本發(fā)明屬于功率器件領(lǐng)域的大信號等效電路統(tǒng)計模型建模方法，特別涉及了一種碳化硅MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)導(dǎo)通電阻特性的建模方法。

背景技術(shù)：

相比于傳統(tǒng)硅(Si)材料，碳化硅(silicon carbide,簡稱SiC)材料因其更寬的禁帶寬度(3.26eV)，更高的熱導(dǎo)率，和更高的臨界擊穿場強(qiáng)，在大功率開關(guān)電路和電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。SiC功率器件最突出的性能優(yōu)勢在于其高壓、高頻和高溫工作特性，可以有效地降低電力電子系統(tǒng)的功率損耗。

目前，國際上以美國Cree公司，日本Rohm公司等為代表的半導(dǎo)體器件廠商，已在SiC MOSFET器件產(chǎn)品化道路上取得了巨大進(jìn)展?，F(xiàn)階段，除了Rohm公司最新推出的溝槽型SiC MOSFET，商用SiC MOSFET產(chǎn)品絕大多數(shù)為N溝道平面垂直結(jié)構(gòu)。在2010年和2013年分別生產(chǎn)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術(shù)的900V平面型SiC MOSFET。作為行業(yè)內(nèi)第一款900V SiC MOSFET，這一產(chǎn)品不僅拓展了SiC MOSFET產(chǎn)品的電壓等級，更表現(xiàn)出比同等級Si基超級結(jié)MOSFET更低的導(dǎo)通電阻。

由于半導(dǎo)體材料對溫度變化十分敏感，環(huán)境溫度的改變對SiC功率器件的工作特性有著不可忽略的影響。功率MOSFET，在低溫下，由于本征載流子濃度的降低以及載流子遷移率和載流子平均自由程的提高，其閥值電壓將略有升高，通態(tài)阻抗將大幅度下降，擊穿電壓將降低。

導(dǎo)通電阻RDS,on為影響器件工作時導(dǎo)通損耗的一重要特征參數(shù)，其數(shù)值會隨柵極電壓Vgs以及環(huán)境溫度T的變化而改變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供了一種碳化硅MOSFET導(dǎo)通電阻特性的建模方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了采用以下步驟的技術(shù)方案：

S1，搭建可控環(huán)境溫度的測試平臺；

S2，在可控環(huán)境溫度的測試平臺上，在不同測試溫度下測試碳化硅MOSFET，獲得碳化硅MOSFET不同測試溫度下的電流-電壓特性；

S3，將電流-電壓特性輸入到碳化硅MOSFET的直流等效電路模型，采用最小二乘法通過matlab來提取處理獲得碳化硅MOSFET在各個測試溫度下的閾值電壓V_T和剩余電阻R_s，進(jìn)而用冪次函數(shù)曲線擬合獲得剩余電阻R_s-溫度T的特性曲線；

S4，每個測試溫度下，用碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻減去剩余電阻得到碳化硅MOSFET的溝道電阻R_ch，碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻是用漏源電壓Vds除以漏源電流Ids獲得的，進(jìn)而得到碳化硅MOSFET的溝道電阻R_ch隨溫度的變化關(guān)系，用指數(shù)函數(shù)曲線擬合溝道電阻R_ch-溫度T的特性曲線。

S5，將碳化硅MOSFET的溝道電阻R_ch與剩余電阻R_s之和作為碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻，由此獲得導(dǎo)通電阻特性。

所述的測試平臺包括深冷高溫測試箱、大功率晶體管測試設(shè)備和感溫電阻，深冷高溫測試箱的可調(diào)溫度范圍為-180℃-200℃，碳化硅MOSFET的待測器件置于由液氮做制冷劑的深冷高溫測試箱中，并用開爾文四探針法與大功率晶體管測試設(shè)備連接，感溫電阻貼在碳化硅MOSFET的待測器件表面，感溫電阻連接至溫度顯示器，由溫度顯示器顯示待測器件的溫度。

