确定GaN产品可靠性的综合方法

确定GaN产品可靠性的综合方法IL正在设计基于GaN原理的综合质量保证计划和相关的应用测试来提供可靠的GaN解决方案氮化G GaN的材料属性可使电源开关具有令人兴奋且具有突破性的全新特性一功率GaN高电子迁移晶体管HEMTHEMT是一种场效应晶体管FET,会使导通电阻会低很多它的开关频率要比同等大小的硅功率晶体管要快这些优势使得功率转换的能效更高，并且能够更加有效地使用空间GaN可以安装在硅基板上，这样可充分利用硅制造能力，并实现更低的成本然而，在使用新技术时，需要验证这项技术的可靠性这份白皮书的主题恰恰是GaN器件质量鉴定简介由于有超过30年的经验，并且经过不断改进，这个行业理所当然地认为硅功率晶体管具有很高的稳定性这种长期的用户体验已经形成了一整套成熟的质量鉴定法方法体系；在这个方法体系中，可靠性和质量由运行标准化测试进行认证这些测试来源于故障模式理解、激励能量和加速因子方面的深入研究，以及推测使用寿命、故障率和缺陷率的统计与数学框架的开发由于数代硅巴奥可以在实际使用条件下，实现真正使用寿命内的正常运行，这个质量鉴定方法体系现在已经被证明是有效且实用的然而，GaN晶体管是近期才被开发出来的器件更加昂贵的碳化硅基板上的巫GaN HEMT已经被广泛应用于无线基站内，并且其可靠性已经得到验证

[1]o虽然基于相似的基本原理，功率GaN HEMT在实现更高电压处理方面增加了更多的特性它植根于硅基板上，并且使用与硅制造兼容的材料来降低成本此外，出于故障安全的原因，它需要是一个增强模式e-mode,或者是常关器件主要有三种架构

1.与一个e-mode SiFET共源共栅的耗尽模式d-mode绝缘栅极GaN HEMT；

2.e-mode绝缘栅极GaN HEMT；

3.P型e-mode结栅极GaN HEMT这三款器件会由于自身的原因，以及硅FET的影响而具有不同的故障模式，问题是如何鉴定它们的质量基于硅的标准质量鉴定方法是一个有价值且具有里程碑意义的质量和可靠性鉴定方法，但不清楚的是，在器件使用寿命、故障率和应用相关性方面它对于GaN晶体管的效用如何德州仪器TI是半导体技术方面的行业领导者,在将可靠的半导体产品推向市场方面具有长期的经验，其中包括铁电随机访问存储器FRAM等非硅材料技术在通过GaN相关质量鉴定方法体系和应用相关测试，把可靠的GaN产品推向市场方面，我们具有很大的优势标准质量鉴定方法体系在鉴定硅功率器件质量方面，有两个标准化组织的质量鉴定方法体系得到广泛使用联合电子设备工程委员会JEDEC；和汽车电子协会AEC[2,3,4,5]o这些标准指定了很多测试，其中可以分为三类静电放电ESD、封装和器件静电放电要求是一项强制的操作标准，所以ESD标准不太可能会发生变化封装测试与那些针对硅芯片、已经完成的测试相类似，需要找到导致故障的根本原因，以强调意外的故障机制之前在硅芯片中使用的后端处理也同样用于GaN,在这个背景下，由于封装应力、结合表面相互作用等问题比较常见，所以这个相似性也就凸现出来然而，这个器件类别是全新的，并因此具有特别的重要性后面的段落检查了标准硅芯片质量鉴定方法体系，并且描述了如何将这一方法体系应用于GaNo对于硅芯片质量鉴定来说，标准应力下的运行时间为lOOOh,结温至少为125°Co假定激活能量为

0.7eV,指定温度加速因子为

78.6

[2]这使得125°C结温下的lOOOh运行时间所受应力等于Tj=55°C情况下，9年运行时间内所受应力器件在它们的最大运行电压下进行质量鉴定对于分立式功率FET,这通常选择为最小击穿电压技术规格的80虬这意味着，在质量鉴定测试条件下，没有内置的电压加速；电压加速只由温度实现由于Tj在55C以上，通常情况下高于75C,这一点会对功率器件产生巨大影响这个标准还指定了3个批次的产品，每个批次有77个部件，不应在应力下出现故障231个部件中的零故障标准意味着批内缺陷允许百分比LTPD的值为1

[2]这表示，你有9成的把握地宣称，在推测的应力条件下，一个批次内有设的部件是有缺陷的换句话说，在Tj=55°C的温度条件下运行9年，在最大工作电压上被偏置最初地最大故障率FIT大约为50Tj=55°C下的FIT也是使用

0.7eV的激活能量，从231个部件的零故障结果中得出然而，除了静态测试，还有一个动态测试它被非常宽泛地定义为“有可能在一个动态工作模式下运行的器件”

[3]o由厂商对测试进行定义由于很难指定一个与大范围不断发展的应用和技术相对应的测试，所以缺少指定测试指定测试也许不能与实际使用环境适当关联，并且有可能产生错误故障，或者无法加快有效故障机制

