提高氮化镓和碳化硅的可靠性

氮化镓和碳化硅芯片为何越来越受欢迎，以及还有哪些问题需要解决。

2020年6月18日 – 作者：Mark LaPedus

氮化镓(GaN) 和碳化硅(SiC) 功率器件供应商正在推出新一代产品，这些产品拥有一些令人印象深刻的新规格。但在这些器件被集成到系统中之前，它们必须证明其可靠性。

与以往产品一样，供应商很快指出，尽管氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）偶尔也会出现一些问题，但新型器件依然可靠。此外，对于汽车等最新的关键任务应用而言，这些器件的可靠性要求也越来越高。为了应对这些挑战，这些器件可能需要更多甚至全新的可靠性测试方法。

半导体行业对可靠性的担忧由来已久，而且随着汽车中先进半导体含量的不断提高以及芯片在数据中心等关键任务应用中的广泛应用，这种担忧近年来愈发强烈。与此同时，所有电路都会因各种因素而逐渐老化。关键在于能够预测和预防故障，并确定特定部件可接受的工作条件范围。

“可靠性指的是平均故障间隔时间，” Cree/Wolfspeed的首席技术官 John Palmour 表示。“我们通过大量的加速寿命测试来表征可靠性。测试的目的是使器件失效。找出加速因素，以便推算出器件在正常条件下的寿命。我所说的可靠性是指器件的基本物理特性。而质量则不同。质量是指每百万分之一或每十亿分之一的失效次数。”

所有类型的器件，包括功率半导体，都要经过可靠性测试。功率半导体是专用晶体管，可提高效率并最大限度地减少高压应用（例如汽车、电源、太阳能和火车）中的能量损耗。功率半导体在系统中的作用类似于开关，允许电流在“导通”状态下流动，并在“断开”状态下停止流动。

功率半导体器件主要分为两大阵营——硅基器件和宽带隙器件。硅基器件技术成熟，可靠性问题也已得到充分理解。相比之下，GaN 和 SiC 功率半导体器件基于宽带隙技术，其效率更高，击穿电场强度也高于硅基器件。但 GaN 和 SiC 是较新的技术，具有各种特性。因此，客户可能需要深入了解这些技术的可靠性问题。

什么是功率半导体？

功率半导体应用于电力电子领域。电力电子器件利用固态器件来控制和转换系统中的电能。这些系统包括汽车、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扮演着关键角色。功率半导体有多种类型，每种类型都用一个带有“V”（电压）的数字来表示。“VDSS 中的‘V’是最大允许工作电压，或者说是漏源电压规格，”高效电源转换公司 (EPC) 首席执行官 Alex Lidow 解释道。“术语‘DSS’指的是栅极短路时的漏源电压。”

功率半导体市场目前以硅基器件为主导，但氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）正在取得显著进展。硅基器件包括功率MOSFET、超结功率MOSFET和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

功率 MOSFET用于 10 至 500 伏的低压应用，例如适配器和电源。超结功率 MOSFET 用于 500 至 900 伏的应用。而IGBT作为领先的中档功率半导体器件，则用于 1200 伏至 6.6 千伏的应用。

IGBT 和 MOSFET 技术成熟且成本低廉，但它们的性能也已接近极限。而 GaN 和 SiC 则弥补了这一不足。这两种宽带隙技术能够实现更高效率和更小尺寸的器件。例如，SiC 的击穿电场强度是硅的 10 倍，带隙是硅的 3 倍。GaN 的性能则更胜一筹。

图 1：电源开关的分类。来源：英飞凌

碳化硅（SiC）正在多个市场取得进展，尤其是在汽车领域。“碳化硅器件尺寸更小、性能更优，因此对电动汽车和混合动力汽车动力系统应用极具吸引力，” Lam Research战略营销总经理David Haynes表示。