所述在不同溫度環(huán)境下測試碳化硅MOSFET，獲得所述碳化硅MOSFET的電流-電壓特性具體是：在深冷高溫測試箱的可調(diào)溫度范圍內(nèi)等間隔變化溫度，并在每個溫度下利用大功率晶體管測試設(shè)備輸入不同偏置電壓，偏置電壓是在碳化硅MOSFET的線性工作電壓范圍內(nèi)遞增或遞減掃描，輸出獲得與偏置電壓對應(yīng)的漏源電流，以不同偏置電壓及其對應(yīng)的漏源電流作為電流-電壓特性。

所述偏置電壓包括柵極電壓Vgs和漏源電壓Vds，輸入不同偏置電壓是先間隔掃描柵極電壓Vgs進(jìn)行采集，在每個柵極電壓Vgs也間隔掃描漏源電壓Vds進(jìn)行采集。

所述的將電流-電壓特性輸入到碳化硅MOSFET的直流等效電路模型，采用最小二乘法處理獲得碳化硅MOSFET在各個測試溫度下的剩余電阻R_s具體是：

在所述碳化硅MOSFET的線性電壓工作范圍內(nèi)，將包含不同溫度下的電流-電壓特性的數(shù)據(jù)代入以下公式采用最小二乘法獲得每次采集對應(yīng)的閾值電壓V_T：

Ids＝α(Vgs-V_T)²

其中，Vgs表示柵極電壓，Ids表示漏源電流，α表示第一線性工作區(qū)電壓電流系數(shù)；

根據(jù)獲得的閾值電壓V_T和電流-電壓特性的數(shù)據(jù)一起再代入以下公式采用最小二乘法獲得每次采集對應(yīng)的剩余電阻R_s：

Ids＝β[(Vgs-V_T)(Vds-Ids×R_s)-0.5×(Vds-Ids×R_s)²]；

其中，Vgs表示柵極電壓，Ids表示漏源電流，Vds表示漏源電壓，β表示第二線性工作區(qū)電壓電流系數(shù)。

上述公式中的第一線性工作區(qū)電壓電流系數(shù)α是和閾值電壓V_T一起求解獲得，第二線性工作區(qū)電壓電流系數(shù)β和剩余電阻R_s一起求解獲得。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明方法能夠分析碳化硅MOSFET導(dǎo)通電阻的組成部分溝道電阻和剩余電阻在不同溫度下占總導(dǎo)通電阻的比例，從而實(shí)現(xiàn)作為器件性能參數(shù)的評估的參考。

本發(fā)明方法能夠用于評估碳化硅MOSFET器件柵極SiO₂/SiC界面的品質(zhì)，并通過測得常溫下碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻來推測獲得其高溫下的導(dǎo)通電阻。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，在這些附圖中使用相同的參考標(biāo)號來表示相同或相似的部分，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明碳化硅MOSFET的等效各部分電阻結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明方法實(shí)施例型號CMF20120碳化硅MOSFET器件獲得的轉(zhuǎn)移特性曲線圖；

圖4為本發(fā)明方法實(shí)施例獲得的閾值電壓-溫度對比圖；

圖5為本發(fā)明方法實(shí)施例型號CMF20120碳化硅MOSFET器件獲得的導(dǎo)通電阻R_DS,on，擬合所得的剩余電阻R_S以及二者相減所得的溝道電阻R_ch與溫度關(guān)系的對比圖。

圖6為本發(fā)明方法實(shí)施例型號C2M0080120D碳化硅MOSFET器件獲得的轉(zhuǎn)移特性曲線圖；

圖7為本發(fā)明方法實(shí)施例型號C3M0065090D碳化硅MOSFET器件獲得的轉(zhuǎn)移特性曲線圖；

圖8為本發(fā)明方法實(shí)施例型號C2M0080120D碳化硅MOSFET器件獲得的導(dǎo)通電阻R_DS,on，擬合所得的剩余電阻R_S以及二者相減所得的溝道電阻R_ch與溫度關(guān)系的對比圖。

