確定 GaN 產(chǎn)品可靠性的綜合方法

TI正在設(shè)計(jì)基于GaN原理的綜合質(zhì)量保證計(jì)劃和相關(guān)的應(yīng)用測(cè)試來提供可靠的GaN解決方案。氮化鎵(GaN)的材料屬性可使電源開關(guān)具有令人興奮且具有突破性的全新特性—功率GaN。高電子遷移晶體管(HEMT)。HEMT是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，會(huì)使導(dǎo)通電阻會(huì)低很多。它的開關(guān)頻率要比同等大小的硅功率晶體管要快。這些優(yōu)勢(shì)使得功率轉(zhuǎn)換的能效更高，并且能夠更加有效地使用空間。GaN可以安裝在硅基板上，這樣可充分利用硅制造能力，并實(shí)現(xiàn)更低的成本。然而，在使用新技術(shù)時(shí)，需要驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)的可靠性。這份白皮書的主題恰恰是GaN器件質(zhì)量鑒定。

簡(jiǎn)介

由于有超過30年的經(jīng)驗(yàn)，并且經(jīng)過不斷改進(jìn)，這個(gè)行業(yè)理所當(dāng)然地認(rèn)為硅功率晶體管具有很高的穩(wěn)定性。這種長(zhǎng)期的用戶體驗(yàn)已經(jīng)形成了一整套成熟的質(zhì)量鑒定法方法體系;在這個(gè)方法體系中，可靠性和質(zhì)量由運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試進(jìn)行認(rèn)證。這些測(cè)試來源于故障模式理解、激勵(lì)能量和加速因子方面的深入研究，以及推測(cè)使用壽命、故障率和缺陷率的統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)框架的開發(fā)。由于數(shù)代硅產(chǎn)品可以在實(shí)際使用條件下，實(shí)現(xiàn)真正使用壽命內(nèi)的正常運(yùn)行，這個(gè)質(zhì)量鑒定方法體系現(xiàn)在已經(jīng)被證明是有效且實(shí)用的。

然而，GaN晶體管是近期才被開發(fā)出來的器件。更加昂貴的碳化硅基板上的RF GaN HEMT已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無線基站內(nèi)，并且其可靠性已經(jīng)得到驗(yàn)證[1]。雖然基于相似的基本原理，功率GaN HEMT在實(shí)現(xiàn)更高電壓處理方面增加了更多的特性。它植根于硅基板上，并且使用與硅制造兼容的材料來降低成本。此外，出于故障安全的原因，它需要是一個(gè)增強(qiáng)模式 (e-mode)，或者是常關(guān)器件。

主要有三種架構(gòu)：

1. 與一個(gè)e-mode Si FET共源共柵的耗盡模式 (d-mode) 絕緣柵極GaN HEMT;2. e-mode絕緣柵極GaN HEMT;3. P型e-mode結(jié)柵極GaN HEMT。這三款器件會(huì)由于自身的原因，以及硅FET的影響而具有不同的故障模式，問題是如何鑒定它們的質(zhì)量?；诠璧臉?biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定方法是一個(gè)有價(jià)值且具有里程碑意義的質(zhì)量和可靠性鑒定方法，但不清楚的是，在器件使用壽命、故障率和應(yīng)用相關(guān)性方面它對(duì)于GaN晶體管的效用如何。

德州儀器 (TI) 是半導(dǎo)體技術(shù)方面的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，在將可靠的半導(dǎo)體產(chǎn)品推向市場(chǎng)方面具有長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)，其中包括鐵電隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器 (FRAM) 等非硅材料技術(shù)。在通過GaN相關(guān)質(zhì)量鑒定方法體系和應(yīng)用相關(guān)測(cè)試，把可靠的GaN產(chǎn)品推向市場(chǎng)方面，我們具有很大的優(yōu)勢(shì)。

標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定方法體系

在鑒定硅功率器件質(zhì)量方面，有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的質(zhì)量鑒定方法體系得到廣泛使用：聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)(JEDEC);和汽車電子協(xié)會(huì)(AEC)[2, 3, 4, 5]。這些標(biāo)準(zhǔn)指定了很多測(cè)試，其中可以分為三類：靜電放電 (ESD)、封裝和器件。

