GaN与SiC器件的可靠性评估

由于其固有的财产，宽带隙半导体（WBG）在许多电力应用中正逐步取代传统的硅基器件。碳化硅（SiC）已实现击穿电压高于1kV的功率MOSFET，这是电力应用中的关键要求，例如电动车辆的逆变器。另一方面，氮化镓（GaN）支持比其他半导体高得多的开关频率，并提供更高的功率密度，从而允许在相同的电气性能下减小整体系统尺寸。这两种WBG半导体都提供了以前无法达到的效率水平，从而能够构建具有卓越热管理的紧凑、轻量的电源解决方案。

WBG半导体在最具挑战性的电力应用中的使用离不开对器件可靠性的仔细评估。例如，汽车市场要求电动汽车采用体积小、重量轻的解决方案。

这篇文章引用了GaN系统和SiC和GaN的产品营销经理Agnes JahnkeX-Fab公司比较并提出了影响SiC和GaN器件选择的主要因素。

在GaN和SiC之间选择哪种器件用于新项目主要取决于四个关键因素：可靠性、性能、成本和容量。

可靠性

在半导体工业可靠性问题并不是什么新鲜事，但随着汽车中复杂的半导体含量不断上升，芯片应用于越来越关键的应用领域，如牵引逆变器和充电器，可靠性问题已受到更多关注。动力装置测试不限于零件的数据表参数，因为制造商通常会进行各种加速测试，包括高压、高温和高湿度测试。一旦确定了加速应力下的寿命，已知的加速模型可用于预测正常最终使用条件下的产品寿命。

至于SiC，主要关注的问题之一是栅极氧化物完整性（GOI）。最新一代SiC器件中的栅极氧化物越来越薄，增加了电场。作为所谓的时间依赖介电击穿（TDDB）现象的结果，栅极氧化物可能最终恶化。在一些磨损之后，栅极氧化物降解，导致TDDB。

根据Witham的说法，SiC衬底在外延生长期间也容易受到缺陷的影响。尽管在成本、可用性和衬底质量方面仍存在问题，但晶片和外延的缺陷正在改善。碳化硅是地球上第三硬的复合材料，其极高的硬度和脆弱性给制造商带来了循环时间、成本和切割性能方面的挑战。尽管存在这些挑战，而且人们一直对碳化硅的基本可靠性持怀疑态度，但SiC已经获得了基本的可靠性水平。

要求更严格的市场，如汽车行业，要求故障率在十亿分之一（PPB）范围内。为了实现这一结果，广泛的栅极氧化物和阈值电压稳定性（V的可变性_真实航向偏置电压）测试需要成功通过。

功率晶体管的两个最重要的鉴定测试是JEDEC（联合电子器件工程委员会）和AEC（汽车电子委员会）-Q101，目前使用硅晶体管作为基础的指南已被用作GaN晶体管的标准。然而，GaN在材料结构和结构上与硅不同，这是一个挑战，需要彻底检查应如何使用以及应使用哪些测试标准。

GaN Systems创建了一个改进的鉴定测试流程，名为AutoQual+™ 以弥补现有测试中的差距，并证明其晶体管的寿命比市场要求的更长。世界各地的汽车、工业和高可靠性行业是其对可靠性要求最苛刻的客户，这些客户与GaN Systems密切合作，以创建和验证标准。多年的工程知识以及JEDEC和AEC-Q标准是AutoQual+工艺的基础，具有特定的GaN技术知识、故障测试和新的测试方法，以确保没有盲点或偏见判断。

威瑟姆表示：“很明显，我们与客户合作创建增强的可靠性测试集，确保GaN系统的设备在最具挑战性的环境中表现出行业领先的性能和寿命。”。

如图1所示，GaN的可靠性与Si的可靠性在同一数量级上。GaN功率器件已在参与该项目的一半以上车辆中使用公式E自2019年以来，实现了非常低的故障时间（FIT）率。威瑟姆评论道：“2022年，在动力系统中使用GaN系统的商用电动汽车生产已经开始。”。

图1:GaN、SiC和Si可靠性的比较

威瑟姆说：“我认为，在电动汽车中会有氮化镓，也会有碳化硅，这并不是所有的一种或另一种。这实际上取决于客户在其特定应用中如何重视这四个关键因素。”。

表演

从性能角度来看，与碳化硅和硅相比，GaN提供了更好的开关性能。这是因为开关损耗非常低，并且可以通过减小许多部件的尺寸来增加开关频率。另一方面，碳化硅在传导损耗方面表现非常好。

