SiC 和 GaN 功率器件的可靠性挑战和模型

2025年8月7日 Sonu Daryanani

来自Ariel University的Tsuriel Avraham及其同事研究了SiC和GaN功率器件的可靠性挑战和模型。

由于碳化硅和氮化镓器件具有更高的效率和功率密度，它们在众多功率转换应用中正得到越来越广泛的应用。与发展了几十年的成熟硅功率器件相比，这些宽禁带（WBG）器件仍相对较新。因此，这些器件在各种功率转换应用中的可靠性问题仍处于探索阶段。

本文总结了以色列Ariel University Tsuriel Avraham 及其同事对 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性挑战和模型进行的综述。

SiC MOSFET 面临的主要可靠性挑战

SiC MOSFET器件可靠性改进主要集中在两个方面：

• 栅极氧化层：二氧化硅 (SiO₂ ₎通常用作硅和碳化硅 (SiC) MOSFET 的栅极介质。SiO₂/SiC 界面处高密度的缺陷态使其成为 SiC 功率 MOSFET 中最薄弱的环节。虽然硅和 SiC 器件的本征栅极氧化层寿命可能相似，但 SiC/ SiO_₂界面处的外在缺陷数量远大于硅器件才是造成问题的原因。SiC中更高的电场会加剧这种影响（例如，与具有典型100 nm栅极氧化层的硅IGBT相比，具有典型 40 nm 栅极氧化层的SiC MOSFET的栅极氧化层上的电场强度将是后者的2.5 倍。阈值电压 (V_th )的漂移通常与栅极偏置电压的方向一致，并被归类为偏置-温度不稳定性 (BTI)。界面处的电子俘获会导致V_th净增加_，而更高的缺陷密度会导致V_th随偏置电压和温度变化而产生更大的漂移。部分阈值电压 (V_th )偏移是可恢复的。外在缺陷对较大芯片的影响更大，因此在并联芯片间分布差异更大。栅极氧化层的氮化是降低碳化硅 (SiC) MOSFET 栅极氧化层界面态和提高沟道迁移率的关键突破。屏蔽栅极氧化层外在缺陷是提高最终产品可靠性的基础。研究表明，沟槽式MOSFET由于垂直方向迁移率的提高，可以使用更厚的栅极氧化层，因此可以在更高的电压下进行更有效的屏蔽，从而降低故障率。此外，研究表明，双极交流栅极应力会导致比静态双极电流测试 (BTI) 更大的阈值电压(V_th )偏移。这对于电动汽车牵引和太阳能逆变器等应用至关重要，因为在这些应用中，栅极开关次数在预期寿命内可能超过10^¹¹次。
• 堆垛层错：这些晶体缺陷会在碳化硅（SiC）带隙内产生局域能级，这些能级随后会成为载流子的复合中心。在SiC中，外延生长和后续加工步骤产生的基面缺陷（BPD）会在器件工作过程中扩展为堆垛层错。这会导致更高的导通损耗和体二极管性能退化。使用反向导通的反并联肖特基二极管可以减轻MOSFET中BPD的扩展。改进外延生长工艺、使用高温注入以及缺陷映射等方法均有助于减少和屏蔽这些缺陷。

GaN HEMT的关键可靠性挑战

用于功率转换应用的GaN HEMT主要以p栅增强型或本征耗尽型器件的形式商业化生产，并与低压硅MOSFET级联。在这两种情况下，GaN沟道层上方的AlGaN势垒层都会在沟道中形成二维电子气（2DEG）。由介质隔开的场板有助于降低表面电场。

GaN HEMT可靠性提升的一个重点领域是电荷俘获效应。这是一个多方面的问题，会在各种工作条件下影响器件的各个区域。AlGaN/GaN界面处的悬空键会干扰二维电子气（2DEG），从而降低载流子迁移率。缓冲层陷阱以及器件顶部周围介电层中的陷阱都会影响器件性能。

这种陷阱效应的一个被广泛研究的后果是器件的动态导通电阻 (dR_DS(on) 退化。当器件处于关断状态时，漏极和栅极之间的正偏压会导致电子注入并被捕获到沟道下方 AlGaN 势垒层或 GaN 缓冲层中的缺陷上，从而引发这种现象。由此产生的负电荷增加会降低器件导通时的二维电子气 (2DEG) 密度，导致(dR_DS(on)增加。电流崩塌是其结果，在高频或脉冲功率应用中可能非常严重。

在许多情况下，这种效应可以恢复，因为电荷会从陷阱中释放出来。这种热电子注入会在电​​场强度最高的区域造成故障，并且可能与电压和电流有关，对温度也略有依赖性。目前，商用氮化镓 (GaN) 制造商的数据手册中都规定了最大漏极过电压规格。封装产生的寄生电感是造成过冲的重要因素，需要加以严格控制。栅极过电压也会对可靠性造成重大挑战。

在常用的肖特基p栅HEMT中，由两个背靠背的二极管构成。在强正栅极偏置下，肖特基二极管反向偏置，导致金属界面附近的p-GaN耗尽层上产生过大的电压降。高电场会形成渗流路径和漏电。空穴从金属注入到p-GaN层会在p-GaN/AlGaN界面处积累，从而降低器件的阈值电压（V_th ）。栅极漏电增加是由此产生的典型特征。电子轰击栅极导致肖特基接触的欧姆特性增强，从而引起软失效。介质失效则会导致硬失效。

研究表明，在高正栅极偏压下，注入栅极的电子引起的碰撞电离会导致产生的空穴迁移到通常用于栅极周围的氮化硅介质层中。这会产生净正电荷和电场增强，从而形成正反馈机制。这与硅器件中常见的经典时变介质击穿（TDDB）不同，因为反向栅极电场不会导致相同的故障率。另一个区别是，这种故障率具有负温度系数。

SiC 和 GaN 功率器件的封装挑战

热管理可能是一个挑战，因为与硅器件相比，宽禁带（WBG）器件的功率密度提升使得在给定功率需求下可以使用更小或更少的芯片。虽然碳化硅（SiC）的热导率比硅或氮化镓（GaN）高出2倍以上，但其更高的杨氏模量会产生更大的热应力，从而增加封装失效的风险。另一个关键要求是降低寄生电感，因为寄生电感会导致过冲并降低器件可靠性，尤其是在高电流和高开关频率下。目前正在尝试多种封装创新技术来改进宽禁带器件，包括使用银烧结进行芯片粘接；铜夹；采用先进衬底，例如氮化铝（AlN）、原子层氮化硅（AMB SiN）和金刚石；以及嵌入式PCB封装。横向氮化镓器件允许将米勒钳位、电流传感器、栅极驱动电路和过压检测等组件进行单片集成。这种集成有助于即使在快速开关条件下也能将器件保持在安全的工作区域内。

可靠性模型

模型是预测和未来改进的重要工具。失效测试是开发和验证这些模型的有效方法。失效物理模型侧重于根本原因机制，可用于预测器件寿命。例如，栅极氧化层的TDDB模型、GaN的电荷俘获模型、热退化模型和电迁移模型等。基于加速测试条件的经验模型有助于识别失效模型中的各个应力因素，例如电压和温度。热循环模型和应力/恢复模型就是很好的例子。图1总结了这两种模型类型。

图 1：WBG 器件可靠性模型摘要（来源：Avraham, T., Dhyani, M. 和 Bernstein, JB，2025）

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来源：Power Electronics News