SiC 和 GaN 器件的工作應力水平比硅器件更高。半導體和汽車行業(yè)對此有嚴格的資質測試。

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 寬帶隙 (WBG) 技術因其在許多高功率領域優(yōu)于硅 (Si) 的性能而聞名，包括其高效率和高開關頻率。然而，與單晶硅不同，SiC 和 GaN 具有獨特的設計和應用問題，工程師在將這些技術用于設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換、開關和控制應用，因此潛在老化是關鍵設計決策的一部分。這在要求更高的汽車和工業(yè)應用中尤其重要，但數據中心、消費、商業(yè)和其他產品的系統(tǒng)設計人員也應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 技術與 Si 的關鍵參數進行了比較。

圖 2. Si、SiC 和 GaN 材料特性如何影響設計考慮。

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)。這些因素使其成為高頻和高功率應用的極佳材料。所有這些高應力情況都需要進行鑒定測試，以提供適當的長期功能和可接受的使用壽命。SiC 和 Si 基 MOSFET 之間的一個關鍵區(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，但也必須解決設計和應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 器件結構和材料系統(tǒng)之間的差異。

行業(yè)測試標準和可靠性

聯合電子設備工程委員會(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期壽命。

為了滿足汽車應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(集成電路應力測試驅動認證)，為不太極端的應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、數據表和認證標準，小組委員會JC-70.2提供針對 SiC 技術的標準。JEDEC 在本課程中為 GaN 和 SiC 設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電介質擊穿 (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力條件(偏置、時間和溫度)。

Si 技術鑒定采用測量-應力-測量 (MSM) 序列，包括重復施加柵極偏壓和溫度應力，然后讀出，以鑒定設計。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，以實現更出色的可重復性，如圖 3所示。預處理脈沖更接近地代表了應用中的柵極開關，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的測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. 預處理 PBTI 的測量序列包括累積(應力)脈沖、第一次讀數、第二次累積脈沖和第二次讀數。第二次讀數隨時間推移產生最穩(wěn)定且可重復的結果。

為了提高發(fā)現 SiC 外部故障的概率，英飛凌開發(fā)了馬拉松應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來設計出廠產品測試的測試模式。測試使用 100 天的應力期。數千個器件在接近工作條件的參數范圍內并行拉伸。

任何技術發(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，以確保在設計極限內運行。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)布了長期應用切換數據，顯示器件在硬切換應用中穩(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用中相關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 測試相結合。

從半導體技術角度看老化

注重細節(jié)可以讓優(yōu)質葡萄酒和功率半導體經久耐用，并實現其目標。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。