SiC和GaN：新一代半導(dǎo)體能否實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠性?

近年來(lái)，電力電子應(yīng)用中硅向碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)的轉(zhuǎn)變?cè)絹?lái)越明顯。在過(guò)去的十年中，SiC和GaN半導(dǎo)體成為了推動(dòng)電氣化和強(qiáng)大未來(lái)的重要力量。得益于其固有特性，寬禁帶半導(dǎo)體正在逐漸取代許多電力應(yīng)用中的傳統(tǒng)硅基設(shè)備。硅的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，其應(yīng)用的可靠性一直很高。如今，有必要驗(yàn)證這兩種新型半導(dǎo)體在長(zhǎng)期使用中是否能夠提供相同的安全前景，以及它們?cè)谖磥?lái)是否會(huì)成為設(shè)計(jì)師可信賴的選擇。

如今，應(yīng)用的需求日益增長(zhǎng)，要求能夠管理更高電壓、頻率和溫度的能源和電力，同時(shí)保持效率和可靠性。新材料碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)作為寬帶隙半導(dǎo)體，展現(xiàn)出廣闊的前景，并在電力電子應(yīng)用中相較于傳統(tǒng)硅材料提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。然而，盡管目前新材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其長(zhǎng)期可靠性仍然是大規(guī)模采用的持續(xù)研究主題。隨著這項(xiàng)技術(shù)逐漸成熟，關(guān)于其長(zhǎng)期可靠性的疑慮也自然隨之而來(lái)。

寬帶隙半導(dǎo)體在極端電力應(yīng)用中的使用必須伴隨對(duì)設(shè)備可靠性的仔細(xì)評(píng)估和分析。毫無(wú)疑問(wèn)，新的SiC和GaN設(shè)備相比于硅具有更優(yōu)越的特性，包括更高的Vds電壓、更低的Rds(ON)電阻以及更高的開(kāi)關(guān)速度。這些特性使得可以構(gòu)建具有更高功率密度、降低損耗和更好整體效率的系統(tǒng)和電路。然而，SiC和GaN獨(dú)特的屬性也帶來(lái)了新的可靠性挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)師和企業(yè)必須更加關(guān)注的一個(gè)主要參數(shù)是設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，尤其是在高電壓和高溫操作條件下。高電場(chǎng)和熱應(yīng)力可能導(dǎo)致柵氧化層的降解、通道遷移率的降低以及與封裝本身相關(guān)的故障。這種情況尤其發(fā)生在MOS設(shè)備的柵極受到熱和電的壓力時(shí)。此外，材料中新缺陷的形成也可能對(duì)這些設(shè)備的可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

然而，與研究并行，針對(duì)進(jìn)一步提升SiC和GaN設(shè)備可靠性的研究也在進(jìn)行中，通過(guò)改善材料質(zhì)量、設(shè)備設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，以增強(qiáng)它們的韌性和使用壽命。企業(yè)和制造商在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際操作環(huán)境中執(zhí)行加速老化程序和極端條件下的測(cè)試，以評(píng)估長(zhǎng)期性能并識(shí)別潛在的故障模式。加速測(cè)試可以在確定加速應(yīng)力壽命后，用于預(yù)測(cè)在正常最終使用條件下產(chǎn)品的使用壽命。這些評(píng)估在電力設(shè)備的測(cè)試中起著至關(guān)重要的作用，使操作員能夠評(píng)估和分類滿足溫度和電氣應(yīng)力要求的產(chǎn)品。

圖1

測(cè)試主要關(guān)注設(shè)備的工作溫度極限和在DS通道中多次重復(fù)施加的強(qiáng)電流的監(jiān)督。這些測(cè)試實(shí)施連續(xù)和交替的電氣和熱測(cè)試，并能生成詳細(xì)的最終報(bào)告。我們知道，電子元件的最大敵人就是高溫。圖1顯示了SiC MOSFET的電流和功率的典型趨勢(shì)，工作溫度在-60°C到+200°C之間變化(在給定負(fù)載和供電電壓的電路仿真中)。雖然電流幾乎保持不變并在溫度升高時(shí)略有下降，但功率耗散在整個(gè)范圍內(nèi)卻出現(xiàn)了劇烈的增加(甚至超過(guò)5倍)。這意味著在長(zhǎng)期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，縮短設(shè)備的使用壽命。

SiC和GaN組件的可靠性

SiC和GaN屬于一種新型現(xiàn)代技術(shù)，盡管它們?cè)谠S多電力應(yīng)用中已經(jīng)被廣泛使用，但仍然未完全成熟。隨著它們的使用呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，材料可靠性的概念正受到越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是在安全領(lǐng)域，涉及的行業(yè)眾多，汽車行業(yè)首當(dāng)其沖。SiC設(shè)備的主要問(wèn)題之一與柵氧化層相關(guān)，該層不斷變薄，可能導(dǎo)致降解(見(jiàn)圖2)。

