【導(dǎo)讀】在 SiC 方面，GeneSiC 使用溝槽輔助平面柵極工藝流程，確保可靠的柵極氧化物和具有較低傳導(dǎo)損耗的器件。測(cè)試表明，在 150-kHz、1,200-V、7.5-kW DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，溫度較低的器件運(yùn)行溫度約為 25°C。據(jù)估計(jì)，這種溫差可將器件壽命提高 3 倍。該公司對(duì)其 SiC 產(chǎn)品進(jìn)行了 100% 的雪崩測(cè)試，其示例如圖 3 所示。
Innoscience 和其他公司已經(jīng)超越了標(biāo)準(zhǔn)的可靠性和生產(chǎn)測(cè)試來(lái)強(qiáng)調(diào)部件失效，推斷出可以估計(jì) 1 ppm 故障率壽命的壽命曲線(xiàn)。動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 作為 GaN 在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中可能的故障模式而被廣泛討論，并且可以被視為材料缺陷的征兆。Innoscience通過(guò)多項(xiàng)工藝改進(jìn)解決了這個(gè)問(wèn)題?？刂?e-mode HEMT 柵極中的鎂摻雜分布以及 Innoscience 的應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)層 (SEL) 技術(shù)的使用顯著改善了動(dòng)態(tài) R DS(on) 行為，在整個(gè)電壓、溫度范圍和1,000 小時(shí)的電阻開(kāi)關(guān)周期，如圖 1 所示。
圖 1：在柵極中使用 SEL 改善 GaN 動(dòng)態(tài) RDS(on)（：PCIM 2023 小組討論期間的 Innoscience）
另一個(gè)備受關(guān)注的領(lǐng)域是 GaN HEMT 器件缺乏雪崩能力。然而，這些設(shè)備固有的高過(guò)壓能力使它們可以安全使用，并具有超過(guò)正常設(shè)備工作電壓的足夠瞬態(tài)余量。Innoscience 現(xiàn)在已經(jīng)在幾年內(nèi)出貨了 1.2 億個(gè) GaN 部件，零退貨。
英飛凌科技 SiC 副總裁 Peter Friedrichs 表示，在 SiC 器件的早期開(kāi)發(fā)階段（2011 年左右），客戶(hù)發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)與器件穩(wěn)定性相關(guān)的問(wèn)題。這些是 SiC 所獨(dú)有的，因此需要加以了解。設(shè)備必須在標(biāo)準(zhǔn)資格流程之外進(jìn)行測(cè)試，并強(qiáng)調(diào)觸發(fā)故障模式以導(dǎo)出故障模型。圖 2 中的典型浴缸故障率曲線(xiàn)顯示了這種用于測(cè)量設(shè)備磨損的穩(wěn)健測(cè)試。
圖 2：SiC 器件的穩(wěn)健性驗(yàn)證（：PCIM 2023 小組討論期間的 Infineon Technologies）
設(shè)備的操作模式可以調(diào)節(jié)故障行為。一旦理解了故障模式，就可以使用它來(lái)改變硅片中通常使用的鑒定過(guò)程。例如，傳統(tǒng)上用于硅器件鑒定的 1,000 小時(shí)壓力測(cè)試是否足以用于 SiC。英飛凌還沒(méi)有一個(gè) SiC 領(lǐng)域失敗返回。
onsemi 的技術(shù)人員 Jaume Roig Guitart 討論了在 onsemi 完成的 SiC 制造和電氣篩選。Onsemi 具有垂直制造流程的優(yōu)勢(shì)。這包括從晶體生長(zhǎng)一直到器件封裝的能力。因此，它可以嚴(yán)格控制整個(gè)流程以確保高質(zhì)量的處理和在線(xiàn)檢查，以排除任何致命缺陷、老化電氣篩選和動(dòng)態(tài)部件平均測(cè)試以去除異常值。客戶(hù)應(yīng)用程序任務(wù)概況是為此定制資格計(jì)劃的關(guān)鍵步驟。Onsemi 是 JEDEC、ARC 和 AQG324 等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定委員會(huì)的積極參與者。
Navitas Semiconductor 收購(gòu)了 GeneSiC，現(xiàn)在同時(shí)生產(chǎn) SiC 和 GaN 功率器件。Navitas 企業(yè)營(yíng)銷(xiāo)和投資者關(guān)系副總裁 Stephen Oliver 表示，該公司在 GaN 方面的方法是將驅(qū)動(dòng)器和其他傳感和保護(hù)功能整體集成到 GaN 芯片本身中。這允許增加可靠性增強(qiáng)功能，例如在引腳上具有 2kV ESD 保護(hù)、過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)以及更受控的柵極驅(qū)動(dòng)。