圖9為本發(fā)明方法實(shí)施例型號C3M0065090D碳化硅MOSFET器件獲得的導(dǎo)通電阻R_DS,on，擬合所得的剩余電阻R_S以及二者相減所得的溝道電阻R_ch與溫度關(guān)系的對比圖。

圖10為實(shí)施例三種型號器件獲得的閾值電壓-溫度的特性對比圖。

圖11為實(shí)施例三種型號器件的溝道電阻R_ch-T關(guān)系圖。

圖12為以實(shí)施例三種型號器件測量值作為標(biāo)準(zhǔn)的歸一化溝道電子有效遷移率結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

為使本申請的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本申請作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。為簡單起見，以下描述中省略了本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的某些技術(shù)特征。

本發(fā)明的實(shí)施例如下：

實(shí)施例一：

步驟S1：將碳化硅MOSFET導(dǎo)通電阻的看做碳化硅MOSFET的溝道電阻R_ch與剩余電阻R_s之和。

本步驟中，所選的碳化硅MOSFET，為平面垂直型結(jié)構(gòu)，圖1為碳化硅MOSFET的等效各部分電阻結(jié)構(gòu)示意圖。導(dǎo)通電阻的組成部分主要有溝道電阻R_ch，JFET區(qū)電阻R_JFET，擴(kuò)展電阻R_Sp，漂移區(qū)電阻R_Drift和襯底電阻R_Sub，其中JFET區(qū)電阻R_JFET，擴(kuò)展電阻R_Sp，漂移區(qū)電阻R_Drift和襯底電阻R_Sub之和可被看做剩余電阻R_s。

實(shí)施例的碳化硅MOSFET為高壓器件，電壓等級高于900V。對于電壓等級高于900V的碳化硅MOSFET，剩余電阻R_S中漂移區(qū)電阻R_Drift占主要部分。因此實(shí)施例測試得到的剩余電阻R_S主要由漂移區(qū)電阻R_Drift決定。

步驟S2：搭建可控環(huán)境溫度的測試平臺，可調(diào)溫度范圍為-180℃-200℃；

本步驟中，測試環(huán)境為計算機(jī)控制溫度的測試箱，低溫由通入液氮來實(shí)現(xiàn)。在待測器件表面貼一感溫電阻，并連接至溫度顯示器，顯示待測器件的溫度。將待測器件置于其中，以開爾文四探針法接線，可以消除引線和接觸電阻阻抗的影響。

測量儀器為371A大功率晶體管測試儀，該儀器是應(yīng)用漏源極加脈沖電壓測試方法，脈沖寬度為200μS，以確保器件自身發(fā)熱所引發(fā)的溫度變化控制在可忽略的范圍內(nèi)。

測試時先將溫度降至約-180℃，待溫度穩(wěn)定后保持10分鐘，接著進(jìn)行一次脈沖信號的輸出特性測試，然后以每升高20℃作為一個溫度點(diǎn)，在溫度穩(wěn)定10分鐘后，再進(jìn)行一次脈沖信號的輸出特性測試，依次類推完成在可調(diào)溫度范圍-180℃-200℃內(nèi)的每一溫度點(diǎn)的測試。

一次脈沖信號的輸出特性測試是利用大功率晶體管測試設(shè)備輸入不同的在碳化硅MOSFET的線性工作電壓范圍內(nèi)遞增或遞減掃描偏置電壓。偏置電壓掃描中，先間隔掃描柵極電壓Vgs在0-20V范圍內(nèi)進(jìn)行采集，在每個柵極電壓Vgs也間隔掃描漏源電壓Vds在0-12V范圍內(nèi)進(jìn)行采集，從而輸出獲得與偏置電壓對應(yīng)的漏源電流，以不同偏置電壓及其對應(yīng)的漏源電流作為該溫度點(diǎn)下的電流-電壓特性。

