驅動電壓為直流 負電壓時，會發射電子或捕獲電 洞，造成缺陷密度電荷減少，使閘 極臨界電壓減少。除了臨界電壓遲 滯外，不可回復型的臨界電壓漂移 也是存在SiC中的另一項特性，也
SiC功率晶體的另一項設計挑 戰就是閘極臨界電壓的不穩定性 (threshold voltage instability)。 閘極臨界電壓的不穩定性，會影響 SiC功率晶體的可靠度，如果SiC功 率晶體的臨界電壓往上，會造成功 率晶體的導通電阻值及導通損耗 增 加;反 之，如 果 S i C 功 率 晶 體 的 臨 界電壓往下，會造成功率晶體容易 產生誤導通而燒毀。閘極臨界電 壓的不穩定性有兩種現象，可回 復型的臨界電壓遲滯(Reversible threshold voltage hysteresis) 及不可回復型的臨界電壓漂移 (threshold voltage drift);閘極 臨界電壓的不穩定性來自於閘極 氧化層及SiC的介面間存在缺陷，
圖6:SiC閘極氧化層可靠度測試及其本質缺陷及非本質缺陷示意圖。
圖7:SiC功率晶體閘極臨界電壓的遲滯及偏移。
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