T/CASAS 021-2024 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFETs)阈值电压测试方法

　　团体标准

　　T/CASAS 021—2024碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFETs)阈值电压测试方法

　　2024‑11‑19 发布2024‑11‑19 实施

　　第三代半导体产业技术创新战略联盟

　　目次

　　前言……………………………………………………………………………………………………………Ⅲ

　　引言……………………………………………………………………………………………………………Ⅳ

　　1 范围…………………………………………………………………………………………………………1

　　2 规范性引用文件……………………………………………………………………………………………1

　　3 术语和定义…………………………………………………………………………………………………1

　　4 测试方法……………………………………………………………………………………………………2

　　4. 1 概述……………………………………………………………………………………………………2

　　4. 2 双电压源扫描法………………………………………………………………………………………2

　　4. 3 单电压源扫描法………………………………………………………………………………………4

　　4. 4 电流源法………………………………………………………………………………………………5

　　附录A(规范性) 常用导通电阻RDS ( on ) 与阈值电流Ith 推荐表………………………………………………8

　　附录B(资料性) 阈值电压测试记录表示例…………………………………………………………………9

　　参考文献………………………………………………………………………………………………………10

　　前言

　　本文件按照GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则第1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定

　　起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由第三代半导体产业技术创新战略联盟提出并归口。

　　本文件起草单位：中国电子科技集团第五十五研究所、南京第三代半导体技术创新中心有限公司、扬

　　州国扬电子有限公司、中国电子科技集团第十三研究所、工业和信息化部电子第五研究所、东南大学、杭

　　州芯迈半导体技术有限公司、广电计量检测集团股份有限公司、浙江大学、浙江大学绍兴研究院、湖北九

　　峰山实验室、是德科技(中国)有限公司、博测锐创半导体科技(苏州)有限公司、北京励芯泰思特测试技术

　　有限公司、山东大学、泰科天润半导体科技(北京)有限公司、西安交通大学、朝阳微电子科技股份有限公

　　司、山东阅芯电子科技有限公司、江苏第三代半导体研究院有限公司、厦门华联半导体科技有限公司、芯

　　合半导体(合肥)有限公司、广东能芯半导体科技有限公司、北京第三代半导体产业技术创新战略联盟。

　　本文件主要起草人：刘奥、张国斌、柏松、黄润华、杨勇、桂明洋、迟雷、陈媛、徐申、孙钦华、李汝冠、

　　郭清、林氦、王丹丹、孙承志、陈彦锐、何黎、崔潆心、胡惠娜、王来利、裴云庆、韩冰冰、佘超群、刘宗亮、

　　赵高锋、段果、赵海明、姜南、高伟。

　　引言

　　碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)具有阻断电压高、工作频率高、耐高温能力

　　强、通态电阻低和开关损耗小等特点，广泛用于高频、高压功率系统中。随着电力电子技术的不断发展，

　　越来越多的领域如电动汽车、光伏、储能、充电桩、航空航天迫切需要能够在高压、小散热体积、低损耗要

　　求下工作的电子器件。SiC MOSFET 阈值电压的准确测试，对于指导用户应用、评价SiC MOSFET 技

　　术状态具有重要意义。

　　由于SiC MOSFET 的阈值电压具有不稳定性，本文件给出了适用于SiC MOSFET 阈值电压的测试

　　方法，用于用户入检、生产厂家标定以及第三方检测。

　　Ⅳ

　　T/CASAS 021—2024

　　1

　　T/CASAS 021—2024

　　碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管

　　(SiC MOSFET)阈值电压测试方法

　　1 范围

　　本文件描述了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)阈值电压测试方法。

　　本文件适用于N 沟道SiC MOSFET 晶圆、芯片及封装产品的测试。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文

　　件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本

　　文件。

　　T/CASAS 002—2021 宽禁带半导体术语

　　T/CASAS 006—2020 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管通用技术规范

　　3 术语和定义

　　T/CASAS 002—2021、T/CASAS 006—2020 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3. 1

　　漏源电压drain-source voltage

　　VDS

　　MOSFET 漏-源两端的电压值。

　　3. 2

　　栅源电压gate-source voltage

　　VGS

　　MOSFET 栅-源两端的电压值。

　　3. 3

　　阈值电压threshold voltage

　　VT;VGS(th)