氮化镓（GaN）在汽车、数据中心和其他市场正日益受到关注。“由于其在高频下具有卓越的性能，因此非常适合用于快速充电解决方案等大批量应用，”海恩斯说道。

可靠性对所有功率半导体都至关重要。任何器件的目标都是实现零故障。在运行过程中，器件可能工作一段时间，也可能永远运行。但有时，产品可能会磨损或发生故障。

为了确保产品可靠性，供应商多年来一直遵循相同的步骤。这些步骤包括：

• 仅仅根据规格表测试设备是不够的，因此厂商会对设备进行各种加速测试。通常，这些测试的目标是使设备出现故障。
• 然后，供应商会查找故障机制并解决任何潜在问题。
• 在此基础上，可以开发出各种模型。

“一旦获得加速应力下的寿命，就可以使用已知的加速模型来预测产品在正常应用应力下的寿命，”功率半导体供应商 Alpha and Omega Semiconductor 表示。

然而，事情并非如此简单。器件需要经过一系列加速测试。例如，高温反向偏置 (HTRB) 测试就是一种常见的测试。HTRB 测试旨在检验器件在高温下的结退化情况。为此，器件会被放置在专门的 HTRB 老化测试系统中，然后承受高电压和高温。

这只是众多测试中的一项。通常，这些测试满足各种可靠性标准的要求，例如 AEC-Q101 等。AEC-Q101 规定了特定部件的最低应力测试要求。

碳化硅与可靠性

每种功率半导体器件的结构都不同。例如，功率 MOSFET 采用垂直结构。源极和栅极位于器件顶部，漏极位于底部。当施加正栅极电压时，会在源极和漏极之间形成沟道。

据 Alpha and Omega Semiconductor 公司称，在最新的器件中，“栅极氧化层变得越来越薄；因此，电场越来越高”。

随着时间的推移，MOSFET中的栅极氧化层可能会发生退化。通常，这种现象背后的失效机制被称为时变介质击穿（TDDB）。TDDB是指栅极氧化层在经过一段时间的磨损后发生击穿。

为了测试该结构的可靠性，将器件置于专门的TDDB测试系统中进行应力测试。TDDB和其他失效机制在MOSFET中已得到充分研究。

但碳化硅（SiC）的情况并非总是如此。碳化硅是一种基于硅和碳的化合物半导体材料。碳化硅器件的应用电压范围为600伏至10千伏。电动汽车是碳化硅器件最大的市场，其次是电源和太阳能逆变器。

碳化硅器件有两种类型——碳化硅MOSFET和二极管。碳化硅MOSFET是功率开关晶体管。碳化硅二极管允许电流沿一个方向流动，并阻止电流沿相反方向流动。

这些器件在 150 毫米晶圆厂生产，200 毫米晶圆厂目前正处于研发阶段。生产流程包括：首先制备碳化硅衬底；然后在衬底上生长外延层；最后加工成器件。

在生产过程中，SiC衬底容易出现缺陷。“衬底的成本、供应和质量仍然是挑战，”Lam公司的Haynes表示，“但晶圆和外延的缺陷率正在改善。”

晶圆在晶圆厂完成加工后，需要进行切割和封装，这是一个难度很高的过程。“碳化硅是地球上第三硬的化合物材料，” Veeco产品营销总监孟李表示，“由于碳化硅硬度高且脆性大，制造商在生产周期、成本和切割性能方面都面临着挑战。”

尽管面临诸多挑战，碳化硅供应商多年来一直在交付可靠性久经考验的产品。“不久前，人们对碳化硅的根本可靠性非常担忧，”科锐公司的帕尔穆尔表示，“我们早已克服了这一难题。如果我们无法证明其根本可靠性，就不会有汽车或工业客户。”

尽管如此，供应商们仍然密切关注这些问题。“由于多种原因，实现碳化硅的基本可靠性无疑更加困难，”帕尔穆尔说道。“硅的性能特性已经非常明确。你设计好芯片，把它送到晶圆厂，然后进行质量测试。你就可以理所当然地认为它是可靠的。但碳化硅就不同了，你不能这样假设。你必须了解它的失效机制。”

可靠性在所有市场都至关重要，尽管有些市场的要求更为严格。例如，在安全至关重要的领域，可靠性标准要高得多。汽车行业可接受的故障率在十亿分之一 (ppb) 的范围内。

