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氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率器件的供应商正在推出新规格产品。但在使用这些器件前，必须证明是可靠。与以前的产品一样，供应商很快会说新器件是可靠的，尽管有时会出现GaN和SiC带来的问题。此外，这些器件的可靠性要求对汽车等最新关键应用也变得越来越具有挑战性。为了应对挑战，这些器件可能需要更多甚至新的可靠性测试方法。 重视GaN和SiC的可靠性 在半导体行业中，重视可靠性并不是新事物，而且随着汽车等领域先进半导体器件用量的持续增长，以及被用于数据中心等关键任务应用，关注度还在持续增长。与此同时，由于多种因素，所有电路都会随着时间的流逝而老化。关键是能够预测和预防失效，并确定特定器件的可接受工作条件范围。Cree/Wolfspeed的CTO John Palmour说：“关键是可靠性平均失效时间。我们通过大量加速寿命测试来表征可靠性，弄清楚加速因素，以便可以恢复到正常状态并预测使用寿命。” 所有类型器件都经过可靠性测试，包括功率半导体。功率半导体分为两个阵营：硅和宽禁带。硅器件已经成熟，并充分掌握可靠性问题。GaN和SiC功率半导体基于宽禁带技术，比硅器件效率更高，击穿电场强度也更高。但二者是具有各种特性的较新技术，需要对这些技术的可靠性问题有更深入的了解。 功率半导体市场现状 功率半导体市场被硅基器件占据，包括功率MOSFET，超结功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT），但GaN和SiC正在取得重大进展。 功率MOSFET用于10至500伏低电压应用，如适配器和电源。超结功率MOSFET用于500至900伏应用。IGBT用于1200V至6.6KV应用。IGBT和MOSFET既成熟又便宜，但也达到了极限。 GaN和SiC两种宽禁带技术可使设备具有更高效率和更小尺寸。如SiC的击穿场强是硅的10倍，带隙是硅的3倍，GaN器件的能力则更高一层。 SiC正在向汽车等多个市场进军。Lam Research战略市场总经理David Haynes表示：“SiC器件具有更小尺寸和更多性能，对电动汽车和混合动力电动汽车的动力总成应用具有吸引力。”GaN在汽车、数据中心和其他市场中也越来越受欢迎。Haynes说：“由于GaN在高频下的卓越性能，非常适合于快速充电解决方案中的大批量应用。” 可靠性测试 可靠性在所有市场中都很重要，其中一些领域规范更为严格。如汽车可接受的故障率在十亿分之一（ppb）内，对安全考虑的门槛更高。可靠性要求对于所有功率半导体都很重要。为了确保产品的可靠性，供应商多年来一直遵循相同的步骤： ·对器件进行各种加速测试，发现测试器件未能达到规格表（specsheet）的失效情况。 ·搜索故障机制并解决任何潜在问题。 ·以此为起点研发模型。 功率半导体供应商Alpha and OmegaSemiconductor表示。“一旦获得了加速应力下的寿命，再用已知加速模型就可以预测正常应用应力下的产品寿命。”但这并不是那么简单。器件需要经过一系列加速测试。如高温反向偏压（HTRB）是一种常见的测试，检查器件在温度变化下的结退化。为此，将设备放置在专门的HTRB老化测试系统中，然后对其施加高压和高温。这是众多测试之一。通常，这些测试满足各种可靠性标准（如AEC-Q101和其他标准）的要求。AEC-Q101定义了给定器件的最小压力测试。   SiC器件用于600伏至10千伏的应用中。电动汽车是SiC器件的最大市场，其次是电源和太阳能逆变器。SiC器件有两种类型，SiC MOSFET和二极管。这些器件目前采用6寸晶圆厂生产，8寸晶圆正在研发中。 