靜電放電要求是一項(xiàng)強(qiáng)制的操作標(biāo)準(zhǔn)，所以ESD標(biāo)準(zhǔn)不太可能會(huì)發(fā)生變化。封裝測(cè)試與那些針對(duì)硅芯片、已經(jīng)完成的測(cè)試相類似，需要找到導(dǎo)致故障的根本原因，以強(qiáng)調(diào)意外的故障機(jī)制。之前在硅芯片中使用的后端處理也同樣用于GaN，在這個(gè)背景下，由于封裝應(yīng)力、結(jié)合表面相互作用等問題比較常見，所以這個(gè)相似性也就凸現(xiàn)出來。然而，這個(gè)器件類別是全新的，并因此具有特別的重要性。后面的段落檢查了標(biāo)準(zhǔn)硅芯片質(zhì)量鑒定方法體系，并且描述了如何將這一方法體系應(yīng)用于GaN。

對(duì)于硅芯片質(zhì)量鑒定來說，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力下的運(yùn)行時(shí)間為1000h，結(jié)溫至少為125°C。假定激活能量為0.7eV，指定溫度加速因子為78.6 [2]。這使得125°C結(jié)溫下的1000h運(yùn)行時(shí)間所受應(yīng)力等于Tj = 55°C情況下，9年運(yùn)行時(shí)間內(nèi)所受應(yīng)力。器件在它們的最大運(yùn)行電壓下進(jìn)行質(zhì)量鑒定。對(duì)于分立式功率FET，這通常選擇為最小擊穿電壓技術(shù)規(guī)格的80%。這意味著，在質(zhì)量鑒定測(cè)試條件下，沒有內(nèi)置的電壓加速;電壓加速只由溫度實(shí)現(xiàn)。由于Tj在55°C以上，通常情況下高于75°C，這一點(diǎn)會(huì)對(duì)功率器件產(chǎn)生巨大影響。

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還指定了3個(gè)批次的產(chǎn)品，每個(gè)批次有77個(gè)部件，不應(yīng)在應(yīng)力下出現(xiàn)故障。231個(gè)部件中的零故障標(biāo)準(zhǔn)意味著批內(nèi)缺陷允許百分比 (LTPD) 的值為1 [2]。這表示，你有9成的把握地宣稱，在推測(cè)的應(yīng)力條件下，一個(gè)批次內(nèi)有1%的部件是有缺陷的。換句話說，在Tj = 55°C的溫度條件下運(yùn)行9年，在最大工作電壓上被偏置。最初地最大故障率 (FIT) 大約為50。Tj = 55°C下的FIT也是使用0.7eV的激活能量，從231個(gè)部件的零故障結(jié)果中得出。

然而，除了靜態(tài)測(cè)試，還有一個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試。它被非常寬泛地定義為“有可能在一個(gè)動(dòng)態(tài)工作模式下運(yùn)行的器件”[3]。由廠商對(duì)測(cè)試進(jìn)行定義。由于很難指定一個(gè)與大范圍不斷發(fā)展的應(yīng)用和技術(shù)相對(duì)應(yīng)的測(cè)試，所以缺少指定測(cè)試。指定測(cè)試也許不能與實(shí)際使用環(huán)境適當(dāng)關(guān)聯(lián)，并且有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤故障，或者無法加快有效故障機(jī)制 [7]。

對(duì)于硅FET來說，已經(jīng)在很多年的實(shí)際使用過程中建立起來質(zhì)量鑒定方法體系的可信度。與GaN等全新技術(shù)不同的是，器件廠商負(fù)責(zé)確定它們的動(dòng)態(tài)測(cè)試可以預(yù)測(cè)實(shí)際使用的運(yùn)行情況。因此，需要開發(fā)出應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)力測(cè)試，可以在實(shí)際使用條件下驗(yàn)證可靠性。

最后，需要注意的一點(diǎn)是，GaN無法耐受雪崩能量。也就是說，器件將在被擊穿時(shí)損壞。這是一個(gè)需要解決的問題，特別是對(duì)于功率因數(shù)校正 (PFC) 電路等高壓應(yīng)用來說更是如此;在這些應(yīng)用中，器件會(huì)受到有可能出現(xiàn)的過壓事件的影響，比如說電力線路上的閃電尖峰放電。

