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提高GaN和SiC的可靠性

为什么这些芯片越来越受欢迎,还有哪些问题需要解决。

受欢迎程度

的供应商氮化镓(甘)和碳化硅(SiC)电力设备正在推出下一波具有一些令人印象深刻的新规格的产品。但在这些设备被纳入系统之前,它们必须被证明是可靠的。

与之前的产品一样,供应商很快指出,新器件是可靠的,尽管GaN和SiC偶尔会出现一些问题。此外,对于汽车等最新的关键任务应用来说,这些设备的可靠性要求越来越具有挑战性。为了应对这些挑战,这些设备可能需要更多甚至新的可靠性测试方法。

对可靠性的担忧在半导体行业并不新鲜,随着汽车中先进半导体含量的持续增加,以及芯片被用于数据中心等更关键的应用,这种担忧最近也在增长。与此同时,由于各种因素,所有电路都会随着时间的推移而磨损。关键是能够预测和防止故障,并确定特定部件的可接受的操作条件范围。

“可靠性是指到故障的平均时间。克里族/ Wolfspeed.“我们通过大量加速寿命测试来表征可靠性。测试失败。你可以计算出加速因子是什么,这样你就可以回到正常情况下,预测寿命。当我谈到可靠性时,我指的是设备的基本物理特性。质量是不同的。质量是指百万分之几或十亿分之一的质量。”

所有设备类型都经过可靠性测试,包括功率半导体。电源元件是专门的晶体管,可提高效率,最大限度地减少汽车、电源、太阳能和火车等高压应用中的能量损失。半动力装置就像系统中的开关,允许电力在“开”状态下流动,并在“关”状态下停止。

功率半芯片分为两个阵营——硅和宽带间隙。硅基器件已经成熟,可靠性问题已经得到理解。相比之下,GaN和SiC功率半晶片基于宽带间隙技术,比硅更高效,击穿电场强度更高。但氮化镓和碳化硅是具有不同特性的新技术。因此,客户可能希望更深入地了解这些技术的可靠性问题。

什么是幂半?
功率半导体应用于电力电子领域。使用固态设备,电力电子控制和转换系统中的电力。这些产品包括汽车、手机、电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。

功率半导体在转换过程中起着关键作用。有不同类型的功率半表,每一种都用一个带“V”或电压的数字表示。“VDSS中的‘V’是允许的最大工作电压,或漏源极电压规格,”高效电源转换(EPC)首席执行官Alex Lidow解释道。“‘DSS’这个术语的意思是‘漏源’和‘闸门’。”

功率半导体市场由硅基器件主导,但GaN和SiC正在取得重大进展。硅基器件包括功率mosfet、超结功率mosfet和绝缘栅双极晶体管(igbt)。

功率场效应管用于低电压10至500伏的应用,如适配器和电源。超结功率mosfet用于500至900伏的应用。与此同时,igbt是领先的中端功率半导体器件,用于1200伏至6.6千伏的应用。

igbt和mosfet已经成熟且价格低廉,但它们也已达到极限。这就是GaN和SiC的用武之地。这两种宽带隙技术使器件具有更高的效率和更小的外形尺寸。例如,SiC的击穿电场强度是硅的10倍,带隙是硅的3倍。GaN超越了这些能力。


图1:电源开关的分类。来源:英飞凌

SiC正在进军多个市场,尤其是汽车市场。“碳化硅器件更小的外形尺寸和性能对电动汽车和混合动力电动汽车动力系统应用具有吸引力,”David Haynes说,战略营销董事总经理林的研究

GaN在汽车、数据中心和其他市场的吸引力越来越大。Haynes表示:“由于其在高频下的优异性能,它非常适合解决快速充电解决方案中的高容量应用。”

可靠性对所有动力半发动机都很重要。任何设备的目标都是实现零故障。在运行中,设备可能工作一段时间,也可能永远工作。但有时,产品可能会磨损或失效。

为了确保产品的可靠性,供应商多年来一直遵循相同的步骤。它们是:

  • 仅仅根据规格表测试设备是不够的,所以供应商在设备上运行各种加速测试。通常,目标是导致设备故障。
  • 然后,供应商搜索故障机制并解决任何潜在的问题。
  • 从那里,模型被开发出来。

“一旦得到加速应力下的寿命,已知的加速模型就可以用来预测正常应用应力下的产品寿命,”功率半晶片供应商Alpha和Omega半导体公司表示。

然而,事情并没有那么简单。设备要经受一连串的加速测试。例如,高温反向偏差(HTRB)是一种常见的测试。HTRB检测器件在温度下的结退化。为此,器件被放置在专门的HTRB老化测试系统中,然后经受高压和高温。

这只是众多测试之一通常,这些测试满足各种可靠性标准的要求,如AEC-Q101和其他标准。AEC-Q101定义了给定部件的最小压力测试。

碳化硅和可靠性
每一种功率半型都是不同的。例如,功率MOSFET是垂直结构。源和门在设备的顶部,而漏在底部。当施加正栅极电压时,在源极和漏极之间形成通道。

在最新的设备中,“栅极氧化物变得越来越薄;因此,电场变得越来越高,”阿尔法和欧米茄半导体公司表示。

随着时间的推移,栅极氧化物可能在mosfet中降解。通常,这种现象背后的失效机制被称为时间依赖性介电击穿(TDDB)。当栅极氧化物经过一段时间的磨损后发生TDDB。

为了测试该结构的可靠性,该设备被放置在专门的TDDB测试系统中,然后进行应力测试。TDDB和其他失效机制在mosfet中很好地理解。

碳化硅(SiC)是一种基于硅和碳的化合物半导体材料,但情况并不总是如此。SiC器件用于600伏特到10千伏的应用。电动汽车是SiC器件的最大市场,其次是电源和太阳能逆变器。

有两种碳化硅器件类型-碳化硅mosfet和二极管。SiC mosfet是功率开关晶体管。碳化硅二极管在一个方向上传递电流,并在相反的方向上阻挡它。

这些器件是在150mm的晶圆厂生产的,尽管200mm的晶圆厂正在研发中。在生产流程中,开发了碳化硅衬底。外延层生长在衬底上,然后加工成器件。

在流动过程中,SiC衬底容易产生缺陷。“基材的成本、可用性和质量仍然是一个挑战,”Lam的Haynes说。“但晶圆和外延的缺陷正在改善。”

一旦晶圆在晶圆厂加工,它们就会被切丁和包装,这是一个困难的过程。“碳化硅是地球上第三硬的复合材料,”公司产品营销总监孟Lee说Veeco.由于碳化硅的高硬度和脆性,制造商面临着周期时间、成本和切丁性能的挑战。”

尽管面临挑战,SiC供应商多年来一直在提供可靠的产品。Cree的Palmour称:"一段时间前,人们对碳化硅的基本可靠性存在很多担忧。"“我们已经度过了那个阶段。如果我们不能表现出基本的可靠性,就不会有任何汽车或工业客户。”

尽管如此,供应商仍然密切关注这些问题。Palmour说:“由于几个原因,实现碳化硅的基本可靠性肯定更难。”“在硅中,它的特征很明显。你设计它,把它放在工厂里,然后做质量测试。你只是假设它是可靠的。在碳化硅中,你不能这样假设。你必须了解失败机制是什么。”

可靠性在所有市场中都很重要,尽管有些市场有更严格的规格。例如,在考虑安全的地方,标准就高得多。汽车的可接受故障率在十亿分之一(ppb)范围内。

实现足够的可靠性始于设计阶段。然后,一旦设备被开发出来,它们就要接受各种加速测试。设备进行湿度、电源循环、温度、电压等压力测试。

描述每一项测试都需要大量的资料。但总的来说,碳化硅器件存在两个主要的可靠性问题——栅极氧化物和阈值电压稳定性。

与功率mosfet一样,SiC器件是垂直器件。SiC使用与mosfet相同的栅氧化物材料,二氧化硅,但SiC器件工作在更高的内部场。因此,在使用过程中,栅极氧化物材料的使用寿命可能会缩短。