时变电介质击穿（TDDB） 每个功率半导体类型不同。硅功率MOSFET是垂直结构，源极和栅极在设备的顶部，漏极在底部。当施加正栅极电压时，在源极和漏极之间形成沟道。在最新的器件中，Alpha和Omega Semiconductor表示，“栅极氧化层变得越来越薄，电场因此变得越来越高。”随着时间流逝，栅极氧化物可能会在MOSFET中退化。通常，此现象背后的失效机制称为时变电介质击穿（TDDB）。当经过一段时间损耗后栅极氧化物击穿，并发生TDDB。为了测试这种结构的可靠性，将该器件放置在专用的TDDB测试系统中并施加压力。在硅功率MOSFET中，TDDB和其他失效机制已经有了很充分的了解。 SiC衬底中的缺陷 SiC并非总是如此。在制造流程中，SiC衬底容易出现缺陷。Lam的Haynes说：“衬底成本、可用性和质量仍然是一个挑战。但晶圆的缺陷率和外延性正在改善。”SiC在晶圆厂制造、划片并封装是个困难的过程。Veeco产品营销总监Meng Lee说：“SiC是地球上第三硬化合物材料。由于SiC的高硬度和脆性，制造商面临着循环时间，成本和划片的挑战。” 已可提供可靠性SiC产品 尽管面临挑战，SiC供应商多年来一直在提供可靠性产品。Cree公司的Palmour说：“以前人们对碳化硅是否可从根本上实现可靠感到担忧。我们不久前通过了这个阶段。如果我们不能证明本质上可靠，就不会有任何汽车或工业客户。” SiC的两个可靠性问题 尽管如此，供应商仍密切关注可靠性问题。Palmour说：“由于几个因素，要实现碳化硅本质可靠性更加困难。硅的特性已进行了很好地表征，在设计、制造、质量测试过程中可以认为实现可靠。碳化硅则无法假设这一点，必须了解故障机制。”在设计阶段就开始实现足够可靠性。制造出器件后对其进行各种加速测试，包括湿度，电源循环，温度，电压等压力测试。SiC器件存在两个主要可靠性问题-栅极氧化物和阈值电压稳定性。 ①SiC栅极氧化物的可靠性 与功率MOSFET类似，SiC器件也是垂直器件，使用与MOSFET相同的栅极氧化物材料（二氧化硅），但SiC器件在更高的内部电场下工作。因此，栅极氧化物材料在实际工作中寿命可能会缩短。但SiC中的栅氧化问题已被理解，TDDB是失效机制。“当器件用于高压时，也存在寿命限制。在这种情况下，失效点通常是SiC在最高电场工作时的氧化物。这些机制中的哪一个决定寿命，取决于器件设计。尽管如此，栅极氧化物问题已得到很大解决。他说：“那是当时的根本恐惧之一。如果正确地进行设计，就可以解决该问题。” 重要的仍是要确保栅极氧化物的可靠性。为此，Cree使用高温栅极偏置（HTGB）和TDDB进行通态测试。HTGB是一种老化测试，用于对栅极氧化物施加应力。此外，Cree使用HTRB来确定阻断寿命。业界希望降低栅极氧化物的早期TDDB故障概率。英飞凌的工程师Thomas Aichinger说：“为使SiC MOSFET与其（硅）比对产品一样可靠，必须在制造过程中使栅极氧化物缺陷密度最小化，并采用巧妙的筛选技术来识别和消除潜在的性能薄弱器件。”英飞凌最近研发了一种称为“马拉松压力测试”的新测试，能够并行对3×1000 SiC MOSFET施加应力。器件封装后并安装在板上。压力测试在高温下的熔炉中进行。 英飞凌表示：“区分传统TDDB测试，传统HTGB测试和新马拉松测试非常重要。这三个都是针对栅极氧化物的压力测试，但针对不同失效机理。马拉松测试与TDDB测试非常相似；但有两个重要区别。首先，与TDDB测试相比，马拉松测试的栅极偏置要低，因为目标是仅检测由关键外部栅极氧化物畸变引起的早期器件故障。大多数器件在马拉松测试中不会失效。其次，在马拉松测试中，必须测试大量器件（通常>1000个）。