确保足够的可靠性始于设计阶段。设备开发完成后，还要进行各种加速测试。这些测试包括湿度、功率循环、温度、电压等方面的压力测试。

要详细描述每一项测试，恐怕需要大量的篇幅。但总的来说，SiC器件的可靠性主要存在两个问题——栅极氧化层稳定性和阈值电压稳定性。

与功率 MOSFET 类似，SiC 器件也是垂直器件。SiC 使用与 MOSFET 相同的栅极氧化层材料——二氧化硅，但 SiC 器件的工作内建电场更高。因此，在实际工作中，其栅极氧化层材料的寿命可能会更短。

不过，一般来说，SiC器件的栅极氧化层问题都比较容易理解。TDDB是其失效机制。“器件处于阻断状态（即阻断高电压状态）时，其寿命也存在限制。在这种情况下，失效点通常是氧化层承受SiC最高电场的位置。哪种机制主导器件寿命取决于器件的设计，”Palmour说道。

不过，栅极氧化层问题基本已经解决。“这曾是当时人们最担心的问题之一，”他说。“只要设计得当，就能避免这个问题。”

然而，确保栅极氧化层的可靠性至关重要。为此，Cree 采用高温栅极偏置 (HTGB) 和 TDDB 进行导通状态测试。HTGB 是一种老化测试，用于对栅极氧化层施加压力。此外，Cree 还使用 HTRB 来确定阻断寿命。

虽然这个问题已基本得到解决，但业界可能仍希望降低栅极氧化层早期TDDB失效的概率。英飞凌工程师Thomas Aichinger在最近发表的一篇论文中指出：“为了使SiC MOSFET的可靠性与（硅）MOSFET相当，必须在加工过程中最大限度地降低栅极氧化层缺陷密度，并采用巧妙的筛选技术来识别和剔除潜在的薄弱器件。”

为此，英飞凌近期推出了一种名为“马拉松压力测试”的新方法。英飞凌的这项测试能够对3×1000个并联的SiC MOSFET进行压力测试。这些器件经过封装并安装在电路板上。压力测试在高温炉中进行。

“区分传统的TDDB测试、传统的HTGB测试和我们新推出的马拉松测试非常重要。这三种测试都是针对栅极氧化层的应力测试，但它们研究的是不同的失效机制，”Aichinger说道。“马拉松测试与TDDB测试非常相似；然而，两者之间存在两个重要的区别。首先，马拉松测试的栅极偏置电压远低于TDDB测试，因为其目标仅在于检测由关键的外部栅极氧化层畸变引起的早期器件失效。大多数器件，即不存在关键外部畸变的器件，在马拉松测试中不会失效。其次，马拉松测试需要测试更多的器件（通常超过1000个）。这是因为存在外部栅极氧化层畸变的器件通常很少见，而测试大量器件可以增加发现此类器件的概率，这对于验证特定的外部栅极氧化层FiT率至关重要。”

除了栅极氧化层之外，SiC的另一个主要问题是阈值电压不稳定。“MOSFET的阈值电压会随着偏置电压的变化而变化，”Cree公司的Palmour说。“这是一个众所周知的现象，大家都会关注这一点。”

阈值电压不稳定性是由一种称为偏置温度不稳定性（BTI）的失效机制引起的。BTI是晶体管中的一种退化现象。

HTGB是测试该问题的一种方法，尽管这项技术仍在开发中。碳化硅行业正在JEDEC JC-70小组中讨论这些问题及其他相关问题。该小组的目标是制定一套标准的测试技术，并统一该领域内的各种规范。

这在汽车行业尤为重要，因为汽车制造商要求器件零缺陷。“碳化硅的基本可靠性已经过验证，而且性能良好。现在的问题是如何防止泄漏、早期失效等情况的发生，”Palmour说道。“我们现在进入汽车行业面临的挑战是，如何满足汽车器件极高的质量要求。他们想知道平均故障间隔时间（MTF），也关注ppm或ppb级别的故障率。”