標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定方法體系的適用性

JEDEC和AEC標(biāo)準(zhǔn)均基于健全完善的基本原理，不過技術(shù)上比較落后。雖然通過硅產(chǎn)品質(zhì)量鑒定是一件有價(jià)值的、里程碑式的重大事件，但是用戶需要一個(gè)能夠在實(shí)際使用條件下，在所需的使用壽命內(nèi)，比如說10年，以低故障率持續(xù)運(yùn)行的產(chǎn)品。因此，推出FRAM、成比例CMOS、GaN等新技術(shù)的公司需要了解這些標(biāo)準(zhǔn)的基本原理。在JEDEC質(zhì)量鑒定方法體系中，主要的促進(jìn)要素是溫度。根據(jù)方程式eq.(1) 計(jì)算出加速因子 (AF)，在這里EA是激活能量，而k是玻爾茲曼常數(shù)。

如果在應(yīng)力溫度Tj = 125°C、使用溫度Tj = 55°C，并且激勵(lì)能量大約為0.7eV的情況下使用eq (1)，得出的加速因子將為78.6。這也是Tj = 125°C情況下1000h應(yīng)力大致相當(dāng)于Tj = 55°C情況下使用10年的原因。在已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)中，GaN 的激勵(lì)能量 [8] 在1.05到2.5eV之間變化。這些寬范圍的值表現(xiàn)出世界上不同實(shí)驗(yàn)室和公司內(nèi)器件、工藝和材料間的差異。這個(gè)范圍能夠提供大幅變化的加速因子，比如E_A = 1.05eV下的687到E_A = 2.5eV下5百萬以上的值。因此，有必要確定與工藝和最終產(chǎn)品的器件架構(gòu)有關(guān)的激勵(lì)能量。

將實(shí)際運(yùn)行中的結(jié)溫考慮在內(nèi)也很重要。由于其所具有的寬帶隙，相對(duì)于硅材料，GaN能夠在更高的溫度環(huán)境中運(yùn)行。這一點(diǎn)對(duì)于電力電子產(chǎn)品很重要。表1是125°C應(yīng)力溫度下的1000h硅技術(shù)規(guī)格與其它幾種情況下的比較。從表1中可以看出，如果需要105°C的結(jié)工作溫度，假定激活能量為0.7eV，非加速時(shí)間從9年減少為0.3年。通過將應(yīng)力溫度增加到150°C(這是一個(gè)針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)封裝的實(shí)際限值)，有可能將這個(gè)時(shí)間增加到1.1年。在這個(gè)情況下，應(yīng)力測(cè)試并不符合現(xiàn)場(chǎng)等效使用壽命，或者解算出大約50 FIT的最大FIT率條件。然而，它的確是一項(xiàng)可靠且高質(zhì)量的里程碑式的測(cè)試方法。

代表10年使用時(shí)間的1000h應(yīng)力測(cè)試需要一個(gè)值為87.6的加速因子，并且在1.37的激勵(lì)能量下實(shí)現(xiàn)。諸如參考文獻(xiàn) [8] 中1.05eV的更低激勵(lì)能量將需要2.84倍的電壓加速，或者大約延長(zhǎng)6到17周的持續(xù)時(shí)間。過多的電壓加速會(huì)導(dǎo)致不具代表性的故障模式，而持續(xù)時(shí)間擴(kuò)展延長(zhǎng)了新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。根據(jù)故障模式和封裝內(nèi)可提供的加速的不同，也許無法實(shí)現(xiàn)能夠表示所需現(xiàn)場(chǎng)等效使用壽命的質(zhì)量鑒定測(cè)試。使用壽命要求由晶圓級(jí)可靠性測(cè)試提供保證，并且由已封裝部件的擴(kuò)展持續(xù)時(shí)間應(yīng)力測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。

表1：不同應(yīng)力參數(shù)對(duì)可靠性和質(zhì)量推測(cè)數(shù)據(jù)的影響

根據(jù)GaN的特定故障模式來設(shè)定故障標(biāo)準(zhǔn)很重要。一個(gè)特別的故障就是動(dòng)態(tài)Rds導(dǎo)通電阻增加，也被稱為電流崩塌。這一故障由緩沖和頂層的負(fù)電荷陷獲所導(dǎo)致 [9, 10]。電荷會(huì)在施加高壓時(shí)被誘陷，并且不會(huì)在器件接通時(shí)立即耗散。

被陷獲的負(fù)電荷排斥來自通道層的電子，而Rds導(dǎo)通電阻會(huì)由于通道層內(nèi)的電子數(shù)量的減少而增加(圖1)。隨后，Rds導(dǎo)通電阻隨著被陷獲電荷的耗散而恢復(fù)。這一影響降低了效率，并且會(huì)使得器件自發(fā)熱量過多，并且會(huì)過早地出現(xiàn)故障。

