JP2025117237A - Test method for insulated gate SiC semiconductor device, insulated gate SiC semiconductor device - Google Patents
Test method for insulated gate SiC semiconductor device, insulated gate SiC semiconductor deviceInfo
- Publication number
- JP2025117237A JP2025117237A JP2024011977A JP2024011977A JP2025117237A JP 2025117237 A JP2025117237 A JP 2025117237A JP 2024011977 A JP2024011977 A JP 2024011977A JP 2024011977 A JP2024011977 A JP 2024011977A JP 2025117237 A JP2025117237 A JP 2025117237A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sic semiconductor
- insulated gate
- semiconductor device
- gate sic
- under test
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
【課題】
従来の試験方法では判別が困難な規格外品の精度の高い選別が可能な絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法を提供する。
【解決手段】
絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法であって、(a)被試験素子を、インダクタンス負荷を有するHブリッジ型回路に組み込むステップと、(b)前記Hブリッジ型回路のゲート電圧信号により繰り返しオン/オフスイッチングして、前記被試験素子に双方向の電流を流すステップと、を有し、前記被試験素子は、遮断定格耐圧をVav[kV]、ゲート絶縁膜厚さをt[nm]、オン/オフスイッチング時の電圧変化速度をdv/dt[kV/us]としたとき、dv/dt>0.06×t×Vavの関係式を満たすことを特徴とする。
【選択図】 図6
【assignment】
A method for testing insulated gate SiC semiconductor elements is provided that enables highly accurate sorting of non-standard products that are difficult to distinguish using conventional testing methods.
[Solution]
A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device, comprising: (a) incorporating a device under test into an H-bridge circuit having an inductance load; and (b) repeatedly performing on/off switching using a gate voltage signal of the H-bridge circuit to pass a bidirectional current through the device under test, wherein the device under test satisfies the relational expression dv/dt>0.06×t×Vav, where Vav [kV] is a rated interrupting voltage rating, t [nm] is a gate insulating film thickness, and dv/dt [kV/us] is a voltage change rate during on/off switching.
[Selected figure] Figure 6
Description
本発明は、半導体素子の試験方法とその対象となる半導体素子に係り、特に、絶縁ゲート型SiC半導体素子の選別試験に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device testing method and the semiconductor device to be tested, and in particular to technology that is effective when applied to screening tests of insulated gate SiC semiconductor devices.
低抵抗、高耐圧、耐熱性、高速特性に優れたパワー半導体素子を製造可能な半導体材料として、炭化ケイ素(シリコンカーバイド:SiC)が注目されている。SiCを用いたパワー半導体素子としては、SBD(Schottky Barrier Diode)や、PND(PN Diode)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等がある。 Silicon carbide (SiC) is attracting attention as a semiconductor material that can be used to manufacture power semiconductor elements with low resistance, high voltage resistance, heat resistance, and excellent high-speed characteristics. Power semiconductor elements using SiC include SBDs (Schottky Barrier Diodes), PNDs (PN Diodes), MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors), and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
SiCは、絶縁破壊電界強度がSi(シリコン)と比べて約10倍高いことから、数百V~数千Vの高耐圧パワー半導体素子をSi半導体素子と比較して高い不純物濃度、かつ薄い膜厚のドリフト層で作製することができ、単位面積当たりのオン抵抗が非常に低い高耐圧素子を実現することができる。 Because SiC has a dielectric breakdown field strength approximately 10 times higher than that of Si (silicon), high-voltage power semiconductor elements of several hundred to several thousand volts can be fabricated with a higher impurity concentration and thinner drift layer than Si semiconductor elements, enabling the realization of high-voltage elements with extremely low on-resistance per unit area.
また、Siでは、高耐圧化に伴うオン抵抗の増大を改善するためにIGBT等の少数キャリアデバイスが主に用いられているが、スイッチング損失が大きいという問題があり、その結果発生する発熱によって高周波駆動には限界がある。一方、SiCでは、高速なデバイス構造であるSBDやMOSFET等の多数キャリアデバイスで高耐圧を実現できるため、高耐圧、低オン抵抗、高速の3つの性能を同時に実現することができる。 In addition, with Si, minority carrier devices such as IGBTs are mainly used to alleviate the increase in on-resistance that accompanies higher voltages, but they have the problem of large switching losses, and the resulting heat generation places limits on high-frequency operation. On the other hand, with SiC, high voltages can be achieved using majority carrier devices such as SBDs and MOSFETs, which have high-speed device structures, making it possible to simultaneously achieve the three performance characteristics of high voltage, low on-resistance, and high speed.
さらに、バンドギャップがSiの約3倍広いため、高温においても動作可能なパワー半導体素子を実現することができるのも特徴である。 Furthermore, since its bandgap is approximately three times wider than that of Si, it is possible to realize power semiconductor elements that can operate even at high temperatures.
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には、「炭化珪素半導体装置にダイオードを逆並列に接続したインバータ回路で高温長時間使用しても、信頼性が低下することのない炭化珪素半導体装置をスクリーニングできる炭化珪素半導体装置の選別方法」が開示されている。 As background technology in this technical field, there is, for example, technology such as that disclosed in Patent Document 1. Patent Document 1 discloses "a method for screening silicon carbide semiconductor devices that can screen for silicon carbide semiconductor devices that do not lose reliability even when used at high temperatures for long periods of time in an inverter circuit in which a diode is connected in anti-parallel to the silicon carbide semiconductor device."