一般来说,栅极氧化物问题在SiC中得到了理解。TDDB是这里的失效机制。“当设备阻塞高压时,阻塞状态也有寿命限制。在这种情况下,失效点通常是氧化物看到来自SiC的最高电场的地方。这些机制中哪一种主导寿命取决于正在制造的设备设计,”Palmour说。

尽管如此,栅极氧化物的问题已经基本解决了。他说:“这是很久以前人们最根本的担忧之一。”“如果你的设计正确,你就可以绕过这个问题。”

不过,确保栅极氧化物的可靠性还是很重要的。为此,Cree使用高温门偏置(HTGB)和TDDB进行状态测试。HTGB是一种老化测试,用于应力栅氧化物。此外,Cree使用HTRB来确定阻塞生命期。

虽然这个问题在很大程度上已经得到解决,但业界可能希望降低栅极氧化物的早期TDDB故障概率。英飞凌工程师Thomas Aichinger在最近的一篇论文中表示:“为了使SiC mosfet与(硅)同类产品一样可靠,必须在加工过程中最大限度地降低栅氧化缺陷密度,并实施巧妙的筛选技术,以识别和消除潜在的弱器件。”

为此,英飞凌最近介绍了一种名为“马拉松压力测试”的新程序。英飞凌的测试能够并行地强调3 x 1,000 SiC mosfet。设备包装安装在单板上。应力测试是在高温的熔炉中进行的。

“区分传统的TDDB测试、传统的HTGB测试和我们新的马拉松测试是很重要的。这三种都是对栅氧化层的压力测试,但它们调查的是不同的失效机制,”Aichinger说。“马拉松测试与TDDB测试非常相似;然而,有两个重要的区别。首先,与TDDB测试相比,马拉松测试以更低的栅极偏压进行,因为它的目标是仅检测由关键的外部栅极氧化物畸变引起的早期设备故障。大多数设备,即没有关键外部器件的设备,在马拉松测试中不会出现故障。其次,在马拉松式测试中,需要测试的设备数量要大得多(通常是>1000台)。这是因为具有外部栅极氧化物畸变的器件通常很少见,测试大量的器件可以增加发现一些器件的机会,这对于验证特定的外部GOX FiT率是必要的。”

除了栅极氧化物,碳化硅的另一个大问题是阈值电压不稳定。Cree的Palmour说:“MOSFET的阈值电压可以根据偏置而移动。”“这是一个众所周知的现象,每个人都在看。”

阈值电压不稳定是由一种称为偏置温度不稳定(BTI)的故障机制引起的。BTI是晶体管的一种退化现象。

HTGB是测试该问题的一种方法,尽管这仍是一项正在进行的工作。SiC行业正在JEDEC JC-70小组中讨论这些问题和其他问题。这个小组的目标是设计一个标准的测试技术,并统一竞技场中的各种规格。

这在汽车行业尤为重要,因为整车厂要求设备零缺陷。“碳化硅的基本可靠性已经得到了证明,它很好。现在,它是关于如何防止逃跑,早期失败和类似的事情。”“我们现在进入汽车行业所面临的挑战是满足您对汽车设备的高质量期望。他们想知道到失败的平均时间是多少。他们还关心ppm或ppb的不良率。”

这反过来需要一系列缺陷检查和筛选步骤。和可靠性测试一样,这也是一个具有挑战性的过程。

氮化镓的问题
与此同时,GaN,一种二元III-V材料,用于led,功率半器件和RF器件。基于gan的功率半模块应用于汽车、数据中心、军事航空航天和其他应用。GaN功率半电压范围从15到900伏。

