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氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）功率器件的供應(yīng)商正在推出新規(guī)格產(chǎn)品,。但在使用這些器件前，必須證明是可靠,。與以前的產(chǎn)品一樣,，供應(yīng)商很快會說新器件是可靠的,，盡管有時會出現(xiàn)GaN和SiC帶來的問題。此外,，這些器件的可靠性要求對汽車等最新關(guān)鍵應(yīng)用也變得越來越具有挑戰(zhàn)性,。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，這些器件可能需要更多甚至新的可靠性測試方法,。 重視GaN和SiC的可靠性 在半導(dǎo)體行業(yè)中,，重視可靠性并不是新事物，而且隨著汽車等領(lǐng)域先進半導(dǎo)體器件用量的持續(xù)增長,，以及被用于數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用,，關(guān)注度還在持續(xù)增長。與此同時,，由于多種因素,，所有電路都會隨著時間的流逝而老化。關(guān)鍵是能夠預(yù)測和預(yù)防失效,，并確定特定器件的可接受工作條件范圍,。Cree/Wolfspeed的CTO John Palmour說：“關(guān)鍵是可靠性平均失效時間。我們通過大量加速壽命測試來表征可靠性,，弄清楚加速因素,，以便可以恢復(fù)到正常狀態(tài)并預(yù)測使用壽命?！?/span> 所有類型器件都經(jīng)過可靠性測試,，包括功率半導(dǎo)體。功率半導(dǎo)體分為兩個陣營：硅和寬禁帶,。硅器件已經(jīng)成熟,，并充分掌握可靠性問題。GaN和SiC功率半導(dǎo)體基于寬禁帶技術(shù),，比硅器件效率更高,，擊穿電場強度也更高。但二者是具有各種特性的較新技術(shù),，需要對這些技術(shù)的可靠性問題有更深入的了解,。 功率半導(dǎo)體市場現(xiàn)狀 功率半導(dǎo)體市場被硅基器件占據(jù),，包括功率MOSFET,，超結(jié)功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT），但GaN和SiC正在取得重大進展,。 功率MOSFET用于10至500伏低電壓應(yīng)用,，如適配器和電源。超結(jié)功率MOSFET用于500至900伏應(yīng)用,。IGBT用于1200V至6.6KV應(yīng)用,。IGBT和MOSFET既成熟又便宜,，但也達到了極限。 GaN和SiC兩種寬禁帶技術(shù)可使設(shè)備具有更高效率和更小尺寸,。如SiC的擊穿場強是硅的10倍,，帶隙是硅的3倍，GaN器件的能力則更高一層,。 SiC正在向汽車等多個市場進軍,。Lam Research戰(zhàn)略市場總經(jīng)理David Haynes表示：“SiC器件具有更小尺寸和更多性能，對電動汽車和混合動力電動汽車的動力總成應(yīng)用具有吸引力,?！盙aN在汽車、數(shù)據(jù)中心和其他市場中也越來越受歡迎,。Haynes說：“由于GaN在高頻下的卓越性能,，非常適合于快速充電解決方案中的大批量應(yīng)用?！?/span> 可靠性測試 可靠性在所有市場中都很重要,，其中一些領(lǐng)域規(guī)范更為嚴格。如汽車可接受的故障率在十億分之一（ppb）內(nèi),，對安全考慮的門檻更高,。可靠性要求對于所有功率半導(dǎo)體都很重要,。