ところで、パワー半導体素子(例えば、パワーMOSFET)では、スイッチングに伴い、ドレイン-ソース間に繰り返し断続的に電圧が印加される。MOSFETが導通状態(オン)から遮断状態(オフ)にスイッチングした場合、MOSFETのドレイン電極に掛かる電圧は急激に増加する。このドレイン電圧の変化によりソースとドレインとの間の空乏層容量を介して、変位電流が発生する。この変位電流は、Pウェル内を流れ、ソース電極に流入するが、その際に、電流の大きさに比例した電圧がPウェル内に発生する(後述する図1参照。)
ゲート酸化膜がPウェルとゲート電極とに挟まれている部分では、その高電圧によってゲート酸化膜に高電界が掛かることになり、ゲート酸化膜がダメージを受けることがある。特に大きい電源電圧を取り扱う高耐圧素子の場合、スイッチング時に生じる変位電流も大きく、ゲート酸化膜に掛かる電界も大きくなるため、長期使用によるダメージが蓄積し、素子破壊に至ることが懸念される。
In a power semiconductor device (for example, a power MOSFET), a voltage is repeatedly and intermittently applied between the drain and source as the device switches. When the MOSFET switches from a conductive state (on) to a cut-off state (off), the voltage applied to the drain electrode of the MOSFET increases rapidly. This change in drain voltage generates a displacement current via the depletion layer capacitance between the source and drain. This displacement current flows through the P-well and into the source electrode, and at that time, a voltage proportional to the magnitude of the current is generated in the P-well (see Figure 1, described later).
In the area where the gate oxide is sandwiched between the P-well and the gate electrode, the high voltage causes a high electric field to be applied to the gate oxide, which can damage the gate oxide. In particular, in the case of high-voltage elements that handle large power supply voltages, the displacement current generated during switching is large, and the electric field applied to the gate oxide is also large, so there is a concern that damage will accumulate over long-term use and lead to element destruction.
素子構造設計により内部電界によるダメージを防止する工夫もあるが、製造プロセス上でのばらつきや除去しきれない異物などの影響により、破壊しやすい素子が含まれることは不可避であるため、そのような脆弱素子はストレス試験により選別除去する必要がある。 Although there are ways to prevent damage from internal electric fields through element structural design, it is inevitable that elements that are easily damaged will be included due to variations in the manufacturing process and the influence of foreign matter that cannot be completely removed. Therefore, such vulnerable elements must be selected and removed through stress testing.
また、高耐圧素子の破壊耐性は、対象となる素子の遮断定格耐圧やゲート絶縁膜の厚さと密接な関係があり、ストレス試験時のスイッチング速度にも影響されるため、これらを考慮したストレス試験を行う必要がある。 In addition, the breakdown resistance of high-voltage elements is closely related to the interrupting voltage rating and gate insulating film thickness of the element in question, and is also affected by the switching speed during stress testing, so stress testing must take these factors into consideration.
上記特許文献1では、これらのパラメータについは考慮されておらず、精度の高い選別には改善の余地がある。 Patent Document 1 above does not take these parameters into consideration, and there is room for improvement in achieving highly accurate sorting.
そこで、本発明の目的は、従来の試験方法では判別が困難な規格外品の精度の高い選別が可能な絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法及びそれを用いた絶縁ゲート型SiC半導体素子を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a testing method for insulated gate SiC semiconductor devices that enables highly accurate sorting of non-standard products that are difficult to identify using conventional testing methods, and an insulated gate SiC semiconductor device that uses the same.
上記課題を解決するために、本発明は、絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法であって、(a)被試験素子を、インダクタンス負荷を有するHブリッジ型回路に組み込むステップと、(b)前記Hブリッジ型回路のゲート電圧信号により繰り返しオン/オフスイッチングして、前記被試験素子に双方向の電流を流すステップと、を有し、前記被試験素子は、遮断定格耐圧をVav[kV]、ゲート絶縁膜厚さをt[nm]、オン/オフスイッチング時の電圧変化速度をdv/dt[kV/us]としたとき、dv/dt>0.06×t×Vavの関係式を満たすことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a method for testing an insulated gate SiC semiconductor device, comprising the steps of: (a) incorporating a device under test into an H-bridge circuit having an inductance load; and (b) repeatedly switching the H-bridge circuit on and off using a gate voltage signal to pass a bidirectional current through the device under test, wherein the device under test satisfies the relationship dv/dt > 0.06 × t × Vav, where Vav is the rated interrupting voltage rating, t is the gate insulating film thickness, and dv/dt is the voltage change rate during on/off switching.
また、本発明は、ゲート端子とソース端子とドレイン端子とを備え、前記ゲート端子に電圧を印加することにより、前記ソース端子と前記ドレイン端子との間に流れる電流を制御する絶縁ゲート型SiC半導体素子であって、インダクタンス負荷を有するHブリッジ型回路に組み込まれ、前記Hブリッジ型回路のゲート電圧信号により繰り返しオン/オフスイッチングして、前記被試験素子に双方向の電流を流した履歴を有し、遮断定格耐圧をVav[kV]、ゲート絶縁膜厚さをt[nm]、オン/オフスイッチング時の電圧変化速度をdv/dt[kV/us]としたとき、dv/dt>0.06×t×Vavの関係式を満たすことを特徴とする。 The present invention also provides an insulated gate SiC semiconductor device comprising a gate terminal, a source terminal, and a drain terminal, which controls the current flowing between the source terminal and the drain terminal by applying a voltage to the gate terminal. The device is incorporated into an H-bridge circuit having an inductance load, and has a history of repeatedly switching on and off using a gate voltage signal from the H-bridge circuit, causing a bidirectional current to flow through the device under test. When the interrupting rated withstand voltage is Vav [kV], the gate insulating film thickness is t [nm], and the voltage change rate during on/off switching is dv/dt [kV/us], the device satisfies the relationship dv/dt > 0.06 × t × Vav.