[7]对于硅FET来说，已经在很多年的实际使用过程中建立起来质量鉴定方法体系的可信度与GaN等全新技术不同的是，器件厂商负责确定它们的动态测试可以预测实际使用的运行情况因此，需要开发出应用相关的应力测试，可以在实际使用条件下验证可靠性最后，需要注意的一点是，GaN无法耐受雪崩能量也就是说，器件将在被击穿时损坏这是一个需要解决的问题，特别是对于功率因数校正世C电路等置压应用来说更是如此；在这些应用中，器件会受到有可能出现的过压事件的影响，比如说电力线路上的闪电尖峰放电标准质量鉴定方法体系的适用性JEDEC和AEC标准均基于健全完善的基本原理，不过技术上比较落后虽然通过硅产品质量鉴定是一件有价值的、里程碑式的重大事件，但是用户需要一个能够在实际使用条件下，在所需的使用寿命内，比如说10年，以低故障率持续运行的产品因此，推出FRAM、成比例CMOS、GaN等新技术的公司需要了解这些标准的基本原理在JEDEC质量鉴定方法体系中，主要的促进要素是温度根据方程式eq.1计算出加速因子AF,在这里EA是激活能量，而k是玻尔兹曼常数如果在应力温度Tj=125°C、使用温度Tj=55°C,并且激励能量大约为

0.7eV的情况下使用eq1,得出的加速因子将为

78.6这也是Tj二125°C情况下1000h应力大致相当于Tj=55°C情况下使用10年的原因在已经发表的文献中，GaN的激励能量［8］在L05到

2.5eV之间变化这些宽范围的值表现出世界上不同实验室和公司内器件、工艺和材料间的差异这个范围能够提供大幅变化的加速因子，比如EA=L05eV下的687到EA=

2.5eV下5百万以上的值因此，有必要确定与工艺和最终产品的器件架构有关的激励能量将实际运行中的结温考虑在内也很重要由于其所具有的宽带隙，相对于硅材料，GaN能够在更高的温度环境中运行这一点对于电力电子产品很重要表1是125C应力温度下的1000h硅技术规格与其它几种情况下的比较从表1中可以看出，如果需要105C的结工作温度，假定激活能量为

0.7eV,非加速时间从9年减少为

0.3年通过将应力温度增加到150C这是一个针对标准封装的实际限值，有可能将这个时间增加到

1.1年在这个情况下，应力测试并不符合现场等效使用寿命，或者解算出大约50FIT的最大FIT率条件然而，它的确是一项可靠且高质量的里程碑式的测试方法代表10年使用时间的1000h应力测试需要一个值为

87.6的加速因子，并且在

1.37的激励能量下实现诸如参考文献［8］中L05eV的更低激励能量将需要

2.84倍的电压加速，或者大约延长6到17周的持续时间过多的电压加速会导致不具代表性的故障模式，而持续时间扩展延长了新产品的开发时间根据故障模式和封装内可提供的加速的不同，也许无法实现能够表示所需现场等效使用寿命的质量鉴定测试使用寿命要求由晶圆级可靠性测试提供保证，并且由已封装部件的扩展持续时间应力测试进行验证表1不同应力参数对可靠性和质量推测数据的影响根据GaN的特定故障模式来设定故障标准很重要一个特别的故障就是动态Rds导通电阻增加，也被称为电流崩塌这一故障由缓冲和顶层的负电荷陷获所导致[9,10]o电荷会在施加高压时被诱陷，并且不会在器件接通时立即耗散被陷获的负电荷排斥来自通道层的电子，而Rds导通电阻会由于通道层内的电子数量的减少而增加（图1）随后，Rds导通电阻随着被陷获电荷的耗散而恢复这一影响降低了效率，并且会使得器件自发热量过多，并且会过早地出现故障图1一个GaN器件的电路横截面显示被陷获的电子如何通过减少通道层中的电子数量来增加Rds导通电阻此外，陷获密度会随着器件老化而增加，从而使得动态Rds导通电阻的影响更加严重我们有专门的硬件来监视应力测试过程中的动态Rds导通电阻，这使得我们能够确保发布的产品没有这方面的问题应用相关测试虽然逅测试方法在对大量部件进行测试时相对简单，它们也许不能预测GaN是否在实际应用中具有10年的使用寿命硬开关应力不同于DC应力硬开关功率转换器具有电感开关变换,在这个期间，器件同时受到高电流和高压的影响由于FET通道需要漏电压，Vds,下降前灌入整个电感器电流,并且对那个节点上的其它器件进行反向恢复放电，接通变换是一个应力最高的过程它还需要在Vds下降时承载器件放电输出和开关节点电容内的额外电流由于FET通道在Vds较低，并且电感器电流为各自的电容圈充电时关闭，所以关闭的应力相对较低器件应力由使用图2中所示拓扑的升压转换器显示图3中显示的是初级侧开关（FET1）上硬开关接通变换的位真结果输入电压为200V,而电感器电流为5A（负载电流大约为

2.5A）在这个情况下，当FET1关闭时，由于钳制FET（FET2）导电，它的漏电压大约钳制在400V因此，当FET1接通时，它需要在Vds开始下降之前灌入整个电感器电流（区域A）图2一个简单的升压转换器拓扑图3针对一个硬开关变换的接通转换随着漏电压下降（区域B）,FET需要将开关节点上的电容器放电这些电容器中的电荷来自钳制FET、电路板引线和其它连接的组件由于使用了GaN FET,没有来自这个钳位的反向恢复电流V-1关系曲线（图4）显示出，在高。