【導讀】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損耗的器件。測試表明，在 150-kHz、1,200-V、7.5-kW DC/DC 轉換器應用中，溫度較低的器件運行溫度約為 25°C。據估計，這種溫差可將器件壽命提高 3 倍。該公司對其 SiC 產品進行了 100% 的雪崩測試，其示例如圖 3 所示。
Innoscience 和其他公司已經超越了標準的可靠性和生產測試來強調部件失效，推斷出可以估計 1 ppm 故障率壽命的壽命曲線。動態導通電阻 (R DS(on) ) 作為 GaN 在開關應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通過多項工藝改進解決了這個問題。控制 e-mode HEMT 柵極中的鎂摻雜分布以及 Innoscience 的應變增強層 (SEL) 技術的使用顯著改善了動態 R DS(on) 行為，在整個電壓、溫度范圍和1,000 小時的電阻開關周期，如圖 1 所示。
圖 1：在柵極中使用 SEL 改善 GaN 動態 RDS(on)（：PCIM 2023 小組討論期間的 Innoscience）
另一個備受關注的領域是 GaN HEMT 器件缺乏雪崩能力。然而，這些設備固有的高過壓能力使它們可以安全使用，并具有超過正常設備工作電壓的足夠瞬態余量。Innoscience 現在已經在幾年內出貨了 1.2 億個 GaN 部件，零退貨。
英飛凌科技 SiC 副總裁 Peter Friedrichs 表示，在 SiC 器件的早期開發階段（2011 年左右），客戶發現了幾個與器件穩定性相關的問題。這些是 SiC 所獨有的，因此需要加以了解。設備必須在標準資格流程之外進行測試，并強調觸發故障模式以導出故障模型。圖 2 中的典型浴缸故障率曲線顯示了這種用于測量設備磨損的穩健測試。
圖 2：SiC 器件的穩健性驗證（：PCIM 2023 小組討論期間的 Infineon Technologies）
設備的操作模式可以調節故障行為。一旦理解了故障模式，就可以使用它來改變硅片中通常使用的鑒定過程。例如，傳統上用于硅器件鑒定的 1,000 小時壓力測試是否足以用于 SiC。英飛凌還沒有一個 SiC 領域失敗返回。
onsemi 的技術人員 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勢。這包括從晶體生長一直到器件封裝的能力。因此，它可以嚴格控制整個流程以確保高質量的處理和在線檢查，以排除任何致命缺陷、老化電氣篩選和動態部件平均測試以去除異常值。客戶應用程序任務概況是為此定制資格計劃的關鍵步驟。Onsemi 是 JEDEC、ARC 和 AQG324 等質量標準制定委員會的積極參與者。
Navitas Semiconductor 收購了 GeneSiC，現在同時生產 SiC 和 GaN 功率器件。Navitas 企業營銷和投資者關系副總裁 Stephen Oliver 表示，該公司在 GaN 方面的方法是將驅動器和其他傳感和保護功能整體集成到 GaN 芯片本身中。這允許增加可靠性增強功能，例如在引腳上具有 2kV ESD 保護、過熱和過流保護以及更受控的柵極驅動。
Navitas 已出貨超過 7500 萬個 GaN IC 部件，現場使用時間超過 5000 億小時。故障率 <1 ppm。Navitas 以高速（2 MHz）測試其 GaN 產品，這對于發現和解決器件開發過程中的一些問題至關重要。硬開關與軟開關等特定于應用程序的測試可能會顯示出獨特的故障特征。
在 SiC 方面，GeneSiC 使用溝槽輔助平面柵極工藝流程，確保可靠的柵極氧化物和具有較低傳導損耗的器件。測試表明，在 150-kHz、1,200-V、7.5-kW DC/DC 轉換器應用中，溫度較低的器件運行溫度約為 25°C。據估計，這種溫差可將器件壽命提高 3 倍。該公司對其 SiC 產品進行了 100% 的雪崩測試，其示例如圖 3 所示。
圖 3：GeneSiC 對 SiC MOSFET 的雪崩測試波形（：Navitas Semiconductor 在 PCIM 2023 的小組討論中）
在討論的問答階段，有人問了一個關于生產可靠性篩選測試的重要性的問題。Lidow 解釋說，設備中的外在缺陷通常可以通過生產過載測試來篩選出來。可以通過定期抽樣和運行高度加速的壓力測試來發現內在缺陷。這可以確保不會產生新的故障模式。
Guitart 表示，onsemi 已經證明 SiC 器件上的固有柵極氧化物是堅固的。事實上，溝槽硅 FET 需要超過 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 中進行了描述，該圖顯示了相同厚度下的失效曲線。關鍵是控制和避免外在缺陷，這涉及高質量的晶體生長、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（：PCIM 2023 小組討論期間的 onsemi）
另一個問題是關于工業和汽車應用之間可靠性要求的差異。Lidow 回答說，也許嚴格的要求可能是在太陽能逆變器應用中。在這里，鳳凰城的一位客戶希望獲得 35 年生命周期內的可靠性數據。EPC 進行了一項研究，以研究各種壓力源，從而開發故障率模型。圖 5 顯示了柵極氧化層電壓、動態 R DS(on)和封裝的熱機械循環的應力源。在這種情況下，發現熱機械循環是主要的故障限制因素，35 年的 12,775 次循環預計將產生 1% 的故障率。
圖 5：EPC 對各種壓力源的 35 年故障率研究（：EPC 在 PCIM 2023 的小組討論中）
Friedrichs 還回答說，雖然汽車 0-ppm 故障要求更嚴格，但他們的任務配置文件通常使用時間更短。因此，具有各種任務配置文件的工業應用程序可用于在汽車使用之前開發和改進設備。此外，系統級研究對于了解功率器件周圍的生態系統及其相互作用也很重要。
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