这是因为具有外部栅极氧化畸变的器件通常很少见，测试大量器件会增加找到某些器件的几率，这些器件是验证某个外部GOX FiT速率所必需的。” ②SiC阈值电压稳定性的可靠性 除栅极氧化物外，SiC的另一个大问题是阈值电压不稳定。Cree的Palmour说：“MOSFET的阈值电压会随偏置而变化。这是一个众所周知的现象。”阈值电压不稳定是由称为偏置温度不稳定（BTI）的失效机制所引起。BTI是晶体管的退化现象。 HTGB是测试问题的一种方法，尽管仍在发展过程中。SiC产业正在JEDEC JC-70小组中讨论这些和其他问题。该小组的目标是设计一种标准的测试技术并统一该领域中的各种规格。这在特别要求器件零缺陷的汽车领域尤其重要。Palmour说：“SiC的本质可靠性已被证明且很好。现在这是关于如何防止早期失效以及类似的事情。我们现在进入汽车行业的挑战是满足用户对汽车器件的高质量期望，包括知道平均故障时间、ppm或ppb的失效率。”这进而需要一系列缺陷检查和筛选步骤。像可靠性测试一样，这也是一个具有挑战性的过程。 GaN用于制造LED、功率半导体和RF器件，应用于汽车、数据中心、军事航空和其他应用。GaN功率半导体的范围为15至900伏。GaN器件在6寸晶圆厂中制造。在EPC的GaN流程中，氮化铝（AlN）薄层沉积在衬底上，然后是GaN层，在该结构上形成源极，漏极和栅极，从而形成横向GaN器件。 GaN可靠性问题 GaN不如SiC成熟，仍存在一些问题。KLA高级副总裁Kevin Crofton表示：“MOCVD工艺及其后续步骤会产生颗粒，当前的检查工具并不总是能够发现这些颗粒。”EPC的Lidow说：“GaN非常可靠。我们在1230亿小时中只有3次失败，优于MOSFET大约两个数量级。但由于它相对较新，出现了很多问题。” 像所有功率半导体一样，GaN器件也要经受不少于九种可靠性应力测试。暂举一例，器件中的栅电极要经过应力测试，供应商使用HTGB测试，通常TDDB是此处的失效机制，更具体地说氮化硅层可能会失效，而不是GaN层会失效。这个问题众所周知。 动态导通电阻的可靠性问题 对GaN器件而言，动态导通电阻是最大的问题。Lidow说：“他们过去称其为‘电流崩溃’，因为设备的导通电阻会达到无穷大。一旦GaN器件商业化，导通电阻的变化幅度就大大减小了。”动态导通电阻有问题。如具有1兆欧规格的GaN器件在野外工作100小时后，可能变成10兆欧。 一段时间以来，行业理论认为动态导通电阻是由一种称为热载流子注入（HCI）的失效机制引起。Lidow说：“发生的事情是，如果通过高电场发送电子将获得很多能量，这就像被枪击中一样，它变成了一个非常高能的电子，有足够的能量穿透设备中的某些层并被困住。”。 测试此情况的传统方法是HTRB。但在许多方面，HTRB都达不到要求。为此，EPC开发了专有的显微镜技术，可提供当高能电子被捕获时发出光子的视图。使用该技术，EPC找到了解决HCI问题的方法。 其他问题 其他问题也可能浮出水面。如EPC最新GaN器件具有新的突破性的功率密度。Lidow说：“随着功率密度增加300倍，我们将发现新的失效机制。第一个问题将是导电层中的电迁移（EM）极限。我们的新设计受到EM的限制，因此我们将必须创新以摆脱这种物理机制。一种方法是将多个功率器件集成到同一芯片上。以此实际上减少通电和断电端的数量，这些受EM限制。” Lidow说：“第二个挑战是增加器件内部的内部电场。器件的尺寸与该峰值电场成反比。如果我们可以承受的峰值电场等于GaN的临界击穿电场，那么我们的器件可以缩小约100倍。问题是需要通过将峰值场保持在一定限度以下来消除动态导通电阻。我们需要弄清楚如何在不重新引入动态导通电阻的情况下增加峰值电场。该解决方案涉及改善材料质量，改善介电质量，改善器件设计，以及可能还有几件我们尚未发现的事情。” |
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