本発明によれば、従来の試験方法では判別が困難な規格外品の精度の高い選別が可能な絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法及びそれを用いた絶縁ゲート型SiC半導体素子を実現することができる。 The present invention provides a testing method for insulated gate SiC semiconductor devices that enables highly accurate sorting of non-standard products that are difficult to identify using conventional testing methods, as well as an insulated gate SiC semiconductor device that uses the same.
これにより、絶縁ゲート型SiC半導体素子の信頼性向上及び長寿命化に寄与できる。 This will contribute to improving the reliability and extending the lifespan of insulated gate SiC semiconductor devices.
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Other issues, configurations, and advantages will become clear from the description of the following embodiments.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below using the drawings. Note that identical components in each drawing will be assigned the same reference numerals, and detailed descriptions of overlapping parts will be omitted.
図1から図6を参照して、本発明の実施例1に係るSiC半導体素子の試験方法とその対象となるSiC半導体素子について説明する。 With reference to Figures 1 to 6, a method for testing a SiC semiconductor device according to Example 1 of the present invention and the SiC semiconductor device to be tested will be described.
図1は、本実施例のSiC-MOSFETの断面構造を模式的に示す図であり、プレーナ型MOSFETの例を用いて示している。 Figure 1 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of the SiC-MOSFET of this embodiment, using a planar MOSFET as an example.
図1に示すように、本実施例のSiC-MOSFET1は、n+型のSiC基板2の主面上に、同じくSiCからなるn型のドリフト層3が設けられる。 As shown in Figure 1, the SiC-MOSFET 1 of this embodiment has an n-type drift layer 3, also made of SiC, provided on the main surface of an n+ type SiC substrate 2.
ドリフト層3の表面付近には、p型のボディ領域4と、n型のドリフト層3よりも高い濃度でn型のドーパントを含むn+型のソース領域5と、p型のボディ領域4よりも高い濃度でp型のドーパントを含むp+型のコンタクト領域6が形成されている。 Near the surface of the drift layer 3, a p-type body region 4, an n+ type source region 5 containing n-type dopants at a higher concentration than the n-type drift layer 3, and a p+ type contact region 6 containing p-type dopants at a higher concentration than the p-type body region 4 are formed.
ドリフト層3の表面付近のn+型ソース領域5及びp+型のコンタクト領域6の少なくとも一部に接して、ソース電極7が形成されている。 A source electrode 7 is formed in contact with at least a portion of the n+ type source region 5 and p+ type contact region 6 near the surface of the drift layer 3.
また、ドリフト層3の表面付近のp型のボディ領域4と接して、ゲート絶縁膜8及びゲート電極9が形成されている。 In addition, a gate insulating film 8 and a gate electrode 9 are formed in contact with the p-type body region 4 near the surface of the drift layer 3.
SiC基板2の裏面には、ドレイン電極10が設けられている。 A drain electrode 10 is provided on the back surface of the SiC substrate 2.
ソース電極7に対してゲート電極9が一定以上の電圧(閾値電圧VGSth)にバイアスされると、p型のボディ領域4の表面側のゲート絶縁膜8と接する部分がn型に反転し、導電チャネルが形成される。この状態で、ソース電極7に対してドレイン電極10が正にバイアスされると、n+型のソース領域5から導電チャネルを通じてドレイン電極10に向かって電子が流れる。 When the gate electrode 9 is biased to a certain voltage or higher (threshold voltage VGSth) relative to the source electrode 7, the portion of the p-type body region 4 that is in contact with the gate insulating film 8 on the surface side is inverted to n-type, forming a conductive channel. In this state, when the drain electrode 10 is biased positively relative to the source electrode 7, electrons flow from the n+ type source region 5 toward the drain electrode 10 through the conductive channel.
ゲート電圧が閾値電圧VGSth以下のときには、導電チャネルは形成されず、高いドレイン電圧が印加されたときには、ドリフト層3に空乏化領域が形成されることにより、ドレイン電極10にはごく僅かな漏れ電流が流れるのみである。 When the gate voltage is below the threshold voltage VGSth, no conductive channel is formed, and when a high drain voltage is applied, a depletion region is formed in the drift layer 3, causing only a small leakage current to flow through the drain electrode 10.
このように、ゲート電極9に印加する電圧を制御することによって、電流のオン/オフ制御(スイッチング動作)が可能である。 In this way, by controlling the voltage applied to the gate electrode 9, it is possible to control the on/off state of the current (switching operation).
図6のフローチャートを用いて、本実施例のSiC半導体素子の試験方法について説明する。 The testing method for SiC semiconductor devices in this embodiment will be explained using the flowchart in Figure 6.