GaN器件是在150mm晶圆厂制造的。在EPC的GaN流中,薄层氮化铝(AlN)沉积在衬底上,然后是GaN层。在结构上形成源极、漏极和栅极,形成横向GaN器件。

GaN还没有SiC成熟,存在一些问题。该公司高级副总裁凯文•克罗夫顿表示:“我们听说,在后来的生产线上,有缺陷导致了可靠性问题心理契约.”金属流程和后续步骤会产生颗粒,目前的检测工具并不总是能够发现这些颗粒。我们听说设备制造商正在要求更好的复合半导体材料。这一切都是为了学习,但我们的感觉是,材料供应和质量正在改善。”

因此,客户往往会对GaN的可靠性提出更多的问题。“GaN一直非常可靠,”EPC的Lidow说。“在1230亿小时内,我们只发生了3次故障。这大约比mosfet好两个数量级。但因为它相对较新,所以人们提出了很多问题。”

然而,与所有功率半器件一样,GaN器件要经受不少于9种可靠性应力条件的考验。每个条件都有一个测试。仅举一个例子,器件中的栅电极经受压力测试。为此,供应商使用HTGB测试。通常,TDDB是这里的故障机制。更具体地说,氮化硅层可能会失效,而GaN层不会。

这个问题很好理解。然而,对于GaN器件,动态导通电阻是最大的问题。“他们过去称之为‘电流崩溃’,因为设备的导通电阻将达到无穷大。一旦GaN器件商业化,导通电阻的变化幅度就会大大降低,”Lidow说。

动态导通电阻有问题。例如,GaN部件可能具有1毫欧姆的规格。但在现场工作100小时后,相同的部件可以变成10毫欧姆的设备。

一段时间以来,业内认为动态导通电阻是由一种称为热载流子注入(HCI)的失效机制引起的。“实际情况是,如果你发送一个电子穿过一个非常高的电场,它会获得很多能量。就像从枪里被射出来一样。它变成了一个能量很高的电子。它有足够的能量穿透你设备的某些层并被困住,”利多说。

测试这种情况的传统方法是HTRB。然而,在许多方面,HTRB仍有不足。作为回应,EPC开发了一种专有的显微镜技术。它提供了当高能电子被捕获时发射光子的视图。利用该技术,EPC找到了解决HCI问题的方法。

其他问题也会浮出水面。例如,EPC最新的GaN器件具有新的突破性的功率密度。“当我们将功率密度提高300倍时,我们将找到新的故障机制。第一个问题是电迁移传导层的限制。我们的新设计是EM有限的,所以我们将不得不创新我们的物理方法。一种方法是在同一个芯片上集成多个功率器件。这样做,实际上可以减少通电和断电端子的数量。这些是受新兴市场限制的,”Lidow说。

“第二个挑战是增加设备内部的电场,”他说。“设备的大小与峰值电场成反比。如果我们能够容忍与GaN的临界击穿场相等的峰值电场,我们就可以将我们的设备缩小约100倍。问题是通过将峰值场保持在一定限度以下来消除动态导通电阻。我们需要弄清楚如何在不重新引入动态导通电阻的情况下增加峰值场。解决方案包括改善材料质量,改善介电质量,改进器件设计,以及我们尚未发现的一些事情。”

结论
显然,GaN和SiC器件是很吸引人的技术。该行业才刚刚开始了解它们的潜力和特性。

这就是为什么这项技术正在进入市场,而且主要是以牺牲更传统的技术为代价的。

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2的评论

凯文 说:

优秀的文章,也令人着迷。多谢。

大卫利瑞 说:

可以理解的是,这些材料中的晶体管不稳定性是由与硅晶体管相同的机制(BTI + HCI)驱动的。这表明,使用这些材料的电路将受益于硅集成电路工业开发的防老化设计和生产测试保护带方法。

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