步驟S3：在可控環(huán)境溫度的測試平臺上，測試碳化硅MOSFET，獲得碳化硅MOSFET的電流-電壓特性。

本步驟中，每一次脈沖信號可測試10個不同柵壓下的一系列漏源電壓的輸出曲線，調(diào)節(jié)柵壓大小及步長，實(shí)現(xiàn)柵壓從0V至20V范圍內(nèi)的輸出特性的測試。柵極電壓Vgs的取值為從0V到20V，漏源電壓Vds的取值為從0V到漏源電流為30A時Vds的取值。

步驟S41：將電流-電壓特性用于碳化硅MOSFET的直流等效電路模型，采用最小二乘法，通過matlab來提取碳化硅MOSFET在每個測試溫度下的閾值電壓V_T。

本步驟中，碳化硅MOSFET線性工作區(qū)內(nèi)，由于器件MOS結(jié)構(gòu)溝道長，不考慮短溝道效應(yīng)，柵極電壓Vgs、漏源電流Ids與閾值電壓V_T滿足關(guān)系式Ids＝α(Vgs-V_T)²；

采用以上公式的關(guān)系式獲得碳化硅MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線，通過二次函數(shù)擬合的方式，提取出每一測量溫度下的閾值電壓V_T。圖3中圖標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)為實(shí)際測量值，實(shí)線為擬合的二次函數(shù)曲線，擬合結(jié)果如圖3所示，從圖3中圖標(biāo)和實(shí)線的符合程度看出擬合結(jié)果好。

步驟S42：將步驟S41中提取出的每個測試溫度下的閾值電壓V_T帶入碳化硅MOSFET的直流等效電路模型中，采用最小二乘法，通過matlab來提取碳化硅MOSFET在每個測試溫度下的剩余電阻R_s。

本步驟中，碳化硅MOSFET線性工作區(qū)內(nèi)，漏源電壓V_DS可看作溝道兩端電壓Vch與剩余電阻兩端電壓之和，即Vds＝Vch+IdsR_s。在實(shí)際溝道兩端電壓Vch很小的情況下，可認(rèn)為反型區(qū)電子遷移率恒定，漏源電流可表示為：

Ids＝β(Vgs-V_T-Vch/2)Vch

柵極電壓Vgs、漏源電壓Vds、漏源電流Ids、剩余電阻R_s與閾值電壓V_T滿足關(guān)系式

Ids＝β[(Vgs-V_T)(Vds-Ids×R_s)-0.5×(Vds-Ids×R_s)²]

為排除不同溫度下閾值電壓不同所引起的導(dǎo)通電阻的變化，對于每一溫度，選取Vgs-V_T＝10V附近，Vds<0.5V的輸出特性的測量數(shù)據(jù)Vgs，Vds和Ids擬合公式，可提取出比例系數(shù)β和剩余電阻R_s。此時的器件的工作區(qū)在強(qiáng)反型，符合真實(shí)的工作性能。

步驟S5：用每個測試溫度下的碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻減去剩余電阻，得到碳化硅MOSFET的溝道電阻R_ch；

本步驟中，碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻可由漏源電壓Vds除以漏源電流Ids計算取得。

優(yōu)選的，溝道電阻可表示為R_ch＝L/[μC_oxW(Vgs-V_T)]，式中μ為反型溝道電子遷移率，L為溝道長度，W為溝道寬度，C_ox為單位面積柵氧化層電容，V_T為閾值電壓，Vgs為柵源電壓。其中反型溝道電子遷移率μ隨溫度升高而增大，由于無法直接測得器件的溝道電阻或溝道遷移率，所以用導(dǎo)通電阻減去剩余電阻的建模方法，計算得到溝道電阻R_ch。

實(shí)施例的剩余電阻-開爾文溫度的特性的冪次函數(shù)曲線為：

R_s＝1.46×10^-4T^2.28

步驟S6：得到碳化硅MOSFET的溝道電阻隨溫度的變化關(guān)系，可用指數(shù)函數(shù)曲線擬合溝道電阻-開爾文溫度的特性曲線。

本步驟中，將步驟S5中計算得出的每個測試溫度下的溝道電阻R_ch與測試溫度T建立對應(yīng)關(guān)系，可用y＝kx^γ的冪次函數(shù)曲線擬合溝道電阻-開爾文溫度的特性曲線。碳化硅MOSFET R_DS,on,R_s和R_ch與溫度關(guān)系如圖5所示。

