功率器件HTRB可靠性仿真

高温反偏测试（HTRB，High Temperature Reverse Bias）是一种用于验证半导体器件（如IGBT）在高温和反向偏置条件下的长期稳定性的测试方法，该测试主要用于评估芯片在极端工作条件下的可靠性，特别是对漏电流的监测，以发现边缘结构和钝化层的潜在弱点或退化效应。HTRB测试的主要目的是检测IGBT器件在长期反偏电压和高温环境下的漏电流变化情况，IGBT的边缘结构和钝化层是其可靠性的重要组成部分，长期暴露在高温和高电压下可能导致这些区域的退化，从而引发漏电流增加，这种漏电流的增加可能会导致器件的失效，因此HTRB测试对IGBT的可靠性评估至关重要。

HTRB测试通常遵循国际标准IEC 60747-9，该标准规定了IGBT器件在不同测试条件下的性能要求和测试方法，通过遵循这一标准，可以确保测试结果的可靠性和可比性。测试时间1000小时，这个时间长度足够长，可以模拟器件在实际使用中的长期工作状态，电压条件为95% VCE(max)，在HTRB测试中，施加的电压接近器件的最大额定电压，以确保测试的严苛性。温度条件为125℃ < Tc < 145℃，Tc是指器件壳体的温度，高温环境下的测试可以加速器件的老化过程，从而在较短的时间内暴露出潜在的可靠性问题。

在HTRB测试中，IGBT器件的集电极与发射极之间施加一个接近最大额定电压的反向偏置电压，同时将器件置于高温环境中，测试期间，持续监测集电极-发射极间的漏电流（ICE），果漏电流超出指定的规格范围，则说明器件可能存在缺陷或已发生退化，无法通过此项测试。在整个HTRB测试过程中，需持续监测IGBT的漏电流参数，漏电流是评估器件健康状态的重要指标之一，如果在测试过程中，漏电流逐渐增加并超过了预定的规格限制，则表明器件可能存在边缘结构或钝化层的劣化问题，可能导致器件在实际应用中提前失效，这种情况下，测试模块将被判定为不合格，不能通过HTRB测试。

通过HTRB测试的IGBT器件表明其在高温和高电压条件下具有良好的长期稳定性，边缘结构和钝化层的设计和制造工艺是可靠的。相反，如果器件无法通过HTRB测试，则可能需要对其设计或工艺进行改进，以提高其在极端条件下的可靠性。

在HTRB测试中，由于高温和高电场的作用，可能会引入缺陷，导致阈值电压（Vt）发生漂移，通常，这些缺陷会在栅氧化层或界面处留下正电荷，导致Vt向负方向漂移（即阈值电压降低）。高温和高电场可能导致氧化层中的缺陷增加，如氧空位或界面态，这些缺陷可能捕获电荷，影响器件的电气性能。在高温条件下，材料中的原子或分子运动加剧，可能导致晶格中的原子位置发生变化，形成空位、间隙原子或其他缺陷，高电场可能导致电子或空穴在材料中加速运动，撞击晶格原子，导致晶格损伤或缺陷形成。这些缺陷可能是氧空位、界面态或其他类型的晶格缺陷。形成的缺陷可能会捕获电子或空穴，成为带电的缺陷中心。

这些带电缺陷会影响器件的电气性能，如阈值电压、漏电流等，通过施加不同的电压偏置，可以观察缺陷对电荷的捕获行为，如果缺陷倾向于捕获电子，则它是正电荷中心；如果倾向于捕获空穴，则它是负电荷中心。通过观察阈值电压的漂移方向，可以推断缺陷的电荷性质，如果Vt向负方向漂移，通常意味着正电荷中心的增加；如果Vt向正方向漂移，通常意味着负电荷中心的增加。在高温反向偏置（HTRB）测试后，功率MOSFET阈值电压降低是一个常见的现象，高温和电场可能导致栅氧化层与半导体界面处的缺陷态增加，高温下氧化层中的电荷可能发生漂移，导致阈值电压的变化。漏电流增加也是在高温和电压应力下可能发生的现象，高温和偏置电压可能导致器件内部的晶体缺陷增加，进而增加漏电流，这些缺陷可能在高温下捕获并释放载流子，导致漏电流增加。

图1 HTRB前后转移特性曲线和漏电流对比

图2 HTRB前后转移特性曲线和漏电流对比

HTRB高温反偏测试是IGBT等功率半导体器件可靠性测试的重要组成部分，通过在高温和高电压条件下长时间测试漏电流的变化，可以有效评估器件的长期稳定性和可靠性，发现潜在的设计或工艺问题，从而确保器件在实际应用中的安全性和稳定性。