圖1：一個(gè)GaN器件的電路橫截面顯示被陷獲的電子如何通過減少通道層中的電子數(shù)量來增加Rds導(dǎo)通電阻。

此外，陷獲密度會(huì)隨著器件老化而增加，從而使得動(dòng)態(tài)Rds導(dǎo)通電阻的影響更加嚴(yán)重。我們有專門的硬件來監(jiān)視應(yīng)力測(cè)試過程中的動(dòng)態(tài)Rds導(dǎo)通電阻，這使得我們能夠確保發(fā)布的產(chǎn)品沒有這方面的問題。

應(yīng)用相關(guān)測(cè)試

雖然DC測(cè)試方法在對(duì)大量部件進(jìn)行測(cè)試時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單，它們也許不能預(yù)測(cè)GaN是否在實(shí)際應(yīng)用中具有10年的使用壽命。硬開關(guān)應(yīng)力不同于DC應(yīng)力。硬開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器具有電感開關(guān)變換，在這個(gè)期間，器件同時(shí)受到高電流和高壓的影響。由于FET通道需要漏電壓，Vds，下降前灌入整個(gè)電感器電流，并且對(duì)那個(gè)節(jié)點(diǎn)上的其它器件進(jìn)行反向恢復(fù)放電，接通變換是一個(gè)應(yīng)力最高的過程。它還需要在Vds下降時(shí)承載器件放電輸出和開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容內(nèi)的額外電流。由于FET通道在Vds較低，并且電感器電流為各自的電容器充電時(shí)關(guān)閉，所以關(guān)閉的應(yīng)力相對(duì)較低。

器件應(yīng)力由使用圖2中所示拓?fù)涞纳龎恨D(zhuǎn)換器顯示。圖3中顯示的是初級(jí)側(cè)開關(guān) (FET1) 上硬開關(guān)接通變換的仿真結(jié)果。輸入電壓為200V，而電感器電流為5A(負(fù)載電流大約為2.5A)。在這個(gè)情況下，當(dāng)FET1關(guān)閉時(shí)，由于鉗制FET (FET2) 導(dǎo)電，它的漏電壓大約鉗制在400V。因此，當(dāng)FET1接通時(shí)，它需要在Vds開始下降之前灌入整個(gè)電感器電流(區(qū)域A)。

圖2：一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

圖3：針對(duì)一個(gè)硬開關(guān)變換的接通轉(zhuǎn)換。

隨著漏電壓下降(區(qū)域B)，F(xiàn)ET需要將開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電容器放電。這些電容器中的電荷來自鉗制FET、電路板引線和其它連接的組件。由于使用了GaN FET，沒有來自這個(gè)鉗位的反向恢復(fù)電流。V-I關(guān)系曲線(圖4)顯示出，在高Vds時(shí)，會(huì)汲取大量電流。在這個(gè)情況下，大約比電感器電流高6A。由于FET的漏電容通過通道放電，實(shí)際的FET通道電流更高。例如，值為50pF，轉(zhuǎn)換率為60V/ns的漏電容會(huì)增加額外的3A電流。

圖4：一個(gè)電感開關(guān)變換的V-I關(guān)系曲線顯示出漏極偏置電壓較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)量可觀的電流。FET漏電容的放電增加了額外的通道電流，例如，60V/ns的50pF電容值會(huì)增加3A電流。

硬開關(guān)期間，高Vds時(shí)充足的FET通道電流會(huì)導(dǎo)致熱載流子生成，正因如此，器件需要穩(wěn)健耐用。此外，大器件陣列會(huì)遇到不一致的開關(guān)，這有可能會(huì)使器件電流涌入最先接通的那一部分器件陣列，并且超過本地額定值。高dv/dt開關(guān)還會(huì)錯(cuò)誤地將電容電流引入器件的某一區(qū)域，比如說端子。需要完成可靠性測(cè)試，特別是在需要確保器件在硬開關(guān)應(yīng)用中的穩(wěn)健耐用性時(shí)更是如此，并且可靠開關(guān)安全工作區(qū) (SOA) 限定了器件的用戶使用條件。

