GaN功率半片的检测与测试

随着对新型汽车纯电动汽车(bev)需求的升温，汽车制造商正在寻找解决方案，以满足功率半导体严格的零缺陷目标。氮化镓(甘)和碳化硅(SiC)宽带隙功率半导体为汽车制造商提供了一系列新的电动汽车解决方案，但如何满足汽车行业严格的质量目标仍是一个问题。

其中最大的问题是功率IC制造商如何保证接近100%的可靠性，而汽车半导体的缺陷可能是最低的。使新发展更加复杂的是，需要大幅降低这些芯片的成本，以使电动汽车对普通消费者更具吸引力，制造商开始通过从目前的150毫米晶圆转向更大的200毫米晶圆来解决这个问题。

对于那些成功击中“甜蜜点”的人来说，回报将是巨大的扩大GaN应用范围适用于电动汽车，以及许多其他消费类和智能手机快速充电应用。Yole Développement最近的一份报告估计，到2026年，仅GaN消费者手机电源市场就将达到5.97亿美元，2020-2026年的复合年增长率为72%。随着苹果公司最近发布了140W MagSafe充电器，研究公司TrendForce表示，预计到2025年，GaN解决方案在快速充电市场的渗透率将达到52%。

由于目前所有的GaN功率器件都是横向的，而不是垂直的，因此在应用需要更高电压的情况下，SiC更有意义。增加击穿电压还需要相应的更大的模具面积和更厚的epi层，George Liang指出，该公司产品和系统工程主管开关电源和电池供电应用英飞凌科技．

Yole化合物半导体和新兴基板技术和市场分析师Taha Ayari表示，GaN在不同市场的渗透率将根据每种应用的要求而有所不同。“总的来说，GaN器件剩余的挑战是可靠性和性能接受度，价格竞争力，以及用于高功率应用的高压器件的开发。其中一个主要障碍仍然是GaN层在硅衬底上的外延，晶格不匹配，以及两种材料之间的热膨胀系数不匹配，这在GaN层中产生了致命缺陷。所以它需要一个复杂的缓冲层和后处理层。”

Ayari指出，外延通常与制造商开发的内部工艺有关，使得外延标准化相当棘手。此外，价格压力和更高的产量需求正推动行业从传统的6英寸平台向8英寸平台过渡，这将需要更多外延开发，以实现一致性和更高的产量。

GaN在最高电压上有实际限制，应用限制在900V。今年4月，Imec和沉积设备供应商爱思强(AIXTRON)的研究人员宣布了一项成功的研究GaN缓冲层外延生长的演示适用于200mm QST基板上的1200v应用，硬击穿超过1800v。如果这一发展被证明是可行的，它将在电动汽车中开启更高电压的GaN应用，而以前只有基于sic的技术才有可能实现。

生产、测试、检验问题
Yole的技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane指出，如今，生长在Si或蓝宝石衬底上的主要横向GaN HEMT仍然容易受到表面击穿和栅极漏电流的影响，因此一些厂商正专注于低电流和650V左右的电压。他说:“对于更高的电压(>1,200V)，其他新兴的衬底是有吸引力的，例如SOI, QST(该衬底用于IMEC的演示)，或允许垂直GaN器件的块状GaN。”“然而，这些新兴基材的供应链仍在发展中，产量低，价格高，最终用户可能需要一段时间才能采用新技术。”

关键的制造障碍仍然存在于GaN-on-Si和GaN-on-sapphire的生产。“随着GaN在消费者中的采用，需要大规模生产和更低价格的更高产量。这意味着向更大晶圆尺寸的过渡，”Ben Slimane补充道。“截至2021年，一些厂商拥有8个GaN-on-Si晶圆厂(Innoscience和X-fab)，或计划在未来几年转移到8个GaN-on-Si晶圆厂(英飞凌、Nexperia和台积电)。另一方面，GaN外延和工艺在厚度和Al成分均匀性、弯曲和翘曲以及良率损失等方面存在技术挑战。对于GaN-on-sapphire，根据行业反馈，它不太可能移动到8”;6“将很可能仍然是GaN-on-sapphire的主流平台，只有Power integration作为主要参与者。”

与其他半导体一样，GaN栅退化仍然是工艺层面需要克服的主要障碍之一。Ben Slimane说，制造商依靠检验技术来开发和鉴定他们的产品。

GaN设备制造商也面临着测试和检查问题。

“功率半导体是一个领域，在汽车，突然之间，你需要零缺陷，”英戈施密茨，技术营销人员布鲁克纳米表面．“他们有所有这些需求，而过去非常简单的设备，比如mosfet，过去非常便宜，以至于你买不起计量设备。今天，情况不同了。”