先ず、ステップS1において、対象となるSiC半導体素子を、インダクタンス負荷を有するHブリッジ型回路に組み込む。(後述する図3参照。)
次に、ステップS2において、ゲート電圧信号入力により繰り返しオン/オフスイッチングして、SiC半導体素子に双方向の電流を流すことにより、SiC半導体素子にストレスを与える。
First, in step S1, a target SiC semiconductor device is incorporated into an H-bridge circuit having an inductance load (see FIG. 3, which will be described later).
Next, in step S2, a gate voltage signal is input to repeatedly perform on/off switching to pass a bidirectional current through the SiC semiconductor element, thereby applying stress to the SiC semiconductor element.
このスイッチングの際に、式(1)の関係式が満たされるように、動作条件を設定する。 When switching, the operating conditions are set so that the relationship in equation (1) is satisfied.
dv/dt>0.06×t×Vav・・・(1)
ここで、Vav[kV]はSiC半導体素子の遮断定格耐圧、t[nm]はゲート絶縁膜の厚さ、dv/dt[kV/us]はスイッチング時の電圧変化速度である。
dv/dt>0.06×t×Vav...(1)
Here, Vav [kV] is the rated interruption voltage of the SiC semiconductor element, t [nm] is the thickness of the gate insulating film, and dv/dt [kV/us] is the rate of voltage change during switching.
続いて、ステップS3において、SiC半導体素子をHブリッジ型回路から取り出す。 Next, in step S3, the SiC semiconductor device is removed from the H-bridge circuit.
次に、ステップS4において、Hブリッジ型回路から取り出したSiC半導体素子のゲートリーク電流を測定する。 Next, in step S4, the gate leakage current of the SiC semiconductor element removed from the H-bridge circuit is measured.
続いて、ステップS5において、ゲートリーク電流値が所定の規定値内か否かを判定する。ゲートリーク電流値が所定の規定値内である場合(Yes)は、ステップS6に進み、良品として選別する。一方、ゲートリーク電流値が所定の規定値内から外れた場合(No)は、ステップS7に進み、不良品として選別する。 Next, in step S5, it is determined whether the gate leakage current value is within a predetermined specified value. If the gate leakage current value is within the predetermined specified value (Yes), the process proceeds to step S6, where the product is classified as a non-defective product. On the other hand, if the gate leakage current value is outside the predetermined specified value (No), the process proceeds to step S7, where the product is classified as a defective product.
本実施例の試験方法によれば、上記の関係式(1)が満たされるように、Hブリッジ型回路における動作条件を設定することにより、脆弱な素子は動作不良または破壊に至ることになり、不良品としてアウト選別される。 According to the test method of this embodiment, by setting the operating conditions in the H-bridge circuit so that the above relational expression (1) is satisfied, weak elements will malfunction or break down, and will be screened out as defective.
なお、遮断定格耐圧が高い素子の方がゲート酸化膜に掛かるストレスが大きいため、定格耐圧が2kV以上であると、効率的にスクリーニングが可能である。 Incidentally, since devices with a higher interrupting voltage rating place greater stress on the gate oxide film, efficient screening is possible if the voltage rating is 2 kV or higher.
また、図5を用いて後述するが、通電による自己発熱により素子内部を高温にした方がより高いストレスを印加することができるため、試験時に流れる電流の最大値は素子の定格電流の1/5以上(好ましくは1/2以上)であり、素子の接合温度は100℃以上まで加熱されることが望ましい。 As will be explained later using Figure 5, since higher stress can be applied by raising the temperature inside the element due to self-heating caused by current flow, the maximum current flowing during testing should be at least 1/5 (preferably at least 1/2) of the rated current of the element, and the element junction temperature should desirably be heated to 100°C or higher.
図2A及び図2Bを用いて、不良品選別に必要な電圧変化速度dv/dtについて説明する。 Using Figures 2A and 2B, we will explain the voltage change rate dv/dt required for defective product screening.
図2Aは、素子定格耐圧と不良選別に必要な電圧変化速度(電圧変化率)dv/dtの関係を示す図であり、図2Bは、ゲート絶縁膜厚と不良選別に必要な電圧変化速度(電圧変化率)dv/dtの関係を示す図である。 Figure 2A shows the relationship between the rated breakdown voltage of an element and the voltage change speed (voltage change rate) dv/dt required for defect screening, and Figure 2B shows the relationship between the gate insulating film thickness and the voltage change speed (voltage change rate) dv/dt required for defect screening.
脆弱素子を不良品として選別できる電圧変化速度dv/dtを計算した結果、図2A及び図2Bに示すような関係が得られた。 The voltage change rate dv/dt at which a weak element can be classified as defective was calculated, and the relationship shown in Figures 2A and 2B was obtained.
図2Aに示すように、素子定格耐圧(遮断定格電圧)に比例して、選別に必要な電圧変化速度dv/dtは大きくなる。これは、定格電圧が高くなるほど、空乏層の容量が小さくなり、容量変化に伴う変位電流量が小さくなるためである。 As shown in Figure 2A, the voltage change rate dv/dt required for selection increases in proportion to the device's rated breakdown voltage (rated interrupting voltage). This is because the higher the rated voltage, the smaller the capacitance of the depletion layer, and the smaller the amount of displacement current associated with capacitance change.
また、図2Bに示すように、ゲート絶縁膜が薄くなるほど、耐電圧が低くなるため、選別に必要な電圧変化速度dv/dtは小さくなる。 Furthermore, as shown in Figure 2B, the thinner the gate insulating film, the lower the withstand voltage, and therefore the voltage change rate dv/dt required for sorting becomes smaller.