為了確保產(chǎn)品的可靠性,，供應(yīng)商多年來一直遵循相同的步驟： ·對器件進行各種加速測試，發(fā)現(xiàn)測試器件未能達到規(guī)格表（specsheet）的失效情況,。 ·搜索故障機制并解決任何潛在問題,。 ·以此為起點研發(fā)模型。 功率半導(dǎo)體供應(yīng)商Alpha and OmegaSemiconductor表示,?！耙坏┇@得了加速應(yīng)力下的壽命，再用已知加速模型就可以預(yù)測正常應(yīng)用應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命,?！钡@并不是那么簡單。器件需要經(jīng)過一系列加速測試,。如高溫反向偏壓（HTRB）是一種常見的測試,，檢查器件在溫度變化下的結(jié)退化。為此,，將設(shè)備放置在專門的HTRB老化測試系統(tǒng)中,，然后對其施加高壓和高溫。這是眾多測試之一,。通常,，這些測試滿足各種可靠性標準（如AEC-Q101和其他標準）的要求,。AEC-Q101定義了給定器件的最小壓力測試。   SiC器件用于600伏至10千伏的應(yīng)用中,。電動汽車是SiC器件的最大市場,，其次是電源和太陽能逆變器。SiC器件有兩種類型,，SiC MOSFET和二極管,。這些器件目前采用6寸晶圓廠生產(chǎn)，8寸晶圓正在研發(fā)中,。 時變電介質(zhì)擊穿（TDDB） 每個功率半導(dǎo)體類型不同,。硅功率MOSFET是垂直結(jié)構(gòu)，源極和柵極在設(shè)備的頂部,，漏極在底部,。當(dāng)施加正柵極電壓時，在源極和漏極之間形成溝道,。在最新的器件中,，Alpha和Omega Semiconductor表示，“柵極氧化層變得越來越薄,，電場因此變得越來越高,。”隨著時間流逝,，柵極氧化物可能會在MOSFET中退化,。通常，此現(xiàn)象背后的失效機制稱為時變電介質(zhì)擊穿（TDDB）,。當(dāng)經(jīng)過一段時間損耗后柵極氧化物擊穿,，并發(fā)生TDDB。為了測試這種結(jié)構(gòu)的可靠性,，將該器件放置在專用的TDDB測試系統(tǒng)中并施加壓力,。在硅功率MOSFET中，TDDB和其他失效機制已經(jīng)有了很充分的了解,。 SiC襯底中的缺陷 SiC并非總是如此,。在制造流程中，SiC襯底容易出現(xiàn)缺陷,。Lam的Haynes說：“襯底成本,、可用性和質(zhì)量仍然是一個挑戰(zhàn)。但晶圓的缺陷率和外延性正在改善,?！盨iC在晶圓廠制造,、劃片并封裝是個困難的過程,。Veeco產(chǎn)品營銷總監(jiān)Meng Lee說：“SiC是地球上第三硬化合物材料,。由于SiC的高硬度和脆性，制造商面臨著循環(huán)時間,，成本和劃片的挑戰(zhàn),。” 已可提供可靠性SiC產(chǎn)品 盡管面臨挑戰(zhàn),，SiC供應(yīng)商多年來一直在提供可靠性產(chǎn)品,。Cree公司的Palmour說：“以前人們對碳化硅是否可從根本上實現(xiàn)可靠感到擔(dān)憂。我們不久前通過了這個階段,。如果我們不能證明本質(zhì)上可靠,，就不會有任何汽車或工業(yè)客戶?！?/span> SiC的兩個可靠性問題 盡管如此,，供應(yīng)商仍密切關(guān)注可靠性問題。Palmour說：“由于幾個因素,，要實現(xiàn)碳化硅本質(zhì)可靠性更加困難,。硅的特性已進行了很好地表征，在設(shè)計,、制造,、質(zhì)量測試過程中可以認為實現(xiàn)可靠。碳化硅則無法假設(shè)這一點,，必須了解故障機制,。”在設(shè)計階段就開始實現(xiàn)足夠可靠性,。