確定GaN產(chǎn)品可靠性的綜合方法

簡介

由于有超過30年的經(jīng)驗，并且經(jīng)過不斷改進(jìn)，這個行業(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。這種長期的用戶體驗已經(jīng)形成了一整套成熟的質(zhì)量鑒定法方法體系；在這個方法體系中，可靠性和質(zhì)量由運行標(biāo)準(zhǔn)化測試進(jìn)行認(rèn)證。這些測試來源于故障模式理解、激勵能量和加速因子方面的深入研究，以及推測使用壽命、故障率和缺陷率的統(tǒng)計與數(shù)學(xué)框架的開發(fā)。由于數(shù)代硅產(chǎn)品可以在實際使用條件下，實現(xiàn)真正使用壽命內(nèi)的正常運行，這個質(zhì)量鑒定方法體系現(xiàn)在已經(jīng)被證明是有效且實用的。

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)得到驗證[1]。雖然基于相似的基本原理，功率GaN HEMT在實現(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，它需要是一個增強模式 (e-mode)，或者是常關(guān)器件。

主要有三種架構(gòu)：

1. 與一個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)量鑒定方法是一個有價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)品推向市場方面具有長期的經(jīng)驗，其中包括鐵電隨機訪問存儲器 (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)測試，把可靠的GaN產(chǎn)品推向市場方面，我們具有很大的優(yōu)勢。

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(JEDEC)；和汽車電子協(xié)會(AEC)[2, 3, 4, 5]。這些標(biāo)準(zhǔn)指定了很多測試，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強制的操作標(biāo)準(zhǔn)，所以ESD標(biāo)準(zhǔn)不太可能會發(fā)生變化。封裝測試與那些針對硅芯片、已經(jīng)完成的測試相類似，需要找到導(dǎo)致故障的根本原因，以強調(diào)意外的故障機制。之前在硅芯片中使用的后端處理也同樣用于GaN，在這個背景下，由于封裝應(yīng)力、結(jié)合表面相互作用等問題比較常見，所以這個相似性也就凸現(xiàn)出來。然而，這個器件類別是全新的，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。

對于硅芯片質(zhì)量鑒定來說，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力下的運行時間為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運行時間所受應(yīng)力等于Tj = 55°C情況下，9年運行時間內(nèi)所受應(yīng)力。器件在它們的最大運行電壓下進(jìn)行質(zhì)量鑒定。對于分立式功率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)量鑒定測試條件下，沒有內(nèi)置的電壓加速；電壓加速只由溫度實現(xiàn)。由于Tj在55°C以上，通常情況下高于75°C，這一點會對功率器件產(chǎn)生巨大影響。

這個標(biāo)準(zhǔn)還指定了3個批次的產(chǎn)品，每個批次有77個部件，不應(yīng)在應(yīng)力下出現(xiàn)故障。231個部件中的零故障標(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，在推測的應(yīng)力條件下，一個批次內(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個部件的零故障結(jié)果中得出。

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

對于硅FET來說，已經(jīng)在很多年的實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)確定它們的動態(tài)測試可以預(yù)測實際使用的運行情況。因此，需要開發(fā)出應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)力測試，可以在實際使用條件下驗證可靠性。

最后，需要注意的一點是，GaN無法耐受雪崩能量。也就是說，器件將在被擊穿時損壞。這是一個需要解決的問題，特別是對于功率因數(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)量鑒定是一件有價值的、里程碑式的重大事件，但是用戶需要一個能夠在實際使用條件下，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)出世界上不同實驗室和公司內(nèi)器件、工藝和材料間的差異。這個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)的激勵能量。

將實際運行中的結(jié)溫考慮在內(nèi)也很重要。由于其所具有的寬帶隙，相對于硅材料，GaN能夠在更高的溫度環(huán)境中運行。這一點對于電力電子產(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（這是一個針對標(biāo)準(zhǔn)封裝的實際限值），有可能將這個時間增加到1.1年。在這個情況下，應(yīng)力測試并不符合現(xiàn)場等效使用壽命，或者解算出大約50 FIT的最大FIT率條件。然而，它的確是一項可靠且高質(zhì)量的里程碑式的測試方法。

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

表1：不同應(yīng)力參數(shù)對可靠性和質(zhì)量推測數(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。一個特別的故障就是動態(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]。電荷會在施加高壓時被誘陷，并且不會在器件接通時立即耗散。

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，并且會使得器件自發(fā)熱量過多，并且會過早地出現(xiàn)故障。

圖1：一個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，陷獲密度會隨著器件老化而增加，從而使得動態(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)力測試過程中的動態(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)測試

雖然DC測試方法在對大量部件進(jìn)行測試時相對簡單，它們也許不能預(yù)測GaN是否在實際應(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，在這個期間，器件同時受到高電流和高壓的影響。由于FET通道需要漏電壓，Vds，下降前灌入整個電感器電流，并且對那個節(jié)點上的其它器件進(jìn)行反向恢復(fù)放電，接通變換是一個應(yīng)力最高的過程。它還需要在Vds下降時承載器件放電輸出和開關(guān)節(jié)點電容內(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關(guān)閉，所以關(guān)閉的應(yīng)力相對較低。

器件應(yīng)力由使用圖2中所示拓?fù)?/strong>的升壓轉(zhuǎn)換器顯示。圖3中顯示的是初級側(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）。在這個情況下，當(dāng)FET1關(guān)閉時，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，它需要在Vds開始下降之前灌入整個電感器電流（區(qū)域A）。