この2つの図に示した電圧変化速度dv/dtから、上記の式(1)に示す関係が得られる。 The voltage change rate dv/dt shown in these two figures gives the relationship shown in equation (1) above.
対象となる被試験素子(SiC半導体素子)をHブリッジ型試験回路に組み込んだ様子を図3に示す。 Figure 3 shows the device under test (SiC semiconductor device) incorporated into an H-bridge test circuit.
被試験素子(DUT:Device Under Test)となるSW1の他に、SW2、SW3、SW4を加えた4つのスイッチ素子と、直流電源11、インダクタンス負荷12でHブリッジ回路を構成している。スイッチ素子SW1~SW4には、各スイッチ素子にゲート信号を入力するためのゲートドライバGDがそれぞれ接続されている。 In addition to SW1, which is the device under test (DUT), four other switch elements, SW2, SW3, and SW4, form an H-bridge circuit, along with a DC power supply 11 and an inductance load 12. A gate driver GD is connected to each of switch elements SW1 to SW4, which inputs a gate signal to each switch element.
スイッチ素子の遮断定格耐圧3.3kV、定格電流容量1000Aの場合、例えば、直流電源11の電圧は1.8kV、インダクタンス負荷12は2mHとする。 If the switching element has a rated interruption voltage of 3.3 kV and a rated current capacity of 1000 A, for example, the voltage of the DC power supply 11 is 1.8 kV and the inductance load 12 is 2 mH.
本実施例では、スイッチ素子SW1を被試験素子(DUT)としており、スイッチ素子SW2~SW4はHブリッジ型回路を構成するための補助素子となっているが、被試験素子(DUT)であるスイッチ素子SW1に充分なストレスを与えるためには、スイッチ素子SW2~SW4の遮断定格電圧や定格電流容量は、スイッチ素子SW1のそれよりも大きいことが望ましい。或いは、スイッチ素子SW2~SW4もスイッチ素子SW1と同一の素子を組み込んで、4つ全てを被試験素子(DUT)として試験することも可能である。 In this example, switch element SW1 is the device under test (DUT), and switch elements SW2 to SW4 are auxiliary elements that form an H-bridge circuit. However, to apply sufficient stress to switch element SW1, which is the device under test (DUT), it is desirable that the interrupting rated voltage and rated current capacity of switch elements SW2 to SW4 be greater than those of switch element SW1. Alternatively, switch elements SW2 to SW4 can also be incorporated with the same elements as switch element SW1, and all four can be tested as devices under test (DUT).
また、被試験素子(DUT)となる製品が、1つのパッケージに2つのスイッチ素子が実装されているタイプ(2in1型)である場合は、図3におけるスイッチ素子SW1とスイッチ素子SW2を1つのパッケージ製品で回路に組み込んで試験しても良い。 Also, if the product under test (DUT) is a type in which two switch elements are implemented in one package (2-in-1 type), switch elements SW1 and SW2 in Figure 3 may be incorporated into a circuit as a single package product and tested.
スイッチング速度(電圧変化速度)dv/dtを制御するためには、オン/オフ時のゲート電圧や、ゲートドライバ出力と被試験素子のゲート端子との間に接続する抵抗値を調整する。より効率良く高いストレスを掛けるためには、ゲートオン電圧は高く、ゲートオフ電圧は低く、ゲートの抵抗値は小さくすることが必要である。 To control the switching speed (speed of voltage change) dv/dt, the gate voltage during on/off and the resistance value connected between the gate driver output and the gate terminal of the device under test are adjusted. To apply high stress more efficiently, the gate-on voltage needs to be high, the gate-off voltage low, and the gate resistance small.
Hブリッジ型回路の各スイッチ素子のゲートに入力する信号は、正弦波状の変調波と鋸波状の搬送波の大小比較で出力する、いわゆる、パルス幅変調制御(PWM制御:Pulse Width Modulation)を用いることができる。 The signal input to the gate of each switch element in an H-bridge circuit can be output by comparing the magnitude of a sine-wave modulating wave and a sawtooth-wave carrier wave, a technique known as pulse width modulation (PWM).
図4に、図3のHブリッジ型試験回路による試験波形例を示す。 Figure 4 shows an example of a test waveform generated by the H-bridge test circuit shown in Figure 3.
図4は、50Hzの変調波と1kHzの搬送波によるPWM制御したときに被試験素子(DUT)に入力されるゲート電圧信号と、その時の被試験素子(DUT)のドレイン電圧及び被試験素子(DUT)に流れる電流の波形を示したものである。 Figure 4 shows the gate voltage signal input to the device under test (DUT) when PWM controlled with a 50 Hz modulating wave and a 1 kHz carrier wave, as well as the waveforms of the drain voltage and current flowing through the device under test (DUT) at that time.
ゲートに入力されるオン/オフ信号に従って、被試験素子に掛かるドレイン電圧も繰り返し変化する。この時のスイッチング速度(電圧変化速度)dv/dtが上記の式(1)で示す範囲に入っていれば、効率的に被試験素子にストレスを掛けることができる。図3に示すHブリッジ型試験回路においては、電流は1周期の中で電流が正負反転しており、双方向に流れていることが分かる。このようなHブリッジ型回路においては、スイッチ素子のオンとオフ、かつ、順回復と逆回復の全ての動作モードの試験が可能である。 The drain voltage applied to the device under test changes repeatedly in accordance with the on/off signal input to the gate. If the switching speed (speed of voltage change) dv/dt at this time falls within the range shown in equation (1) above, stress can be applied to the device under test efficiently. In the H-bridge test circuit shown in Figure 3, the current reverses positive and negative within one cycle, indicating that it flows in both directions. With such an H-bridge circuit, it is possible to test all operating modes, including on and off of the switching element, as well as forward and reverse recovery.