為了驗(yàn)證硬開關(guān)穩(wěn)健耐用性，TI已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)基于簡(jiǎn)單升壓轉(zhuǎn)換器的電感開關(guān)單元(圖5)。根據(jù)JEDEC建議 [7] 進(jìn)行選型，即“取決于故障模式和所關(guān)心的機(jī)制，由于實(shí)際產(chǎn)品復(fù)雜度有可能會(huì)掩蓋固有的故障機(jī)制，所以試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵苍S更受歡迎。”

圖5：針對(duì)電感開關(guān)應(yīng)用測(cè)試的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

當(dāng)GaN FET關(guān)閉時(shí)，電感器電流通過一個(gè)二極管再次流至輸入端，這就免除了對(duì)負(fù)載電阻器的需要，并且能夠達(dá)到節(jié)能的目的。這個(gè)單元與處于連續(xù)電流模式下的電感器一同運(yùn)行。由于目標(biāo)是開關(guān)變換，通過使用短占空比，可以達(dá)到節(jié)能的目的。這個(gè)元件能夠改變施加的電壓、電流、頻率，以及器件所處環(huán)境的溫度。額外的漏電流(圖4)由二極管電容提供。

可以按照需要增加額外電容。這個(gè)元件還具有一個(gè)硬件，可以在開關(guān)變換的1微秒后測(cè)量器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻 (dRds-on)。由于dRds-on會(huì)隨著應(yīng)力而增加，從而導(dǎo)致導(dǎo)電損耗增加、效率降低，因此這個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)視功能是很有必要的。在一個(gè)產(chǎn)品中，不斷增加dRds-on將導(dǎo)致過多的器件自發(fā)熱和過熱故障。由于Rds-on性能下降會(huì)恢復(fù)，不太可能通過將應(yīng)力停止，在“上拉或下拉點(diǎn)”上獲得這些數(shù)據(jù)。監(jiān)視這個(gè)關(guān)鍵GaN故障參數(shù)使我們能夠避免發(fā)布的產(chǎn)品出現(xiàn)這個(gè)問題。

除了電感開關(guān)測(cè)試，GaN多芯片模塊需要在系統(tǒng)中進(jìn)行評(píng)估，并且在實(shí)際的產(chǎn)品使用條件下運(yùn)行。這樣可以驗(yàn)證與其它系統(tǒng)組件的交互作用，并且暴露出未知的故障機(jī)制。即使單個(gè)組件是可靠的，它們之間的交互作用也可能會(huì)在意料之外。例如，在一個(gè)共源共柵GaN器件中，通過GaN器件漏源電容的電荷耦合會(huì)使得硅共源共柵器件在關(guān)閉變換期間出現(xiàn)雪崩擊穿 [11]。

有必要專門來說一說雪崩擊穿的耐受性。目前，GaN HEMT并未顯現(xiàn)出雪崩能力。由于GaN本身是支持雪崩的，所以這也許會(huì)隨著技術(shù)成熟而得以改進(jìn) [12]。與此同時(shí)，我們正在設(shè)計(jì)具有足夠裕量的TI產(chǎn)品，來解決遇到的過壓情況。例如，在PFC應(yīng)用的情況下，如果電力線被閃電擊中時(shí)， FET上的電壓有可能瞬時(shí)上升到高達(dá)700V。對(duì)于這個(gè)應(yīng)用，將制造能夠至少耐受750V尖峰電壓的GaN器件。

結(jié)論

德州儀器 (TI)在硅產(chǎn)品質(zhì)量鑒定方面擁有長(zhǎng)期的專業(yè)知識(shí)積累，我們將這些專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于GaN的質(zhì)量鑒定方面。這就需要重新學(xué)習(xí)基本原理，以理解硅質(zhì)量鑒定過程的起源，以及根據(jù)GaN特定故障、激勵(lì)能量和加速因子來創(chuàng)建測(cè)試。它還涉及針對(duì)相關(guān)應(yīng)用中GaN的質(zhì)量鑒定，其方法是在一個(gè)特殊電感開關(guān)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞M(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，并且在實(shí)際產(chǎn)品配置中運(yùn)行部件。

如需進(jìn)一步了解TI的GaN解決方案，敬請(qǐng)?jiān)L問：

http://www.ti.com.cn/tihome/cn/docs/homepage.tsp

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12. I. Kizilyalli等，“具有雪崩功能的高壓垂直GaN p-n二極管，”關(guān)于電子器件的IEEE學(xué)刊，v.60，n.10，p.3067，2013年