制造出器件后對其進行各種加速測試,，包括濕度，電源循環(huán),，溫度,，電壓等壓力測試。SiC器件存在兩個主要可靠性問題-柵極氧化物和閾值電壓穩(wěn)定性,。 ①SiC柵極氧化物的可靠性 與功率MOSFET類似,，SiC器件也是垂直器件，使用與MOSFET相同的柵極氧化物材料（二氧化硅）,，但SiC器件在更高的內(nèi)部電場下工作,。因此，柵極氧化物材料在實際工作中壽命可能會縮短,。但SiC中的柵氧化問題已被理解,，TDDB是失效機制。“當(dāng)器件用于高壓時,，也存在壽命限制,。在這種情況下，失效點通常是SiC在最高電場工作時的氧化物,。這些機制中的哪一個決定壽命,，取決于器件設(shè)計。盡管如此,，柵極氧化物問題已得到很大解決,。他說：“那是當(dāng)時的根本恐懼之一。如果正確地進行設(shè)計,，就可以解決該問題,。” 重要的仍是要確保柵極氧化物的可靠性,。為此,，Cree使用高溫柵極偏置（HTGB）和TDDB進行通態(tài)測試。HTGB是一種老化測試,，用于對柵極氧化物施加應(yīng)力,。此外，Cree使用HTRB來確定阻斷壽命,。業(yè)界希望降低柵極氧化物的早期TDDB故障概率,。英飛凌的工程師Thomas Aichinger說：“為使SiC MOSFET與其（硅）比對產(chǎn)品一樣可靠，必須在制造過程中使柵極氧化物缺陷密度最小化,，并采用巧妙的篩選技術(shù)來識別和消除潛在的性能薄弱器件,。”英飛凌最近研發(fā)了一種稱為“馬拉松壓力測試”的新測試,，能夠并行對3×1000 SiC MOSFET施加應(yīng)力,。器件封裝后并安裝在板上。壓力測試在高溫下的熔爐中進行,。 英飛凌表示：“區(qū)分傳統(tǒng)TDDB測試,，傳統(tǒng)HTGB測試和新馬拉松測試非常重要。這三個都是針對柵極氧化物的壓力測試,，但針對不同失效機理,。馬拉松測試與TDDB測試非常相似；但有兩個重要區(qū)別,。首先,，與TDDB測試相比，馬拉松測試的柵極偏置要低,，因為目標是僅檢測由關(guān)鍵外部柵極氧化物畸變引起的早期器件故障,。大多數(shù)器件在馬拉松測試中不會失效,。其次，在馬拉松測試中,，必須測試大量器件（通常>1000個）,。這是因為具有外部柵極氧化畸變的器件通常很少見，測試大量器件會增加找到某些器件的幾率,，這些器件是驗證某個外部GOX FiT速率所必需的,?！?/span> ②SiC閾值電壓穩(wěn)定性的可靠性 除柵極氧化物外,，SiC的另一個大問題是閾值電壓不穩(wěn)定。Cree的Palmour說：“MOSFET的閾值電壓會隨偏置而變化,。這是一個眾所周知的現(xiàn)象,。”閾值電壓不穩(wěn)定是由稱為偏置溫度不穩(wěn)定（BTI）的失效機制所引起,。BTI是晶體管的退化現(xiàn)象,。 HTGB是測試問題的一種方法，盡管仍在發(fā)展過程中,。SiC產(chǎn)業(yè)正在JEDEC JC-70小組中討論這些和其他問題,。該小組的目標是設(shè)計一種標準的測試技術(shù)并統(tǒng)一該領(lǐng)域中的各種規(guī)格。這在特別要求器件零缺陷的汽車領(lǐng)域尤其重要,。Palmour說：“SiC的本質(zhì)可靠性已被證明且很好?，F(xiàn)在這是關(guān)于如何防止早期失效以及類似的事情。我們現(xiàn)在進入汽車行業(yè)的挑戰(zhàn)是滿足用戶對汽車器件的高質(zhì)量期望,，包括知道平均故障時間,、ppm或ppb的失效率?！边@進而需要一系列缺陷檢查和篩選步驟,。像可靠性測試一樣，這也是一個具有挑戰(zhàn)性的過程,。 