図5に、図3のHブリッジ型試験回路による試験時の素子の温度を示す。 Figure 5 shows the temperature of the element during testing using the H-bridge test circuit in Figure 3.
図5は、試験中の被試験素子の接合温度の変化を示したものである。試験中の通電によるジュール発熱のため、スイッチ素子の温度は徐々に上昇する。この時の温度上昇は、スイッチ素子の構造で決まる熱特性やスイッチ素子の冷却方法にもよるが、概ね数秒から数十秒の間でほぼ一定の定常温度に達する。 Figure 5 shows the change in the junction temperature of the device under test during testing. The temperature of the switching element gradually rises due to Joule heat generated by the current flowing through it during the test. This temperature rise depends on the thermal characteristics determined by the switching element's structure and the method of cooling the switching element, but it generally reaches a nearly constant steady-state temperature within a few seconds to a few tens of seconds.
試験は、このような定常状態に達する程度の十分な時間の繰り返し通電を行ない、かつ、そのときの温度が100℃以上に達することが望ましい。また、その温度に達するためには、被試験素子に印加する電流は、その最大定格電流の1/5以上(好ましくは1/2以上)とする必要がある。電流が低く、最高到達温度が低いとストレスが不十分となる可能性がある。 The test should be conducted by repeatedly passing current for a sufficient period of time to reach this steady state, and it is desirable that the temperature at that time reach 100°C or higher. Furthermore, to reach that temperature, the current applied to the device under test must be at least 1/5 (preferably 1/2 or more) of its maximum rated current. If the current is low and the maximum temperature reached is low, the stress may be insufficient.
以上説明したように、本実施例のSiC半導体素子の試験方法は、(a)被試験素子を、インダクタンス負荷を有するHブリッジ型回路に組み込むステップと、(b)Hブリッジ型回路のゲート電圧信号により繰り返しオン/オフスイッチングして、被試験素子に双方向の電流を流すステップとを有しており、被試験素子は、遮断定格耐圧をVav[kV]、ゲート絶縁膜厚さをt[nm]、オン/オフスイッチング時の電圧変化速度をdv/dt[kV/us]としたとき、dv/dt>0.06×t×Vavの関係式を満たす。 As described above, the method for testing SiC semiconductor devices in this embodiment includes the steps of (a) incorporating the device under test into an H-bridge circuit having an inductance load, and (b) repeatedly switching the H-bridge circuit on and off using a gate voltage signal to pass a bidirectional current through the device under test. The device under test satisfies the relational expression dv/dt > 0.06 × t × Vav, where Vav [kV] is the rated interrupting voltage, t [nm] is the gate insulating film thickness, and dv/dt [kV/us] is the voltage change rate during on/off switching.
また、本実施例のSiC半導体素子は、ゲート端子とソース端子とドレイン端子とを備えており、ゲート端子に電圧を印加することにより、ソース端子とドレイン端子との間に流れる電流を制御する絶縁ゲート型SiC半導体素子であって、インダクタンス負荷を有するHブリッジ型回路に組み込まれ、Hブリッジ型回路のゲート電圧信号により繰り返しオン/オフスイッチングして、絶縁ゲート型SiC半導体素子に双方向の電流を流した履歴を有しており、遮断定格耐圧をVav[kV]、ゲート絶縁膜厚さをt[nm]、オン/オフスイッチング時の電圧変化速度をdv/dt[kV/us]としたとき、dv/dt>0.06×t×Vavの関係式を満たす。 The SiC semiconductor element of this embodiment is an insulated gate SiC semiconductor element that has a gate terminal, a source terminal, and a drain terminal, and controls the current flowing between the source terminal and the drain terminal by applying a voltage to the gate terminal. It is incorporated into an H-bridge circuit having an inductance load, and has a history of repeatedly switching on and off using the gate voltage signal of the H-bridge circuit, causing a bidirectional current to flow through the insulated gate SiC semiconductor element. When the interrupting rated withstand voltage is Vav [kV], the gate insulating film thickness is t [nm], and the voltage change rate during on/off switching is dv/dt [kV/us], the relationship dv/dt > 0.06 × t × Vav is satisfied.
これにより、従来の試験方法では判別が困難な規格外品の精度の高い選別が可能となり、絶縁ゲート型SiC半導体素子の信頼性向上及び長寿命化に寄与できる。 This enables highly accurate sorting of non-standard products that are difficult to identify using conventional testing methods, contributing to improved reliability and longer lifespans of insulated gate SiC semiconductor devices.
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those including all of the described configurations. Furthermore, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.
