一种用于SiCMOSFET的电学性能退化预测方法

本发明涉及一种用于sic mosfet的电学性能退化预测方法，属于功率半导体器件。

背景技术：

1、随着工艺技术的不断进步，传统si基材料已经无法满足人们的需求，超结mos和igbt等结构开发也已经接近si材料的极限，而sic作为第三代半导体发展的重要材料，以其大的禁带宽度、高的临界击穿电场和良好的高速开关特性，受到科学界的普遍关注，是制备高温、高压、高频器件的理想材料，在新能源汽车、轨道交通和智能电网等电力电子领域有广泛应用。

2、随着sic mosfet器件的广泛应用，sic mosfet器件的性能对整个电力电子系统的影响也越来越大。实际情况中，随着使用时间的增加，sic mosfet器件性能会发生退化，如何预测sic mosfet器件的退化情况，更好的保证器件的可靠性一直受到研究人员的关注。目前对于sic mosfet的研究大都集中在某个参数上，考虑的影响因素也较为单一，这种情况下建立的sic mosfet模型难以在实际的电力电子系统中产生作用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种用于sic mosfet的电学性能退化预测方法，能够有效表征在栅源电压vgs、温度ta和退化时间t共同作用下，目标sic mosfet器件电学性能的退化情况。

2、本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种用于sicmosfet的电学性能退化预测方法，针对目标sic mosfet器件接入电路的应用，对目标sicmosfet器件实现电学性能退化预测，包括如下步骤：

3、步骤a.针对目标sic mosfet器件，构建零漏源电压vds下长沟道阈值电压vth0关于栅源电压vgs、温度ta、退化时长t的第一退化表征模型结构；

4、构建零偏电场下迁移率μ0关于栅源电压vgs、温度ta、退化时长t的第二退化表征模型结构；

5、构建获得阈值电压一阶体效应系数k1关于栅源电压vgs、退化时长t的第三退化表征模型结构，然后进入步骤b；

6、步骤b.执行关于目标sic mosfet器件的高温栅偏实验，分别针对第一退化表征模型结构、第二退化表征模型结构、第三退化表征模型结构进行数据拟合，获得第一退化表征模型、第二退化表征模型、第三退化表征模型，然后进入步骤c；

7、步骤c.将第一退化表征模型、第二退化表征模型、第三退化表征模型嵌入到传统sic mosfet器件电学特性spice模型中，获得目标sic mosfet器件所对应的sic mosfet模型，用于对目标sic mosfet器件进行电学性能退化预测。

8、作为本发明的一种优选技术方案,所述步骤a包括如下：

9、根据构成sic mosfet基本模型的阿伦尼乌斯模型退化时间模型δvth0＝w1tn、逆幂律模型w1＝p1vgsn，针对目标sic mosfet器件，构建零漏源电压vds下长沟道阈值电压vth0关于栅源电压vgs、温度ta、退化时长t的第一退化表征模型结构如下：

10、

11、其中，a和e分别表示待拟合常数，n'表示第一退化表征模型中与温度ta有关的待拟合系数，n表示第一退化表征模型中与栅源电压vgs和温度ta有关的待拟合系数，ea表示sic mosfet退化所需活化能，k表示玻尔兹曼常数，w1表示第一退化表征模型结构下电学参数，y1表示第一退化表征模型结构下常数，δvth0表示vth0的变化量，p1表示第一退化表征模型结构下常数。

12、作为本发明的一种优选技术方案,所述步骤a包括如下：

13、根据构成sic mosfet基本模型的阿伦尼乌斯模型退化时间模型δμ0＝w2tm、逆幂律模型w2＝p2vgsm，针对目标sic mosfet器件，构建零偏电场下迁移率μ0关于栅源电压vgs、温度ta、退化时长t的第二退化表征模型结构如下：

14、

15、其中，b和d分别表示待拟合常数，m'表示第二退化表征模型中与温度ta有关的待拟合系数，m表示第二退化表征模型中与栅源电压vgs和温度ta有关的待拟合系数，ea表示sic mosfet退化所需活化能，k表示玻尔兹曼常数，w2表示第二退化表征模型下电学参数，y2表示第二退化表征模型下常数，δμ0表示μ0的变化量，p2表示第二退化表征模型下常数。

16、作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤a包括如下：

17、根据构成sic mosfet基本模型的退化时间模型δk1＝w3th、逆幂律模型w3＝p3vgsh，针对目标sic mosfet器件，构建阈值电压一阶体效应系数k1关于栅源电压vgs、退化时长t的第三退化表征模型结构如下：

18、k1＝c+(f+gvgs)tw

19、其中，c、f、g分别表示待拟合常数，h表示第三退化表征模型中与栅源电压vgs有关的待拟合系数，h'表示第二退化表征模型中与温度ta有关的待拟合系数，w3表示第三退化表征模型结构下电学参数，δk1表示k1的变化量，p3表示第三退化表征模型结构下常数。

20、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b包括如下步骤b1至步骤b2；

21、步骤b1.基于预设i个温度ta1、…、tai、…、tai分别与预设j个栅源电压vgs1、…、vgsj、…、vgsj之间一对一的组合，分别以各组合中的温度tai与栅源电压vgsj，按退化时长t，针对目标sic mosfet器件进行高温栅偏试验，并对目标sic mosfet器件进行测试，获得目标sic mosfet器件对应的输出特性与转移特性，然后进入步骤b2；

22、步骤b2.基于目标sic mosfet器件对应的输出特性与转移特性，分别针对第一退化表征模型结构、第二退化表征模型结构、第三退化表征模型结构进行数据拟合，获得第一退化表征模型、第二退化表征模型、第三退化表征模型，然后进入步骤c。

23、作为本发明的一种优选技术方案：所述目标sic mosfet器件对应的输出特性与转移特性包括漏源电流ids随漏源电压vds变化而变化的数据、以及漏源电流ids随栅源电压vgs变化而变化的数据。

24、本发明所述一种用于sic mosfet的电学性能退化预测方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

25、(1)本发明所设计一种用于sic mosfet的电学性能退化预测方法，分析栅源电压vgs、温度ta、退化时长t的三种影响因素，依据构成sic mosfet基本模型的阿伦尼乌斯模型、退化时间模型、逆幂律模型，分别构建零漏源电压vds下长沟道阈值电压vth0的第一退化表征模型结构、零偏电场下迁移率μ0的第二退化表征模型结构、以及阈值电压一阶体效应系数k1的第三退化表征模型结构，然后执行关于目标sic mosfet器件的高温栅偏实验，并进行模型训练，分别获得第一退化表征模型、第二退化表征模型、第三退化表征模型；最后将所构建三个退化表征模型嵌入到传统sic mosfet器件电学特性spice模型中，获得用于预测电学性能退化的sic mosfet模型，进而对目标sic mosfet器件进行可靠性与元器件寿命分析，实现电学性能退化的高效预测；

26、(2)本发明所设计用于sic mosfet的电学性能退化预测方法，成功在栅源电压vgs、温度ta、退化时长t共同作用下建立sic mosfet模型，能够准确预测不同栅源电压vgs和温度ta下，目标sic mosfet器件随退化时间t发生的电学性能退化，可以有效评估目标sicmosfet器件的可靠性和寿命，有着很强的实际意义；并且所构建参与三个退化表征模型形式简单、没有迭代函数，实际应用方便快捷。