安全关键的可靠性要求为这些市场中使用的所有芯片增加了挑战，特别是那些涉及新材料的芯片，同时也为能够帮助解决这些挑战的公司带来了机遇。该公司执行副总裁Oreste Donzella表示:“在汽车行业，芯片在晶圆级、芯片级和封装级都要经过多次测试心理契约的电子、包装及元件组。“然后你做老化，你做可靠性测试，你再次测试，然后你有记录。但是当你撞车时，你的安全气囊仍然可能失效，因为安全气囊控制芯片不起作用。这是因为潜在的缺陷逃避了测试，因为测试不是100%有效，或者因为这些故障在非常恶劣的环境中运行时被激活。”

这就是事情变得具有挑战性的地方，因为防止这类缺陷所需的测试和检查的数量正在增加。这些过程需要更长的时间，成本更高，产生的数据太多，需要高级分析来识别问题。即使到那时，也很少有历史和数据来比较GaN和碳化硅等材料。

Donzella表示:“我们通过在晶圆厂检查和测试中进行更智能的抽样，帮助汽车行业寻找潜在的缺陷。”“这就是I-PAT(内联缺陷部件平均测试)的适用范围，因为这些电动汽车材料缺乏成熟度和数据。我们将它们与硅的结果进行了对比，但它们与硅的结果不同。”

图1:识别潜在的缺陷。来源:解放军的

对缺陷的大小进行分类是必要的。Ben Slimane表示:“在外延层面，早期检测致命缺陷，并在不同外延失效机制和动态RdsON之间建立联系，有助于隔离错误的模具或晶圆，改善过程控制，从而降低成本和节省时间。”有几种技术，如光学技术，可以用于缺陷检测。最常见的是光致发光和x射线，用于计量检测涂层均匀性，铝成分和缺陷。在器件层面，老化和随时间变化的介电击穿(TDDB)被用于测试器件的可靠性。”

尽管GaN在许多应用中已经证明了可靠性，但测试方法仍然需要标准化。Ben Slimane说:“很难提供一个对所有设备都通用的测试条件，因为不同的结构由于不同的机制而容易发生故障。”“在这种背景下，JEDEC标准和AEC-Q101汽车认证正在适应新的测试方法，这对于制定测量内容和如何测量的指南至关重要。此外，公司正在开发内部数据库或基于物理的模型，以满足汽车oem和tier -1等对可靠性有更高要求的客户。”

尽管如此，GaN市场仍在继续增长。例如，高效功率转换公司(EPC)提供的GaN器件据称已被用于100多种新兴应用。EPC首席执行官亚历克斯·利多(Alex Lidow)认为，对于大多数应用来说，硅基氮化镓已经超过了临界点。

利多说:“现在几乎没有制造障碍了。”“GaN器件与硅器件在标准制造设施中使用标准设备并排生产。随着新一代设备的可用，成本将显著下降的一个领域是MOCVD GaN异质结构的外延生长。GaN器件仍远未达到其理论性能极限，因此随着边界越来越远离老化的硅MOSFET，新的制造挑战可能会出现。”

过渡到200mm
目前，更大的晶圆仍然是一个挑战，但该行业已经开始从150毫米晶圆过渡到200毫米的GaN生产。“GaN和硅基器件确实在电源和射频应用中得到了很好的建立，”David Haynes说，他是美国半导体公司客户支持业务集团战略营销董事总经理林的研究．“但这主要是在6英寸或更小的晶圆上，在许多基于gan的设备的情况下，在蓝宝石和SiC等基板上。”

Haynes表示，向200mm晶圆加工的强劲转变正在进行，这将增加这些技术与主流半导体加工的兼容性，并提高其在更先进或更大批量应用中的经济性。“SiC正在向200mm转移，随着200mm晶圆成本和可用性的提高，产量将在未来两到三年内大幅增加。”

然而，这更多的是一种经济优化，而不是根本性的变化。“GaN已经在量产，”英飞凌的梁指出。“所以没有真正的障碍，而是在不断改进。转向200毫米的生产将是一个关键的里程碑。蓝宝石是英飞凌考虑过的一种可行的衬底，但由于其导热性差等问题，目前尚未投入使用。”