1…SiC-MOSFET
2…SiC基板(n+型)
3…ドリフト層(n型)
4…ボディ領域(p型)
5…ソース領域(n+型)
6…コンタクト領域(p+型)
7…ソース電極
8…ゲート絶縁膜
9…ゲート電極
10…ドレイン電極
11…直流電源
12…インダクタンス負荷
GD…ゲートドライバ
SW1~SW4…スイッチ素子。
1...SiC-MOSFET
2...SiC substrate (n+ type)
3...Drift layer (n-type)
4...Body region (p-type)
5...Source region (n+ type)
6...contact region (p+ type)
7...Source electrode 8...Gate insulating film 9...Gate electrode 10...Drain electrode 11...DC power supply 12...Inductance load GD...Gate driver SW1 to SW4...Switch elements.
Claims (10)
(a)被試験素子を、インダクタンス負荷を有するHブリッジ型回路に組み込むステップと、
(b)前記Hブリッジ型回路のゲート電圧信号により繰り返しオン/オフスイッチングして、前記被試験素子に双方向の電流を流すステップと、
を有し、
前記被試験素子は、遮断定格耐圧をVav[kV]、ゲート絶縁膜厚さをt[nm]、オン/オフスイッチング時の電圧変化速度をdv/dt[kV/us]としたとき、
dv/dt>0.06×t×Vav
の関係式を満たすことを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法。 A test method for an insulated gate SiC semiconductor device, comprising:
(a) incorporating a device under test into an H-bridge type circuit having an inductance load;
(b) repeatedly switching on and off the H-bridge circuit using a gate voltage signal to pass a bidirectional current through the device under test;
and
When the device under test has an interruption rated withstand voltage of Vav [kV], a gate insulating film thickness of t [nm], and a voltage change rate during on/off switching of dv/dt [kV/us],
dv/dt>0.06×t×Vav
A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device, characterized in that the following relational expression is satisfied:
前記被試験素子の遮断定格耐圧が2kV以上であることを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法。 2. A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device according to claim 1, comprising:
A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device, wherein the device under test has an interruption rated withstand voltage of 2 kV or more.
前記(b)ステップにおいて、通電の自己発熱により前記被試験素子の接合温度が100℃以上まで加熱されることを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法。 2. A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device according to claim 1, comprising:
A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device, wherein in the step (b), the junction temperature of the device under test is heated to 100°C or higher due to self-heating caused by current flow.
前記(b)ステップにおいて、前記被試験素子に流れる双方向電流の最大値は、当該被試験素子の最大定格電流の1/5以上であることを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法。 2. A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device according to claim 1, comprising:
A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device, wherein in the step (b), the maximum value of the bidirectional current flowing through the device under test is 1/5 or more of the maximum rated current of the device under test.
前記(b)ステップにおいて、前記被試験素子に流れる双方向電流の最大値は、当該被試験素子の最大定格電流の1/2以上であることを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子の試験方法。 2. A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device according to claim 1, comprising:
A method for testing an insulated gate SiC semiconductor device, wherein in the step (b), the maximum value of the bidirectional current flowing through the device under test is equal to or greater than half of the maximum rated current of the device under test.
前記ゲート端子に電圧を印加することにより、前記ソース端子と前記ドレイン端子との間に流れる電流を制御する絶縁ゲート型SiC半導体素子であって、
インダクタンス負荷を有するHブリッジ型回路に組み込まれ、
前記Hブリッジ型回路のゲート電圧信号により繰り返しオン/オフスイッチングして、前記絶縁ゲート型SiC半導体素子に双方向の電流を流した履歴を有し、
遮断定格耐圧をVav[kV]、ゲート絶縁膜厚さをt[nm]、オン/オフスイッチング時の電圧変化速度をdv/dt[kV/us]としたとき、
dv/dt>0.06×t×Vav
の関係式を満たすことを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子。 a gate terminal, a source terminal, and a drain terminal;
An insulated gate SiC semiconductor element that controls a current flowing between the source terminal and the drain terminal by applying a voltage to the gate terminal,
It is incorporated into an H-bridge circuit with an inductive load,
The H-bridge circuit has a history of repeatedly switching on and off using a gate voltage signal to pass a bidirectional current through the insulated gate SiC semiconductor element;
When the rated breakdown voltage is Vav [kV], the gate insulating film thickness is t [nm], and the voltage change rate during on/off switching is dv/dt [kV/us],
dv/dt>0.06×t×Vav
An insulated gate SiC semiconductor element characterized by satisfying the following relational expression.
遮断定格耐圧が2kV以上であることを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子。 7. The insulated gate SiC semiconductor device according to claim 6,
An insulated gate SiC semiconductor element having a rated breakdown voltage of 2 kV or more.
前記繰り返しオン/オフスイッチング時に、通電の自己発熱により接合温度が100℃以上まで加熱されることを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子。 7. The insulated gate SiC semiconductor device according to claim 6,
An insulated gate SiC semiconductor element, characterized in that the junction temperature is heated to 100°C or higher due to self-heating caused by current flow during the repeated on/off switching.
前記繰り返しオン/オフスイッチング時に、前記絶縁ゲート型SiC半導体素子に流れる双方向電流の最大値は、当該絶縁ゲート型SiC半導体素子の最大定格電流の1/5以上であることを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子。 7. The insulated gate SiC semiconductor device according to claim 6,
an insulated gate SiC semiconductor element, wherein a maximum value of a bidirectional current flowing through the insulated gate SiC semiconductor element during the repeated on/off switching is 1/5 or more of a maximum rated current of the insulated gate SiC semiconductor element.