　　漏极电流达到规定低值时的栅源电压。

　　3. 4

　　漏极电流drain-source current

　　IDS

　　在规定的栅-漏条件下，漏极流向源极的电流。

　　3. 5

　　阈值电流threshold current

　　Ith

　　栅-源电压为阈值电压时，在漏-源流过的电流。

　　2

　　T/CASAS 021—2024

　　3. 6

　　栅极预偏置电压gate pre-condition voltage

　　Vcon

　　阈值电压测试前，对栅极进行预偏置的电压，正偏置或负偏置。

　　3. 7

　　栅极预偏置时间gate pre-condition time

　　tcon

　　阈值电压测试前，对栅极施加预偏置电压的时间。

　　3. 8

　　间隔时间float time

　　tfloat

　　进行栅极预偏置后与开始阈值电压测试前之间的时间间隔。

　　3. 9

　　阈值电压测试时间threshold voltage measuring time

　　tVT

　　在栅极预偏置和间隔时间结束后，调整栅-源电压，测试阈值电压需要的时间。

　　3. 10

　　阈值电压扫描方向threshold voltage sweep direction

　　使用电压源步进扫描法测试阈值电压时栅-源电压的扫描方向，由低向高或由高向低。

　　3. 11

　　阈值电压扫描范围threshold voltage sweep range

　　VTH. range

　　使用电压源步进扫描法测试阈值电压时由栅-源电压的扫描起始值和终止值之间的电压范围。

　　3. 12

　　扫描步长sweep step

　　VTH. step

　　阈值电压扫描范围与扫描点数的比值。

　　3. 13

　　电源-测量单元source measurement unit;SMU

　　使用电压源/电流源提供精确的电压/电流，并可同步测量电流/电压的设备。

　　4 测试方法

　　4. 1 概述

　　测试方法分为双电压扫描法、单电压扫描法、电流源法。

　　常用导通电阻RDS(on)与阈值电流Ith按照附录A。阈值电压测试记录表示例见附录B。

　　4. 2 双电压源扫描法

　　4. 2. 1 电路图

　　栅极预偏置电路见图1，测试电路见图2。

　　3

　　T/CASAS 021—2024

　　图1 栅极预偏置电路

　　A

　　SMU1

　　$

　　# A A

　　SMU1 SMU2

　　$

　　#

　　图2 双电压源扫描法测试电路

　　4. 2. 2 电路说明和要求

　　在如图1 所示为栅极预偏置电路，SMU1 为带有电流表的直流电压源，在栅极预偏置电路中器件漏

　　极与源极短接。

　　在如图2 所示为双电压源扫描法测试电路中，SMU1 为带有电流表的直流电压源，SMU2 为带有电

　　流表的可变直流电压源，SMU1 与SMU2 应保持时序同步。

　　两个电路间能进行电气切换，并能按照如图3 所示的时序向被测器件的栅极和漏极施加预偏置电压

　　和测试电压。

　　aU M 4 bU B M 4

　　VGS VGS

　　VDS VDS

　　tcon

　　tcon

　　tfloat tfloat

　　tVT

　　t

　　t

　　t

　　t

　　tVT

　　图3 双电压源扫描法测试时序

　　4. 2. 3 测试步骤

　　测试步骤如下：

　　a) 采用如图1 所示的栅极预偏置电路对被测件进行预偏置，由SMU1 施加规定的栅极预偏置电压

　　Vcon、栅极预偏置时间tcon;

　　b) 预偏置完成后切断栅极预偏置电压，经过规定的间隔时间tfloat;

　　c) 间隔时间结束后，将电路切换到如图2 所示的双电压源扫描法测试电路，由SMU2 按照规定的

　　阈值电压扫描方向、扫描范围、测试时间施加栅极扫描电压，如图3 所示，同时由SMU1 施加规

　　4

　　T/CASAS 021—2024

　　定的漏源电压，同步监测漏极电流;

　　d) 当SMU1 监测的漏极电流达到规定值时，由SMU2 读出相应的栅源电压VGS，即为阈值电

　　压VT。

　　注1：在负偏置栅极应力试验过程中使用负的预偏置电压，但除此之外使用正的预偏置电压。

　　注2：当使用正的预偏置电压时，阈值电压扫描方向为由高到低，否则为由低到高。

　　4. 2. 4 规定条件

　　规定条件如下：

　　——环境或参考点温度;

　　——栅极预偏置电压Vcon、栅极预偏置时间tcon;

　　——间隔时间tfloat;

　　——阈值电压扫描方向、阈值电压扫描范围、阈值电压测试时间tVT;