可靠性和成本是广泛采用GaN功率器件的障碍。他说:“直到最近，我们的原始设备制造商在采用GaN的方法上一直相对谨慎。”“在考虑任何新技术时，人们总是会担心可靠性或其他未知因素。但随着行业标准的出现(如JEDEC)，以及试点项目证明了原始设备制造商的价值和可靠性，在过去一年中，采用速度显著加快。特别是在便携式充电器/适配器产品领域，似乎每周都有新的高性能gan适配器发布。我们相信，这是一个转折点，将导致更保守的工业部门也采用这种技术。”

Navitas半导体公司在硅上生产氮化镓，使用普通硅晶圆来节省成本。Navitas负责市场营销和投资者关系的企业副总裁Stephen Oliver说:“我们所做的，以及在GaN世界中几乎所有人所做的，都是在硅上进行GaN。“我们从一个标准的商品硅晶圆开始，它要几十美元，而碳化硅晶圆的价格是它的20倍，然后我们把非常薄的氮化镓薄片沉积在上面，然后所有的动作都在那非常小的一层里。”

Oliver说，GaN层约为5um，硅基晶圆约为1000um。“GaN真正酷的地方在于，它是一种非常先进的材料，但你可以在非常旧的设备上制造它。”

Navitas目前在6英寸设备上生产硅基氮化镓。“我们的代工合作伙伴台积电(TSMC)说他们将生产8英寸芯片，但现在我们在晶圆上的芯片数量是硅芯片的5倍，因为每平方面积的性能和传导，同时还包括我们做功率IC的事实。所以我们有门驱动、ESD保护二极管、电平漂移、电流传感和自主保护。”这是一个真正强大的集成电路。”

向8英寸设备的过渡即将到来。“我猜可能还要一两年，”奥利弗说。“但时间并不长。”

氮化镓的未来
Transphorm公司的总裁Primit Parikh认为，GaN器件在很大程度上消除了产品、质量和制造风险，“这就是为什么你看到GaN在这些领域被广泛采用的原因——从几家低功率快速充电器制造商，特别是Transphorm公司在高功率领域。也就是说，GaN作为一种半导体材料还有很多可以提供的。在Transphorm，我们拥有持续的技术和产品路线图，使GaN更接近其最终材料极限的潜力，这是目前性能的几倍。

Parikh补充说:“此外，尽管有很多讨论，但除了Transphorm之外，可行的更高功率GaN的可用性有限，除非有其他公司的一些产品。”“市场将受益于更多拥有可靠产品的供应商，就像SiC市场一样。我们的目标是继续在我们参与的每个细分市场中占据主导地位或跻身前几名。”

Parikh说，对于未来的器件，GaN的基本性能(给定半导体尺寸的电压维持)相当高，与SiC相似。“对于实际的横向GaN器件，高达1200v的应用(需要在1500到1800v左右击穿)完全符合发展蓝图。在判断硬击穿电压出版物时，需要注意的是开关功能。你可以通过糟糕的开关得到尽可能高的故障，这在真正的设备中是没有用的。Transphorm团队非常了解这一点，并进行了相应的设计。例如，几年前，我们在ARPA-E项目下展示了1800v +击穿双向设备，所以这当然是可以实现的。”

Parikh表示，Transphorm目前有多个GaN平台正在生产或开发中。Parikh说:“Transphorm已经在市场上推出了900v的硅基GaN器件，我们还在研发1200 v的GaN器件，在可预见的未来，GaN-on-GaN在实际电力器件中没有需求。”“总的来说，作为一名企业家和GaN的粉丝，我不想放弃任何东西，所以所有的力量都要给那些追求GaN-on-GaN基板的人。”

关于测试/检验问题，很大程度上取决于每个公司如何建立他们的晶圆和/或封装测试规格和流程，以确保高质量的产品，Parikh补充道。“一个重要的项目是评估高压下的动态开关或‘开’电阻性能，因为很长一段时间以来，许多GaN供应商都没有充分认识到这一问题，因此没有对其进行测量。多年来，我们一直致力于简化一系列专有的晶圆上和封装产品的直流和交流测量。现在，来自各种测试设备供应商的相当好的测试人员也是可用的。对于epi材料和fab材料，检验也是晶圆质量的函数。与我们高质量的日本代工团队合作表明，我们已经实现了硅基gan晶圆的缺陷密度(良率的驱动力之一)，与在同一代工中运行的硅CMOS相似。”

结论
由于目前正在采取许多措施向200mm过渡以降低成本，GaN在功率半晶片上的广泛采用可能会为当前和未来的混合动力和电动汽车、消费电子产品、智能手机以及其他使用GaN宽带隙功率半导体技术的产品的制造商带来很多好处。然而，对于建造者是否有能力充分降低成本并稳定更未来版本的GaN技术的可制造性，问题仍然存在。

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