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(kāi)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(shū)的主題恰恰是GaN器件質(zhì)量鑒定。

 

 

由于有超過(guò)30年的經(jīng)驗(yàn)，并且經(jīng)過(guò)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(lái)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(kāi)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(wú)線基站內(nèi)，并且其可靠性已經(jīng)得到驗(yàn)證。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(lái)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。

 

 

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(wèn)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(wèn)存儲(chǔ)器 (FRAM) 等非硅材料技術(shù)。在通過(guò)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)。

 

 

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(wèn)題比較常見(jiàn)，所以這個(gè)相似性也就凸現(xiàn)出來(lái)。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(lái)說(shuō)，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 。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(méi)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。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(shuō)，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”。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(wú)法加快有效故障機(jī)制。

 

對(duì)于硅FET來(lái)說(shuō)，已經(jīng)在很多年的實(shí)際使用過(guò)程中建立起來(lái)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(kāi)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(wú)法耐受雪崩能量。也就是說(shuō)，器件將在被擊穿時(shí)損壞。這是一個(gè)需要解決的問(wèn)題，特別是對(duì)于功率因數(shù)校正 (PFC) 電路等高壓應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(guò)壓事件的影響，比如說(shuō)電力線路上的閃電尖峰放電。

 

 

JEDEC和AEC標(biāo)準(zhǔn)均基于健全完善的基本原理，不過(guò)技術(shù)上比較落后。雖然通過(guò)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(shuō)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EA = 1.05eV下的687到EA = 2.5eV下5百萬(wàn)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(guò)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)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(guò)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(kāi)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(wú)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(lái)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(lái)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(guò)多，并且會(huì)過(guò)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(guò)減少通道層中的電子數(shù)量來(lái)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(mén)的硬件來(lái)監(jiān)視應(yīng)力測(cè)試過(guò)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(méi)有這方面的問(wèn)題。

 

 

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(kāi)關(guān)應(yīng)力不同于DC應(yīng)力。硬開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器具有電感開(kāi)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(guò)程。它還需要在Vds下降時(shí)承載器件放電輸出和開(kāi)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(kāi)關(guān) (FET1) 上硬開(kāi)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(kāi)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?/div>