SiC 和 GaN 器件如何老化？

SiC 和 GaN 器件的工作應(yīng)力水平比硅器件更高。半導(dǎo)體和汽車行業(yè)對(duì)此有嚴(yán)格的資質(zhì)測(cè)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(dú)特的設(shè)計(jì)和應(yīng)用問(wèn)題，工程師在將這些技術(shù)用于設(shè)計(jì)時(shí)需要解決這些問(wèn)題。

SiC 和 GaN 與 Si 相比的獨(dú)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(jì)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(fèi)、商業(yè)和其他產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該同樣了解這些問(wèn)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(kuò)展工作范圍。

圖 1. Si、GaN 和 SiC 功率器件覆蓋整個(gè)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(méi)有 Si 高，但 GaN 可將頻率擴(kuò)展到相當(dāng)高的范圍。為了解決圖 1 中的擴(kuò)展工作范圍，圖 2將 SiC 和 GaN 技術(shù)與 Si 的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了比較。

圖 2. Si、SiC 和 GaN 材料特性如何影響設(shè)計(jì)考慮。

與 Si 不同，SiC 具有更高的熱導(dǎo)率和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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(jìn)行鑒定測(cè)試，以提供適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)期功能和可接受的使用壽命。SiC 和 Si 基 MOSFET 之間的一個(gè)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(gè)問(wèn)題，但也必須解決設(shè)計(jì)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(gè)例子是動(dòng)態(tài)R DS(ON)，這是一種隨時(shí)間推移而增加的電阻。在制定 GaN HEMT 的認(rèn)證計(jì)劃時(shí)，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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和可靠性

聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)(JEDEC) 和汽車電子委員會(huì)(AEC) 是兩個(gè)行業(yè)組織，它們?yōu)闇y(cè)試和鑒定半導(dǎo)體設(shè)備提供了具體而詳細(xì)的規(guī)范。這兩個(gè)組織都專注于功率半導(dǎo)體的可靠性問(wèn)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(huì)制定了適用于 Si 的 AEC-Q101(汽車級(jí)分立半導(dǎo)體應(yīng)力測(cè)試資格)。它將適用于 SiC 和 GaN 功率器件。隨著電動(dòng)汽車電壓的提高和預(yù)期壽命的增加，人們正在提議對(duì)這些 WBG 器件進(jìn)行修改。

JEDEC 針對(duì)各種組件制定了JESD47(集成電路應(yīng)力測(cè)試驅(qū)動(dòng)認(rèn)證)，為不太極端的應(yīng)用提供了基準(zhǔn)認(rèn)證方法。JEDEC 小組委員會(huì)JC-70.1提供針對(duì) GaN 的測(cè)試、數(shù)據(jù)表和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，小組委員會(huì)JC-70.2提供針對(duì) SiC 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。JEDEC 在本課程中為 GaN 和 SiC 設(shè)備制定了多種指南和測(cè)試方法。其中包括JEP173基于 GaN HEMT 的功率轉(zhuǎn)換器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)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(dòng)建立了 JEDEC 小組委員會(huì) JC-70.1 和 JCX-70.2。

測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)

SiC 功率器件的兩個(gè)重要可靠性問(wèn)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(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生一種稱為時(shí)間相關(guān)電介質(zhì)擊穿 (TDDB) 的過(guò)程。柵極氧化物在超過(guò)其固有壽命后會(huì)擊穿、劣化并失效。

SiC 功率器件和 Si 技術(shù)的另一個(gè)影響是偏置溫度不穩(wěn)定性 (BTI)。在高溫下對(duì) SiC(或 Si)MOSFET 的柵極施加恒定的直流偏置時(shí)，閾值電壓和潛在導(dǎo)通電阻可能會(huì)發(fā)生變化。偏移的幅度和極性取決于應(yīng)力條件(偏置、時(shí)間和溫度)。

Si 技術(shù)鑒定采用測(cè)量-應(yīng)力-測(cè)量 (MSM) 序列，包括重復(fù)施加?xùn)艠O偏壓和溫度應(yīng)力，然后讀出，以鑒定設(shè)計(jì)。然而，讀出時(shí)間會(huì)顯著影響閾值電壓漂移測(cè)量。

英飛凌提出了一種正 BTI (PBTI) 測(cè)試序列，以實(shí)現(xiàn)更出色的可重復(fù)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(huì)引起可靠性問(wèn)題，因此需要通過(guò)優(yōu)化器件處理并使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法仔細(xì)評(píng)估來(lái)將其最小化。該測(cè)試促進(jìn)了這一過(guò)程。

圖 3. 預(yù)處理 PBTI 的測(cè)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(shí)間推移產(chǎn)生最穩(wěn)定且可重復(fù)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(cè)試作為有效篩選程序的基準(zhǔn)。馬拉松測(cè)試的柵極偏壓比 TDDB 測(cè)試低得多，其目標(biāo)是檢測(cè)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(lái)設(shè)計(jì)出廠產(chǎn)品測(cè)試的測(cè)試模式。測(cè)試使用 100 天的應(yīng)力期。數(shù)千個(gè)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(shí)都必須進(jìn)行的其他強(qiáng)制性認(rèn)證測(cè)試包括高溫反向偏置 (HTRB)、高濕度、高溫高壓反向偏置測(cè)試 (H3TRB) 以及高溫柵極應(yīng)力 (HTGS) 測(cè)試。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) H3TRB 認(rèn)證，T = 85°C，相對(duì)濕度 (rH) = 85% 且V DS = 80V。但是，在更高的電壓下工作時(shí)，V DS = 80% V DSS的 HV-H3TRB是測(cè)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(rèn)證的此測(cè)試條件和其他修改后的測(cè)試條件。

表 1. 汽車認(rèn)證選定的測(cè)試條件。

GaN 測(cè)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(cè)試時(shí)，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(jì)極限內(nèi)運(yùn)行。GaN 器件不會(huì)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(huì)發(fā)生故障。然而，它們?cè)谌绱烁叩碾妷合碌膲勖怯邢薜摹?

GaN 器件的第二個(gè)關(guān)鍵新退化機(jī)制是安全工作區(qū) (SOA) 切換或動(dòng)態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL)。為了解決這一機(jī)制，英飛凌和其他半導(dǎo)體制造商發(fā)布了長(zhǎng)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(yùn)行 1,000 小時(shí)至 3,000 小時(shí)。

在 GaN 器件中，動(dòng)態(tài)R DS(ON)的影響是由加工過(guò)程中捕獲的電荷或由于動(dòng)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(guò)程中，重要的是確保在典型應(yīng)用中相關(guān)的傳導(dǎo)損耗增加較低，并且動(dòng)態(tài)R DS(ON)不會(huì)失效。圖 4顯示了針對(duì)老化等的 GaN 專用測(cè)試摘要。通過(guò)這些測(cè)試意味著 GaN 器件合格，并且老化效應(yīng)最小化。

圖 4. 針對(duì) p-GaN 門控 HEMT 的新型可靠性測(cè)試與標(biāo)準(zhǔn) JEDEC 測(cè)試相結(jié)合。

從半導(dǎo)體技術(shù)角度看老化

注重細(xì)節(jié)可以讓優(yōu)質(zhì)葡萄酒和功率半導(dǎo)體經(jīng)久耐用，并實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。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(jì)中的材料也有很大不同，因此它們需要通過(guò)更嚴(yán)格的測(cè)試進(jìn)行評(píng)估和鑒定。正在進(jìn)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(jìn)步，老化問(wèn)題也會(huì)得到改善。