SiC 和 GaN 器件如何老化？

SiC 和 GaN 器件的工作应力水平比硅器件更高。半导体和汽车行业对此有严格的资质测试。

碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 宽带隙 (WBG) 技术因其在许多高功率领域优于硅 (Si) 的性能而闻名，包括其高效率和高开关频率。然而，与单晶硅不同，SiC 和 GaN 具有独特的设计和应用问题，工程师在将这些技术用于设计时需要解决这些问题。

SiC 和 GaN 与 Si 相比的独特之处

SiC 和 GaN WBG 功率器件用于电源转换、开关和控制应用，因此潜在老化是关键设计决策的一部分。这在要求更高的汽车和工业应用中尤其重要，但数据中心、消费、商业和其他产品的系统设计人员也应该同样了解这些问题。图 1显示了 SiC MOSFET 和 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 技术的扩展工作范围。

图 1. Si、GaN 和 SiC 功率器件覆盖整个功率范围。

SiC MOSFET 的电压和开关频率超出了 Si 器件。尽管电压没有 Si 高，但 GaN 可将频率扩展到相当高的范围。为了解决图 1 中的扩展工作范围，图 2将 SiC 和 GaN 技术与 Si 的关键参数进行了比较。

图 2. Si、SiC 和 GaN 材料特性如何影响设计考虑。

与 Si 不同，SiC 具有更高的热导率和击穿电场强度(与更宽的带隙相关)。这些因素使其成为高频和高功率应用的极佳材料。所有这些高应力情况都需要进行鉴定测试，以提供适当的长期功能和可接受的使用寿命。SiC 和 Si 基 MOSFET 之间的一个关键区别是由于外部缺陷——栅极氧化物中的微小扭曲，其行为类似于局部氧化物变薄。虽然更厚的栅极氧化物工艺和相关的筛选程序可以最大限度地减少这个问题，但也必须解决设计和应用方面的其他因素和差异。

同样，GaN 也有一些与 Si 器件不同的行为。一个例子是动态R DS(ON)，这是一种随时间推移而增加的电阻。在制定 GaN HEMT 的认证计划时，还必须考虑 Si 和 GaN 器件结构和材料系统之间的差异。

行业测试标准和可靠性

联合电子设备工程委员会(JEDEC) 和汽车电子委员会(AEC) 是两个行业组织，它们为测试和鉴定半导体设备提供了具体而详细的规范。这两个组织都专注于功率半导体的可靠性问题和预期寿命。

为了满足汽车应用中的老化和可靠性要求，汽车电子委员会制定了适用于 Si 的 AEC-Q101(汽车级分立半导体应力测试资格)。它将适用于 SiC 和 GaN 功率器件。随着电动汽车电压的提高和预期寿命的增加，人们正在提议对这些 WBG 器件进行修改。

JEDEC 针对各种组件制定了JESD47(集成电路应力测试驱动认证)，为不太极端的应用提供了基准认证方法。JEDEC 小组委员会JC-70.1提供针对 GaN 的测试、数据表和认证标准，小组委员会JC-70.2提供针对 SiC 技术的标准。JEDEC 在本课程中为 GaN 和 SiC 设备制定了多种指南和测试方法。其中包括JEP173基于 GaN HEMT 的功率转换器件的动态导通电阻测试方法指南。为了确保行业努力充分解决 SiC 和 GaN 功率器件的寿命和老化特性，英飞凌发起并推动建立了 JEDEC 小组委员会 JC-70.1 和 JCX-70.2。

测试和标准

SiC 功率器件的两个重要可靠性问题是栅极氧化物和阈值电压稳定性。由于 SiC 功率 MOSFET 包含栅极氧化物层，因此会随着时间的推移发生一种称为时间相关电介质击穿 (TDDB) 的过程。栅极氧化物在超过其固有寿命后会击穿、劣化并失效。