　　——漏源电压、漏极电流。

　　注1：栅极预偏置时间tcon 取1 ms~100 ms 之间;间隔时间取tfloat<10 ms;阈值电压测试时间在扫描步长满足精度需

　　求的前提下尽量短，越高的精度要求需要越短的单步扫描时间，而不能使阈值电压测试时间无限制延长，如扫

　　描步长取0. 1 V，宜使tVT<(10 ms× 扫描点数)，如扫描步长取0. 01 V，宜使tVT<(1 ms× 扫描点数)，以此

　　类推。

　　注2：栅极预偏置电压选择栅源电压的最大(或负值的最小)额定值，或选择一个略高于预期的阈值电压的值(如高出

　　0. 5 V)，当采用后者时，栅极预偏置时间tcon、间隔时间tfloat、阈值电压测试时间tVT 适当延长。

　　4. 3 单电压源扫描法

　　4. 3. 1 电路图

　　栅极预偏置电路见图1，测试电路见图4。

　　A

　　SMU2

　　$

　　#

　　图4 单电压源扫描法测试电路

　　4. 3. 2 电路说明和要求

　　栅极预偏置电路说明见4. 2. 2。

　　在如图4 所示的单电压源扫描法测试电路中，SMU2 为带有电流表的可变直流电压源。

　　两个电路间能进行电气切换，并能按照如图5 所示的时序向被测器件的栅极和漏极施加预偏置电压

　　和测试电压。

　　5

　　T/CASAS 021—2024

　　VGS VGS

　　VDS VDS

　　tcon

　　tcon

　　tfloat tfloat

　　tVT

　　t

　　t

　　t t

　　tVT

　　aU M 4 bU B M 4

　　图5 单电压源扫描法测试时序

　　4. 3. 3 测试步骤

　　测试步骤如下：

　　a) 采用如图1 所示的栅极预偏置电路对被测件进行预偏置，由SMU1 施加规定的栅极预偏置电压

　　Vcon、栅极预偏置时间tcon;

　　b) 预偏置完成后切断栅极预偏置电压，经过规定的间隔时间tfloat;

　　c) 间隔时间结束后，将电路切换到如图4 所示的单电压源扫描法测试电路，由SMU2 按照规定的

　　阈值电压扫描方向、扫描范围、测试时间施加栅极扫描电压，如图5 所示，同时同步监测漏极

　　电流;

　　d) 当SMU2 监测的漏极电流达到规定值时，读出相应的栅源电压VGS，即为阈值电压VT。

　　注1：在负偏置栅极应力试验过程中使用负的预偏置电压，但除此之外使用正的预偏置电压。

　　注2：当使用正的预偏置电压时，阈值电压扫描方向为由高到低，否则为由低到高。

　　4. 3. 4 规定条件

　　规定条件如下：

　　——环境或参考点温度;

　　——栅极预偏置电压Vcon、栅极预偏置时间tcon;

　　——间隔时间tfloat;

　　——阈值电压扫描方向、阈值电压扫描范围、阈值电压测试时间tVT;

　　——漏极电流。

　　注1：栅极预偏置时间tcon 取1 ms~100 ms 之间;间隔时间取tfloat<10 ms;阈值电压测试时间在扫描步长满足精度需

　　求的前提下尽量短，越高的精度要求需要越短的单步扫描时间，而不能使阈值电压测试时间无限制延长，如扫

　　描步长取0. 1 V，宜使tVT<(10 ms× 扫描点数)，如扫描步长取0. 01 V，宜使tVT<(1 ms× 扫描点数)，以此

　　类推。

　　注2：栅极预偏置电压选择栅源电压的最大(或负值的最小)额定值，或选择一个略高于预期的阈值电压的值(如高出

　　0. 5 V)，当采用后者时，栅极预偏置时间tcon、间隔时间tfloat、阈值电压测试时间tVT 适当延长。

　　4. 4 电流源法

　　4. 4. 1 电路图

　　栅极预偏置电路见图1，测试电路见图6。

　　6

　　T/CASAS 021—2024

　　SMU3

　　$

　　#

　　Vth IDS V

　　图6 电流源法测试电路

　　4. 4. 2 电路说明和要求

　　栅极预偏置电路说明见4. 2. 2。

　　在如图6 所示的电流源法测试电路中，SMU3 为带有电压表的直流电流源。

　　两个电路间能进行电气切换，并能按照如图7 所示的时序向被测器件的栅极和漏极施加预偏置电压

　　和测试电流。

　　注：预偏置电路和电流源法测试电路使用同一台电源-测量单元(SMU1)，如果单台电源-测量单元不具备所需的功

　　能，使用两台不同的电源-测量单元，并通过电气开关进行切换。

　　VGS VGS

　　VDS VDS

　　tcon

　　tcon

　　tfloat tfloat

　　tVT

　　tVT

　　t

　　t

　　t

　　t

　　aU M 4 bU B M 4

　　图7 电流源法测试时序

　　4. 4. 3 测试步骤

　　测试步骤如下：

　　a) 采用如图1 所示的栅极预偏置电路对被测件进行预偏置，由SMU1 施加规定的栅极预偏置电压

　　Vcon、栅极预偏置时间tcon;

