SiC 和 GaN 器件的工作應(yīng)力水平比硅器件更高。半導體和汽車行業(yè)對此有嚴格的資質(zhì)測試。
碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 寬帶隙 (WBG) 技術(shù)因其在許多高功率領(lǐng)域優(yōu)于硅 (Si) 的性能而聞名，包括其高效率和高開關(guān)頻率。然而，與單晶硅不同，SiC 和 GaN 具有獨特的設(shè)計和應(yīng)用問題，工程師在將這些技術(shù)用于設(shè)計時需要解決這些問題。
SiC 和 GaN 與 Si 相比的獨特之處
SiC 和 GaN WBG 功率器件用于電源轉(zhuǎn)換、開關(guān)和控制應(yīng)用，因此潛在老化是關(guān)鍵設(shè)計決策的一部分。這在要求更高的汽車和工業(yè)應(yīng)用中尤其重要，但數(shù)據(jù)中心、消費、商業(yè)和其他產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計人員也應(yīng)該同樣了解這些問題。圖 1顯示了 SiC MOSFET 和 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 技術(shù)的擴展工作范圍。
圖 1. Si、GaN 和 SiC 功率器件覆蓋整個功率范圍。
SiC MOSFET 的電壓和開關(guān)頻率超出了 Si 器件。盡管電壓沒有 Si 高，但 GaN 可將頻率擴展到相當高的范圍。為了解決圖 1 中的擴展工作范圍，圖 2將 SiC 和 GaN 技術(shù)與 Si 的關(guān)鍵參數(shù)進行了比較。
圖 2. Si、SiC 和 GaN 材料特性如何影響設(shè)計考慮。
與 Si 不同，SiC 具有更高的熱導率和擊穿電場強度(與更寬的帶隙相關(guān))。這些因素使其成為高頻和高功率應(yīng)用的極佳材料。所有這些高應(yīng)力情況都需要進行鑒定測試，以提供適當?shù)拈L期功能和可接受的使用壽命。SiC 和 Si 基 MOSFET 之間的一個關(guān)鍵區(qū)別是由于外部缺陷——柵極氧化物中的微小扭曲，其行為類似于局部氧化物變薄。雖然更厚的柵極氧化物工藝和相關(guān)的篩選程序可以最大限度地減少這個問題，但也必須解決設(shè)計和應(yīng)用方面的其他因素和差異。
同樣，GaN 也有一些與 Si 器件不同的行為。一個例子是動態(tài)R DS(ON)，這是一種隨時間推移而增加的電阻。在制定 GaN HEMT 的認證計劃時，還必須考慮 Si 和 GaN 器件結(jié)構(gòu)和材料系統(tǒng)之間的差異。
行業(yè)測試標準和可靠性
聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(JEDEC) 和汽車電子委員會(AEC) 是兩個行業(yè)組織，它們?yōu)闇y試和鑒定半導體設(shè)備提供了具體而詳細的規(guī)范。這兩個組織都專注于功率半導體的可靠性問題和預(yù)期壽命。
為了滿足汽車應(yīng)用中的老化和可靠性要求，汽車電子委員會制定了適用于 Si 的 AEC-Q101(汽車級分立半導體應(yīng)力測試資格)。它將適用于 SiC 和 GaN 功率器件。隨著電動汽車電壓的提高和預(yù)期壽命的增加，人們正在提議對這些 WBG 器件進行修改。
JEDEC 針對各種組件制定了JESD47(集成電路應(yīng)力測試驅(qū)動認證)，為不太極端的應(yīng)用提供了基準認證方法。JEDEC 小組委員會JC-70.1提供針對 GaN 的測試、數(shù)據(jù)表和認證標準，小組委員會JC-70.2提供針對 SiC 技術(shù)的標準。JEDEC 在本課程中為 GaN 和 SiC 設(shè)備制定了多種指南和測試方法。其中包括JEP173基于 GaN HEMT 的功率轉(zhuǎn)換器件的動態(tài)導通電阻測試方法指南。為了確保行業(yè)努力充分解決 SiC 和 GaN 功率器件的壽命和老化特性，英飛凌發(fā)起并推動建立了 JEDEC 小組委員會 JC-70.1 和 JCX-70.2。
測試和標準
SiC 功率器件的兩個重要可靠性問題是柵極氧化物和閾值電壓穩(wěn)定性。由于 SiC 功率 MOSFET 包含柵極氧化物層，因此會隨著時間的推移發(fā)生一種稱為時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿 (TDDB) 的過程。柵極氧化物在超過其固有壽命后會擊穿、劣化并失效。