SiC 功率器件和 Si 技术的另一个影响是偏置温度不稳定性 (BTI)。在高温下对 SiC(或 Si)MOSFET 的栅极施加恒定的直流偏置时，阈值电压和潜在导通电阻可能会发生变化。偏移的幅度和极性取决于应力条件(偏置、时间和温度)。

Si 技术鉴定采用测量-应力-测量 (MSM) 序列，包括重复施加栅极偏压和温度应力，然后读出，以鉴定设计。然而，读出时间会显著影响阈值电压漂移测量。

英飞凌提出了一种正 BTI (PBTI) 测试序列，以实现更出色的可重复性，如图 3所示。预处理脉冲更接近地代表了应用中的栅极开关，并减少了读出延迟和器件历史的影响。由于 SiC 中的 DC BTI 会引起可靠性问题，因此需要通过优化器件处理并使用适当的测量方法仔细评估来将其最小化。该测试促进了这一过程。

图 3. 预处理 PBTI 的测量序列包括累积(应力)脉冲、第一次读数、第二次累积脉冲和第二次读数。第二次读数随时间推移产生最稳定且可重复的结果。

为了提高发现 SiC 外部故障的概率，英飞凌开发了马拉松应力测试作为有效筛选程序的基准。马拉松测试的栅极偏压比 TDDB 测试低得多，其目标是检测由关键外部栅极氧化物畸变引起的早期器件故障，并提取重要的模型参数来设计出厂产品测试的测试模式。测试使用 100 天的应力期。数千个器件在接近工作条件的参数范围内并行拉伸。

任何技术发布时都必须进行的其他强制性认证测试包括高温反向偏置 (HTRB)、高湿度、高温高压反向偏置测试 (H3TRB) 以及高温栅极应力 (HTGS) 测试。对于标准 H3TRB 认证，T = 85°C，相对湿度 (rH) = 85% 且V DS = 80V。但是，在更高的电压下工作时，V DS = 80% V DSS的 HV-H3TRB是测试 SiC 器件在潮湿环境下的可靠性的更合适的方法。表 1列出了英飞凌汽车认证的此测试条件和其他修改后的测试条件。

表 1. 汽车认证选定的测试条件。

GaN 测试

硅和 GaN HEMT 器件之间的区别在于，在加速漏极-源极电压和温度条件下测试时，GaN HEMT 的故障率在很大程度上取决于电压。量化和模拟 GaN HEMT 反向偏置寿命非常重要，以确保在设计极限内运行。GaN 器件不会发生雪崩，并且可以承受比硅器件高得多的电压应力而不会发生故障。然而，它们在如此高的电压下的寿命是有限的。

GaN 器件的第二个关键新退化机制是安全工作区 (SOA) 切换或动态高温工作寿命 (DHTOL)。为了解决这一机制，英飞凌和其他半导体制造商发布了长期应用切换数据，显示器件在硬切换应用中稳定运行 1,000 小时至 3,000 小时。

在 GaN 器件中，动态R DS(ON)的影响是由加工过程中捕获的电荷或由于动态影响引起的，这些影响可以与通道中的二维电子气 (2DEG) 密度相互作用并改变其密度，从而增加R DS(ON)。在开发过程中，重要的是确保在典型应用中相关的传导损耗增加较低，并且动态R DS(ON)不会失效。图 4显示了针对老化等的 GaN 专用测试摘要。通过这些测试意味着 GaN 器件合格，并且老化效应最小化。

图 4. 针对 p-GaN 门控 HEMT 的新型可靠性测试与标准 JEDEC 测试相结合。

从半导体技术角度看老化

注重细节可以让优质葡萄酒和功率半导体经久耐用，并实现其目标。由于 SiC 和 GaN WBG 器件的工作压力水平更高，工作频率和/或工作电压也高于 Si，并且设计中的材料也有很大不同，因此它们需要通过更严格的测试进行评估和鉴定。正在进行的研发正在提高最新 SiC 和 GaN WBG 功率晶体管的可靠性。随着每一代器件的进步，老化问题也会得到改善。