　　b) 预偏置完成后切断栅极预偏置电压，经过规定的间隔时间tfloat;

　　c) 间隔时间结束后，将电路切换到如图6 所示的电流源法测试电路，由SMU3 按照规定的阈值电

　　压测试时间施加规定的漏极电流(栅极漏电流可忽略);

　　d) 当栅源电压稳定后，由SMU3 读出该栅源电压VGS，即为阈值电压VT。

　　注：在负偏置栅极应力试验过程中使用负的预偏置电压，但除此之外使用正的预偏置电压。

　　7

　　T/CASAS 021—2024

　　4. 4. 4 规定条件

　　规定条件如下：

　　——环境或参考点温度;

　　——栅极预偏置电压Vcon、栅极预偏置时间tcon;

　　——间隔时间tfloat;

　　——阈值电压测试时间tVT;

　　——漏极电流。

　　注1：栅极预偏置时间tcon 取1 ms~100 ms 之间;间隔时间取tfloat<50 ms;阈值电压测试时间足够使栅极电压达到稳

　　定值并尽量短，取tVT<100 ms。

　　注2：栅极预偏置电压选择栅源电压的最大(或负值的最小)额定值，或选择一个略高于预期的阈值电压的值(如高出

　　0. 5 V)，当采用后者时，栅极预偏置时间tcon、间隔时间tfloat、阈值电压测试时间tVT 适当延长。

　　8

　　T/CASAS 021—2024

　　附录A

　　(规范性)

　　常用导通电阻RDS ( on ) 与阈值电流Ith 推荐表

　　常用导通电阻RDS( on ) 与阈值电流Ith 推荐表见表A. 1。

　　表A. 1 常用导通电阻RDS ( on ) 与阈值电流Ith 推荐表

　　器件规格

　　650 V 器件

　　750 V 器件

　　900 V 器件

　　1 200 V 器件

　　1 700 V 器件

　　导通电阻RDS(on)

　　15 mΩ

　　25 mΩ

　　60 mΩ

　　120 mΩ

　　11 mΩ

　　15 mΩ

　　25 mΩ

　　45 mΩ

　　60 mΩ

　　30 mΩ

　　65 mΩ

　　120 mΩ

　　25 mΩ

　　40 mΩ

　　80 mΩ

　　160 mΩ

　　45 mΩ

　　1 Ω

　　阈值电流Ith

　　15.5 mA

　　9.2 mA

　　5 mA

　　1.8 mA

　　35 mA

　　15.4 mA

　　9.2 mA

　　4.8 mA

　　4 mA

　　11 mA

　　5 mA

　　3 mA

　　15 mA

　　10 mA

　　5 mA

　　2.5 mA

　　18 mA

　　0.5 mA

　　9

　　T/CASAS 021—2024

　　附录B

　　(资料性)

　　阈值电压测试记录表示例

　　阈值电压测试记录表示例见表B. 1。

　　表B. 1 阈值电压测试记录表示例

　　产品名称

　　型号规格

　　检验项目

　　测试仪器仪表

　　测试条件及技术要求

　　样品编号

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　…

　　型号：

　　编号：

　　测试方法(可选)

　　栅极预偏置电压

　　栅极预偏置时间

　　间隔时间

　　阈值电压扫描方向(适用时)

　　阈值电压扫描范围(适用时)

　　阈值电压测试时间

　　漏源电压(适用时)

　　漏极电流

　　测试结果

　　组别

　　环境条件

　　计量有效期

　　□双电压源扫描法

　　□单电压源扫描法

　　□电流源法

　　10

　　T/CASAS 021—2024

　　参考文献

　　[1] IEC 60747-1：1983 Semiconductor devices-Discrete devices-Part 1：General

　　[2] IEC 60747-8：2010 Semiconductor devices-Discrete devices-Part 8：Field-effect transistors