這種缺陷可能直接導(dǎo)致設(shè)備的嚴(yán)重故障。在SiC MOSFET設(shè)備開(kāi)始商業(yè)化時(shí)，它們的可靠性水平遠(yuǎn)低于硅的同類產(chǎn)品，但這一差距正在逐漸縮小?？傮w而言，涉及的故障過(guò)程略有不同，因?yàn)镾iC是垂直P(pán)N結(jié)設(shè)備，而GaN是橫向HEMT設(shè)備。在電力和高電壓應(yīng)用中，MOSFET的穩(wěn)健性極為重要。

MOSFET或二極管在用于任何最終解決方案之前，必須經(jīng)過(guò)多種測(cè)試。半導(dǎo)體產(chǎn)品可靠性測(cè)試的目的是確保設(shè)備的長(zhǎng)壽命。許多應(yīng)用要求中或長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命和低故障率。一些測(cè)試可能需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成，而通常這種要求并不完全可行。因此，許多測(cè)試通常會(huì)對(duì)組件進(jìn)行壓力測(cè)試，通過(guò)故意加速一些參數(shù)(如電壓、電流、溫度和濕度)來(lái)縮短時(shí)間。

SiC MOSFET的可靠性主要受到熱應(yīng)力的影響，而熱應(yīng)力又依賴于操作條件。由于這些溫度變化，模塊內(nèi)部的材料會(huì)發(fā)生降解。典型的熱故障發(fā)生在具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間，尤其是在絕緣基板和基板之間的接觸點(diǎn)。制造商在設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)程和生命周期早期階段進(jìn)行電子元件的可靠性研究和評(píng)估。只有這樣，才能確?；赟iC和GaN的組件安全可靠地運(yùn)行。

設(shè)備應(yīng)力測(cè)試涉及在類似真實(shí)世界的操作條件下并聯(lián)測(cè)試數(shù)千個(gè)設(shè)備。這些測(cè)試持續(xù)超過(guò)四個(gè)月，使操作員能夠獲得足夠的故障數(shù)據(jù)，以便描繪出相對(duì)可靠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。一些方法可以通過(guò)柵電壓應(yīng)力測(cè)試估算MOS設(shè)備的柵氧化層穩(wěn)定性。對(duì)于一組樣本，按照制造商規(guī)定的最大結(jié)溫進(jìn)行操作測(cè)試。在測(cè)試期間，柵電壓從制造商推薦的電壓逐漸增加。在每個(gè)時(shí)間間隔結(jié)束后，計(jì)算失敗設(shè)備的數(shù)量并將其從測(cè)試電路中剔除。測(cè)試持續(xù)到所有設(shè)備失效，此時(shí)可以使用特定的數(shù)學(xué)模型可視化故障分布。

許多制造商為SiC-MOSFETs制造極高可靠性的柵氧化層薄膜，可靠性與Si-MOSFETs相當(dāng)，而后者現(xiàn)在是一個(gè)極其成熟的領(lǐng)域，其結(jié)果與前者相當(dāng)。許多測(cè)試是在操作條件極限下進(jìn)行的，確認(rèn)了數(shù)千小時(shí)的無(wú)故障操作。某些故障涉及體二極管導(dǎo)通的降解，這會(huì)導(dǎo)致電流路徑發(fā)生變化，并引起Rds(ON)和二極管Vf參數(shù)的增加。與硅MOSFET相比，SiC-MOSFET的芯片面積更小、電流強(qiáng)度更高。因此，它們的短路承受能力也較低。

平均而言，這些設(shè)備的短路耐受時(shí)間在幾十微秒的量級(jí)。這一時(shí)限還取決于電壓Vgs和Vdd。在高海拔和太空應(yīng)用中，宇宙射線可能會(huì)引發(fā)擔(dān)憂。相關(guān)的輻射測(cè)試表明，大多數(shù)模型非常耐用。此外，考慮到SiC芯片的體積小于硅，因靜電放電(ESD)導(dǎo)致的故障概率較高。因此，有必要采取適當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施，通過(guò)離子發(fā)生器和接地手環(huán)消除人體和工作環(huán)境中的靜電。

結(jié)論

汽車行業(yè)以其嚴(yán)格的可靠性要求推動(dòng)了SiC和GaN設(shè)備的創(chuàng)新。由于其在效率、尺寸和重量方面的優(yōu)勢(shì)，這些半導(dǎo)體在電動(dòng)車輛中的應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，但其長(zhǎng)期可靠性的證明是確保車輛安全和耐用性的關(guān)鍵因素。像汽車這樣的高要求市場(chǎng)對(duì)可靠性標(biāo)準(zhǔn)提出了非常高的要求，故障率達(dá)到十億分之一(PPB)級(jí)別。盡管得益于技術(shù)進(jìn)步，SiC和GaN設(shè)備的可靠性不再受到質(zhì)疑，但這仍然是一個(gè)活躍且不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域。

確保這些設(shè)備滿足真實(shí)應(yīng)用的嚴(yán)格可靠性要求的努力正在為電力電子技術(shù)的革命鋪平道路。隨著持續(xù)的發(fā)展和廣泛的采用，SiC和GaN有望塑造一個(gè)更加電氣化和可持續(xù)的未來(lái)，鞏固其作為能源轉(zhuǎn)型關(guān)鍵技術(shù)的地位。

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