威瑟姆说：“设计工程师问自己，我的任务概况是什么，开关损耗还是传导损耗对我来说更重要？不同的应用和不同的客户的答案是不同的。”。

在汽车领域，威瑟姆从表1中建议，选择通常基于应用、车辆类别和“任务概要”。

表1:GaN或SiC选择的应用要求矩阵

DC-DC转换器和车载充电器通常会导致GaN，而牵引逆变器通常会导致SiC（尽管当降低开关损耗变得相关时，GaN可能是优选的）。原则上，对于中低功率要求，GaN提供了更有利的结果，而SiC主要用于高功率应用。

威瑟姆说：“有许多牵引逆变器的任务概况，其中开关损耗非常重要。我们在世界各地的牵引逆变器中有几种基于氮化镓的设计，包括800V系统。”。

根据Witham的说法，SiC和GaN都有各自的优点和缺点。开关损耗有利于GaN，而传导损耗有利于SiC。从性能角度来看，选择取决于客户的应用程序。

费用

威瑟姆指出，从成本角度来看，“碳化硅在降低成本方面做得很好。但氮化镓的成本结构基本上比碳化硅低，其成本接近硅”。

此外，他补充道，GaN本质上是绿色的，因为制造GaN晶体管所需的能量与制造SiC晶体管所需能量相比要低得多（少10倍到20倍）。可持续性成本正在成为成本方程中的一个重要变量。

威瑟姆表示，从产能的角度来看，碳化硅（SiC）目前供应不足。威瑟姆说：“一些芯片制造商无法向客户提供足够的产品，他们中的许多已经计划扩建或新建制造工厂，以解决这一短缺问题。”。

容量

Witham指出，SiC由于其有限的制造能力和不同的产率，无法满足快速增长的市场需求。因此，电动汽车和可再生能源等高要求应用的开发可能会受到限制。

威瑟姆说：“由于晶圆的晶体生长速度缓慢，制造SiC材料非常困难，这导致成本高和供应不足。相反，GaN具有强大的产能，不会出现短缺问题。”。

如何最好地比较GaN和SiC的可靠性？X-FAB视图

随着GaN和SiC技术的发展，这种宽带隙器件的可靠性不再受到质疑。在他们的网站上，许多公司提供了产品可靠性的证据，包括没有记录的现场故障的例子。此外，资格标准已经更新，以提供宽带隙器件可靠性测试指南（例如，GaN的JEP173或JEP180，SiC的JEP184或JEP190）。由于SiC是垂直PN结器件，GaN是横向HEMT器件，因此与它们相关的失效过程有些不同。GaN的术语“动态RdsON”和SiC的术语“栅氧化物可靠性”通常与可靠性相关。

“动态Rds（on）效应是由于电子在缓冲层、电介质或界面内的电荷捕获而产生的。这些电子降低了2DEG密度，增加了Rds_上。这种俘获是在器件切换时产生的，但在器件关闭时电子会被回收。GaN制造早期的一个主要问题是，俘获的电子会留在层中，导致Rds的不可逆增加_上从而随着时间的推移使器件性能恶化。然而，这种影响在今天得到了更好的理解，并且可以在制造过程中被抵消，”Jahnke说道。

她补充道， “SiC最令人担忧的可靠性减损因素是栅极氧化物可靠性，因为此处的任何缺陷都会直接导致致命的器件故障。衬底缺陷、颗粒或工艺变化可能会导致局部氧化物变薄，从而降低器件的寿命并导致早期故障。为了掌握这一点，栅极氧化物形成工艺是最关键的制造步骤之一，需要仔细优化装置的工艺和设计。此外，还实施了设备筛选步骤（例如老化测试），以检测早期故障，从而提高所装运设备的可靠性。”

根据X-Fab的说法，有更多的研究可用于证明SiC和GaN器件的可靠性，随着几个关键市场的日益信任，可靠性方面显然没有根本障碍。因此，他们将看到在汽车和工业等需要高可靠性的应用中采用宽带隙器件。

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，电力电子新闻.