GaN用于制造LED,、功率半導(dǎo)體和RF器件，應(yīng)用于汽車,、數(shù)據(jù)中心,、軍事航空和其他應(yīng)用。GaN功率半導(dǎo)體的范圍為15至900伏,。GaN器件在6寸晶圓廠中制造,。在EPC的GaN流程中，氮化鋁（AlN）薄層沉積在襯底上,，然后是GaN層,，在該結(jié)構(gòu)上形成源極，漏極和柵極，從而形成橫向GaN器件,。 GaN可靠性問題 GaN不如SiC成熟,，仍存在一些問題。KLA高級副總裁Kevin Crofton表示：“MOCVD工藝及其后續(xù)步驟會產(chǎn)生顆粒,，當(dāng)前的檢查工具并不總是能夠發(fā)現(xiàn)這些顆粒,。”EPC的Lidow說：“GaN非?？煽?。我們在1230億小時中只有3次失敗，優(yōu)于MOSFET大約兩個數(shù)量級,。但由于它相對較新,，出現(xiàn)了很多問題?！?/span> 像所有功率半導(dǎo)體一樣,，GaN器件也要經(jīng)受不少于九種可靠性應(yīng)力測試。暫舉一例,，器件中的柵電極要經(jīng)過應(yīng)力測試,，供應(yīng)商使用HTGB測試，通常TDDB是此處的失效機制,，更具體地說氮化硅層可能會失效,，而不是GaN層會失效。這個問題眾所周知,。 動態(tài)導(dǎo)通電阻的可靠性問題 對GaN器件而言,，動態(tài)導(dǎo)通電阻是最大的問題。Lidow說：“他們過去稱其為‘電流崩潰’,，因為設(shè)備的導(dǎo)通電阻會達到無窮大,。一旦GaN器件商業(yè)化，導(dǎo)通電阻的變化幅度就大大減小了,?！眲討B(tài)導(dǎo)通電阻有問題。如具有1兆歐規(guī)格的GaN器件在野外工作100小時后,，可能變成10兆歐,。 一段時間以來，行業(yè)理論認為動態(tài)導(dǎo)通電阻是由一種稱為熱載流子注入（HCI）的失效機制引起,。Lidow說：“發(fā)生的事情是,，如果通過高電場發(fā)送電子將獲得很多能量，這就像被槍擊中一樣,，它變成了一個非常高能的電子,，有足夠的能量穿透設(shè)備中的某些層并被困住,。”,。 測試此情況的傳統(tǒng)方法是HTRB,。但在許多方面，HTRB都達不到要求,。為此,，EPC開發(fā)了專有的顯微鏡技術(shù)，可提供當(dāng)高能電子被捕獲時發(fā)出光子的視圖,。使用該技術(shù),，EPC找到了解決HCI問題的方法。 其他問題 其他問題也可能浮出水面,。如EPC最新GaN器件具有新的突破性的功率密度,。Lidow說：“隨著功率密度增加300倍,，我們將發(fā)現(xiàn)新的失效機制,。第一個問題將是導(dǎo)電層中的電遷移（EM）極限。我們的新設(shè)計受到EM的限制,，因此我們將必須創(chuàng)新以擺脫這種物理機制,。一種方法是將多個功率器件集成到同一芯片上。以此實際上減少通電和斷電端的數(shù)量,，這些受EM限制,。” Lidow說：“第二個挑戰(zhàn)是增加器件內(nèi)部的內(nèi)部電場,。器件的尺寸與該峰值電場成反比,。如果我們可以承受的峰值電場等于GaN的臨界擊穿電場，那么我們的器件可以縮小約100倍,。問題是需要通過將峰值場保持在一定限度以下來消除動態(tài)導(dǎo)通電阻,。我們需要弄清楚如何在不重新引入動態(tài)導(dǎo)通電阻的情況下增加峰值電場。該解決方案涉及改善材料質(zhì)量,，改善介電質(zhì)量,，改善器件設(shè)計，以及可能還有幾件我們尚未發(fā)現(xiàn)的事情,?！?/span> |
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