SiC 功率器件和 Si 技術(shù)的另一個影響是偏置溫度不穩(wěn)定性 (BTI)。在高溫下對 SiC(或 Si)MOSFET 的柵極施加恒定的直流偏置時，閾值電壓和潛在導通電阻可能會發(fā)生變化。偏移的幅度和極性取決于應(yīng)力條件(偏置、時間和溫度)。
Si 技術(shù)鑒定采用測量-應(yīng)力-測量 (MSM) 序列，包括重復施加柵極偏壓和溫度應(yīng)力，然后讀出，以鑒定設(shè)計。然而，讀出時間會顯著影響閾值電壓漂移測量。
英飛凌提出了一種正 BTI (PBTI) 測試序列，以實現(xiàn)更出色的可重復性，如圖 3所示。預(yù)處理脈沖更接近地代表了應(yīng)用中的柵極開關(guān)，并減少了讀出延遲和器件歷史的影響。由于 SiC 中的 DC BTI 會引起可靠性問題，因此需要通過優(yōu)化器件處理并使用適當?shù)臏y量方法仔細評估來將其最小化。該測試促進了這一過程。
圖 3. 預(yù)處理 PBTI 的測量序列包括累積(應(yīng)力)脈沖、第一次讀數(shù)、第二次累積脈沖和第二次讀數(shù)。第二次讀數(shù)隨時間推移產(chǎn)生最穩(wěn)定且可重復的結(jié)果。
為了提高發(fā)現(xiàn) SiC 外部故障的概率，英飛凌開發(fā)了馬拉松應(yīng)力測試作為有效篩選程序的基準。馬拉松測試的柵極偏壓比 TDDB 測試低得多，其目標是檢測由關(guān)鍵外部柵極氧化物畸變引起的早期器件故障，并提取重要的模型參數(shù)來設(shè)計出廠產(chǎn)品測試的測試模式。測試使用 100 天的應(yīng)力期。數(shù)千個器件在接近工作條件的參數(shù)范圍內(nèi)并行拉伸。
任何技術(shù)發(fā)布時都必須進行的其他強制性認證測試包括高溫反向偏置 (HTRB)、高濕度、高溫高壓反向偏置測試 (H3TRB) 以及高溫柵極應(yīng)力 (HTGS) 測試。對于標準 H3TRB 認證，T = 85°C，相對濕度 (rH) = 85% 且V DS = 80V。但是，在更高的電壓下工作時，V DS = 80% V DSS的 HV-H3TRB是測試 SiC 器件在潮濕環(huán)境下的可靠性的更合適的方法。表 1列出了英飛凌汽車認證的此測試條件和其他修改后的測試條件。
表 1. 汽車認證選定的測試條件。
GaN 測試
硅和 GaN HEMT 器件之間的區(qū)別在于，在加速漏極-源極電壓和溫度條件下測試時，GaN HEMT 的故障率在很大程度上取決于電壓。量化和模擬 GaN HEMT 反向偏置壽命非常重要，以確保在設(shè)計極限內(nèi)運行。GaN 器件不會發(fā)生雪崩，并且可以承受比硅器件高得多的電壓應(yīng)力而不會發(fā)生故障。然而，它們在如此高的電壓下的壽命是有限的。
GaN 器件的第二個關(guān)鍵新退化機制是安全工作區(qū) (SOA) 切換或動態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL)。為了解決這一機制，英飛凌和其他半導體制造商發(fā)布了長期應(yīng)用切換數(shù)據(jù)，顯示器件在硬切換應(yīng)用中穩(wěn)定運行 1,000 小時至 3,000 小時。
在 GaN 器件中，動態(tài)R DS(ON)的影響是由加工過程中捕獲的電荷或由于動態(tài)影響引起的，這些影響可以與通道中的二維電子氣 (2DEG) 密度相互作用并改變其密度，從而增加R DS(ON)。在開發(fā)過程中，重要的是確保在典型應(yīng)用中相關(guān)的傳導損耗增加較低，并且動態(tài)R DS(ON)不會失效。圖 4顯示了針對老化等的 GaN 專用測試摘要。通過這些測試意味著 GaN 器件合格，并且老化效應(yīng)最小化。
圖 4. 針對 p-GaN 門控 HEMT 的新型可靠性測試與標準 JEDEC 測試相結(jié)合。
從半導體技術(shù)角度看老化
注重細節(jié)可以讓優(yōu)質(zhì)葡萄酒和功率半導體經(jīng)久耐用，并實現(xiàn)其目標。由于 SiC 和 GaN WBG 器件的工作壓力水平更高，工作頻率和/或工作電壓也高于 Si，并且設(shè)計中的材料也有很大不同，因此它們需要通過更嚴格的測試進行評估和鑒定。正在進行的研發(fā)正在提高最新 SiC 和 GaN WBG 功率晶體管的可靠性。隨著每一代器件的進步，老化問題也會得到改善。
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