Navitas 已出貨超過(guò) 7500 萬(wàn)個(gè) GaN IC 部件，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)間超過(guò) 5000 億小時(shí)。故障率 <1 ppm。Navitas 以高速（2 MHz）測(cè)試其 GaN 產(chǎn)品，這對(duì)于發(fā)現(xiàn)和解決器件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一些問(wèn)題至關(guān)重要。硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)等特定于應(yīng)用程序的測(cè)試可能會(huì)顯示出獨(dú)特的故障特征。
在 SiC 方面，GeneSiC 使用溝槽輔助平面柵極工藝流程，確?？煽康臇艠O氧化物和具有較低傳導(dǎo)損耗的器件。測(cè)試表明，在 150-kHz、1,200-V、7.5-kW DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，溫度較低的器件運(yùn)行溫度約為 25°C。據(jù)估計(jì)，這種溫差可將器件壽命提高 3 倍。該公司對(duì)其 SiC 產(chǎn)品進(jìn)行了 100% 的雪崩測(cè)試，其示例如圖 3 所示。
圖 3：GeneSiC 對(duì) SiC MOSFET 的雪崩測(cè)試波形（：Navitas Semiconductor 在 PCIM 2023 的小組討論中）
在討論的問(wèn)答階段，有人問(wèn)了一個(gè)關(guān)于生產(chǎn)可靠性篩選測(cè)試的重要性的問(wèn)題。Lidow 解釋說(shuō)，設(shè)備中的外在缺陷通常可以通過(guò)生產(chǎn)過(guò)載測(cè)試來(lái)篩選出來(lái)?？梢酝ㄟ^(guò)定期抽樣和運(yùn)行高度加速的壓力測(cè)試來(lái)發(fā)現(xiàn)內(nèi)在缺陷。這可以確保不會(huì)產(chǎn)生新的故障模式。
Guitart 表示，onsemi 已經(jīng)證明 SiC 器件上的固有柵極氧化物是堅(jiān)固的。事實(shí)上，溝槽硅 FET 需要超過(guò) 800 A 的柵極氧化物厚度，才能與具有 500 A 氧化物的 SiC 平面 FET 的固有柵極氧化物壽命相匹配。這在圖 4 中進(jìn)行了描述，該圖顯示了相同厚度下的失效曲線(xiàn)。關(guān)鍵是控制和避免外在缺陷，這涉及高質(zhì)量的晶體生長(zhǎng)、確保清潔的界面和控制電荷密度。
圖 4：硅與 SiC 柵極氧化物失效曲線(xiàn)（：PCIM 2023 小組討論期間的 onsemi）
另一個(gè)問(wèn)題是關(guān)于工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用之間可靠性要求的差異。Lidow 回答說(shuō)，也許嚴(yán)格的要求可能是在太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用中。在這里，鳳凰城的一位客戶(hù)希望獲得 35 年生命周期內(nèi)的可靠性數(shù)據(jù)。EPC 進(jìn)行了一項(xiàng)研究，以研究各種壓力源，從而開(kāi)發(fā)故障率模型。圖 5 顯示了柵極氧化層電壓、動(dòng)態(tài) R DS(on)和封裝的熱機(jī)械循環(huán)的應(yīng)力源。在這種情況下，發(fā)現(xiàn)熱機(jī)械循環(huán)是主要的故障限制因素，35 年的 12,775 次循環(huán)預(yù)計(jì)將產(chǎn)生 1% 的故障率。
圖 5：EPC 對(duì)各種壓力源的 35 年故障率研究（：EPC 在 PCIM 2023 的小組討論中）
Friedrichs 還回答說(shuō)，雖然汽車(chē) 0-ppm 故障要求更嚴(yán)格，但他們的任務(wù)配置文件通常使用時(shí)間更短。因此，具有各種任務(wù)配置文件的工業(yè)應(yīng)用程序可用于在汽車(chē)使用之前開(kāi)發(fā)和改進(jìn)設(shè)備。此外，系統(tǒng)級(jí)研究對(duì)于了解功率器件周?chē)纳鷳B(tài)系統(tǒng)及其相互作用也很重要。
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