这反过来又需要一系列缺陷检测和筛选步骤。与可靠性测试一样，这也是一个具有挑战性的过程。

氮化镓（GaN）作为一种二元III-V族材料，被用于制造发光二极管（LED）、功率半导体和射频器件。基于GaN的功率半导体广泛应用于汽车、数据中心、军事航空航天等领域。GaN功率半导体的电压范围从15伏到900伏不等。

GaN器件在150mm晶圆厂中制造。在EPC的GaN工艺流程中，首先在衬底上沉积一层薄薄​​的氮化铝（AlN），然后再沉积GaN层。最后在该结构上形成源极、漏极和栅极，从而构成横向GaN器件。

氮化镓（GaN）技术不如碳化硅（SiC）成熟，存在一些问题。“我们听说，一些缺陷会导致生产线后期出现可靠性问题，” KLA公司高级副总裁凯文·克罗夫顿表示。“金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺及其后续步骤可能会产生颗粒，而目前的检测工具并非总能检测到这些颗粒。我们了解到，器件制造商正在寻求更好的化合物半导体材料。一切都在不断学习，但我们感觉材料的供应和质量正在改善。”

因此，客户往往会询问更多关于氮化镓（GaN）可靠性的问题。“氮化镓的可靠性非常出色，”EPC公司的利多夫表示，“1230亿小时内我们只出现了三次故障。这比MOSFET的可靠性高出两个数量级。但由于这项技术相对较新，所以客户会提出很多问题。”

然而，与所有功率半导体器件一样，GaN器件至少要经受九种可靠性应力测试。每种测试条件都对应着一项测试。例如，器件的栅极电极就要接受应力测试。为此，厂商通常采用高温栅极电极（HTGB）测试。通常情况下，TDDB是此处的失效机制。更具体地说，失效的可能是氮化硅层，而不是GaN层。

这个问题大家都很清楚。不过，对于氮化镓器件来说，动态导通电阻才是最大的问题。“以前人们称之为‘电流崩塌’，因为器件的导通电阻会趋于无穷大。氮化镓器件商业化之后，导通电阻的变化幅度就大大降低了。”利多说道。

动态导通电阻是个问题。例如，一个氮化镓器件的规格可能是 1 毫欧姆，但经过 100 小时的实际应用后，同一器件的导通电阻可能会变为 10 毫欧姆。

一段时间以来，业界一直认为动态导通电阻是由一种名为热载流子注入（HCI）的失效机制引起的。“当一个电子穿过极高的电场时，它会获得大量的能量。这就像被枪射出一样。它会变成一个高能电子。它拥有足够的能量穿透器件中的某些层并被困住，”Lidow解释道。

传统的测试方法是高温超导束流（HTRB）。然而，HTRB 在许多方面都存在不足。为此，EPC 开发了一种专有的显微镜技术。该技术能够观察高能电子被捕获时发射的光子。利用这项技术，EPC 找到了解决超导束流问题的方法。

其他问题也可能出现。例如，EPC 最新的 GaN 器件拥有突破性的功率密度。“随着功率密度提高 300 倍，我们将发现新的失效机制。首要问题是导电层中的电迁移限制。我们的新设计受电迁移限制，因此我们必须创新以突破这一物理限制。一种方法是将多个功率器件集成在同一芯片上。这样做实际上可以减少电源输入和输出端子的数量。这些端子受电迁移限制，”Lidow 说道。

“第二个挑战是提高器件内部的电场强度，”他说道。“器件尺寸与峰值电场强度成反比。如果我们能够承受等于氮化镓临界击穿场强的峰值电场强度，就能将器件​​尺寸缩小约100倍。问题在于，将峰值电场强度控制在一定限值以下会消除动态导通电阻。我们需要找到在不重新引入动态导通电阻的情况下提高峰值电场强度的方法。解决方案涉及提高材料质量、提高介电质量、改进器件设计，以及可能还有一些我们尚未发现的因素。”

结论：

显然，氮化镓和碳化硅器件是极具吸引力的技术。业界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市场上取得进展，而且这种进展主要是以牺牲更传统的技术为代价的。

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原文链接：https://semiengineering.com/improving-reliability-for-gan-and-sic
来源：Semiconductor Engineering