實(shí)施例的溝道電阻-開爾文溫度的特性的指數(shù)函數(shù)曲線為：

R_ch＝555.14×exp(-T/138)

實(shí)施例在低摻雜的漂移區(qū)內(nèi)，體聲子散射為主導(dǎo)的電子散射機(jī)制，電子遷移率可表示為式中μ_Β0為300Κ時的電子遷移率，θ為預(yù)設(shè)參數(shù)。

理論上雜質(zhì)完全電離的情況下，漂移區(qū)電阻R_Drift理論值應(yīng)正比于溫度T的θ次方T^θ。具體實(shí)施考慮到R_JFET，R_Sp和R_Sub的存在帶來的誤差，由測量結(jié)果提取出的剩余電阻R_s與漂移區(qū)電阻R_Drift并不完全一致，但剩余電阻R_s主要由漂移區(qū)電阻R_Drift決定。因此，由以上實(shí)施例可見，本發(fā)明的方法能夠準(zhǔn)確獲得電阻-溫度之間的特性曲線，完成模型搭建。

實(shí)施例二：

步驟S1：型號為CMF20120，C2M0080120D，C3M0065090D的碳化硅MOSFET器件，對每個型號的MOSFET分別取三個樣品，按照實(shí)施例一中步驟S1-S4的方法進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)處理，考慮到同一型號的不同器件在常溫下的閾值電壓也會有不同，選取其中一組測量數(shù)據(jù)作為代表性結(jié)果。得到圖3、圖6、圖7分別為三個型號器件的碳化硅MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線，通過二次函數(shù)擬合的方式，提取出每一測量溫度下的閾值電壓V_T。圖3、6、7中圖標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)為實(shí)際測量值，實(shí)線為擬合的二次函數(shù)曲線。圖10為三種型號器件閾值電壓-溫度的特性對比圖。

步驟S2：按照實(shí)施例一中步驟5-6的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到三個型號器件電阻-溫度的關(guān)系如圖5、圖8、圖9所示。三種器件剩余電阻-開爾文溫度的特性的冪次函數(shù)曲線分別為：

R_s1＝1.46×10^-4T^2.28

R_s2＝5.43×10^-5T^2.43

R_s3＝1.08×10^-4T^2.23

三個器件溝道電阻-開爾文溫度的特性的指數(shù)函數(shù)曲線分別為：

R_ch1＝555.14×exp(-T/138)

R_ch2＝211.22×exp(-T/141)

R_ch3＝388.17×exp(-T/77)

步驟S3：器件的溝道電阻可表示為：

式中，μ_n為反型溝道電子有效遷移率，L為溝道長度，W為溝道寬度，C_ox為單位面積柵氧化層電容。三種器件的溝道電阻R_ch-T關(guān)系如圖11所示，分別以三種器件20℃室溫下測量值作為標(biāo)準(zhǔn)的歸一化溝道電子有效遷移率如圖12所示。因此由圖12可得出，三個器件的界面態(tài)密度為：器件1>器件2>器件3。

并且，已有的關(guān)于SiC MOSFET溝道遷移率理論建模的研究，提出了多個SiO₂/SiC表面庫侖遷移率的數(shù)學(xué)模型，都證明了庫侖遷移率是與溫度成正相關(guān)，與界面態(tài)密度成負(fù)相關(guān)的。由于庫侖散射機(jī)制的主導(dǎo)地位，隨著界面態(tài)密度的增加，溝道遷移率溫度變化率也隨之增加。

步驟S4：SiO₂/SiC界面態(tài)密度越大，器件的溝道界面品質(zhì)越差，器件的可靠性能越差，因此本發(fā)明方法能夠用于評估器件的溝道界面品質(zhì)，具有其突出顯著的技術(shù)效果。

上述具體實(shí)施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。