前記繰り返しオン/オフスイッチング時に、前記絶縁ゲート型SiC半導体素子に流れる双方向電流の最大値は、当該絶縁ゲート型SiC半導体素子の最大定格電流の1/2以上であることを特徴とする絶縁ゲート型SiC半導体素子。 7. The insulated gate SiC semiconductor device according to claim 6,
an insulated gate SiC semiconductor element, wherein a maximum value of a bidirectional current flowing through the insulated gate SiC semiconductor element during the repeated on/off switching is equal to or greater than half of a maximum rated current of the insulated gate SiC semiconductor element.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024011977A JP2025117237A (en) | 2024-01-30 | 2024-01-30 | Test method for insulated gate SiC semiconductor device, insulated gate SiC semiconductor device |
| PCT/JP2024/040808 WO2025164040A1 (en) | 2024-01-30 | 2024-11-18 | Method for testing insulated gate-type sic semiconductor element, and insulated gate-type sic semiconductor element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024011977A JP2025117237A (en) | 2024-01-30 | 2024-01-30 | Test method for insulated gate SiC semiconductor device, insulated gate SiC semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2025117237A true JP2025117237A (en) | 2025-08-12 |
Family
ID=96589856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2024011977A Pending JP2025117237A (en) | 2024-01-30 | 2024-01-30 | Test method for insulated gate SiC semiconductor device, insulated gate SiC semiconductor device |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2025117237A (en) |
| WO (1) | WO2025164040A1 (en) |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0627771B2 (en) * | 1985-03-18 | 1994-04-13 | 株式会社日立製作所 | Semiconductor device test method |
| DE10137676B4 (en) * | 2001-08-01 | 2007-08-23 | Infineon Technologies Ag | ZVS bridge circuit for relieved switching |
| JP2013008894A (en) * | 2011-06-27 | 2013-01-10 | Saitama Univ | Mos structure using silicon carbide semiconductor and oxide film forming method for the same |
| JP6058228B1 (en) * | 2015-04-22 | 2017-01-11 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device |
| JP6982549B2 (en) * | 2018-06-14 | 2021-12-17 | 株式会社 日立パワーデバイス | Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device and silicon carbide semiconductor inspection device |
| JP7375566B2 (en) * | 2020-01-16 | 2023-11-08 | 富士電機株式会社 | Load withstand test method and load withstand test device for voltage-controlled power semiconductor devices |
| GB2619415A (en) * | 2021-03-24 | 2023-12-06 | Hitachi Power Semiconductor Device Ltd | Electric connection inspection device, and manufacturing method and electric connection method for semiconductor device |
| JP2024114995A (en) * | 2023-02-14 | 2024-08-26 | 三菱電機株式会社 | Electromagnetic wave calculation system and method for acquiring back data |
-
2024
- 2024-01-30 JP JP2024011977A patent/JP2025117237A/en active Pending
- 2024-11-18 WO PCT/JP2024/040808 patent/WO2025164040A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025164040A1 (en) | 2025-08-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Review and analysis of SiC MOSFETs’ ruggedness and reliability | |
| Wei et al. | Review on the reliability mechanisms of SiC power MOSFETs: A comparison between planar-gate and trench-gate structures | |
| Sabri et al. | New generation 6.5 kV SiC power MOSFET | |
| Round et al. | A SiC JFET driver for a 5 kW, 150 kHz three-phase PWM converter | |
| CN108780816B (en) | Silicon carbide device and manufacturing method thereof | |
| KR101613442B1 (en) | Insulating gate-type bipolar transistor | |
| Knoll et al. | Robust 3.3 kV silicon carbide MOSFETs with surge and short circuit capability | |
| Sadik et al. | Comparison of thermal stress during short-circuit in different types of 1.2-kV SiC transistors based on experiments and simulations | |
| Mihaila et al. | The current status and future prospects of SiC high voltage technology | |
| Rajashekara et al. | Power Electronics | |
| Basler | Ruggedness of high-voltage IGBTs and protection solutions | |
| CN118117999A (en) | Power semiconductor device with voltage clamping circuit | |
| JP2018205251A (en) | Method for selecting silicon carbide semiconductor device | |
| JP7375566B2 (en) | Load withstand test method and load withstand test device for voltage-controlled power semiconductor devices | |
| Tominaga et al. | Body potential control via p-type contact resistance and its influence on switching characteristics of 4H-SiC MOSFETs | |
| Maxime et al. | Electrical performances and reliability of commercial SiC MOSFETs at high temperature and in SC conditions | |
| JP7013683B2 (en) | Method for selecting silicon carbide semiconductor devices | |
| JP2025117237A (en) | Test method for insulated gate SiC semiconductor device, insulated gate SiC semiconductor device | |
| Luo et al. | Study on characteristics and UIS of hexagonal planar SiC VDMOSFETs with varied JFET width | |
| Nagahisa et al. | Novel termination structure eliminating bipolar degradation of SBD-embedded SiC-MOSFET | |
| Basler et al. | IGBTs conducting diode-like surge currents | |
| Kowalsky et al. | Surge current behaviour of different IGBT designs | |
| Hosseinzadehlish et al. | Analysis of 1 st & 3 rd Quadrant Electrothermal Robustness of Symmetrical and Asymmetrical Double-Trench SiC Power MOSFETs Under UIS | |
| März et al. | Deadtime optimization eliminating snap-off of 3.3 kV SiC MOSFET bodydiodes | |
| Tiwari et al. | Characterization of body diodes in the-State-of-the-Art SiC FETs-are they good enough as freewheeling diodes? |