氮化鎵(GaN)的材料屬性讓電源開關得以實現令人興奮且有突破性的全新特性—功率GaN。高電子遷移電晶體(HEMT)是一種場效應電晶體(FET)，可大幅降低導通電阻，其開關頻率要比同等大小的矽功率電晶體快上許多，這些優勢使得功率轉換的效能更高，並且能夠更加有效地使用空間。GaN可以安裝在矽基板上，充分利用矽製造能力，並降低成本。然而，在使用新技術時，需要驗證這項技術的可靠性。因此本文主題為GaN裝置品質鑑定。
歷經超過30年的經驗以及不斷的改進，這個產業理所當然地認為矽功率電晶體具有很高的穩定性。這種長期的用戶體驗已形成一整套成熟的品質鑑定法方法論；在這個方法論中，透過標準化測試便可認證可靠性和品質。
這些測試源自故障模式理解、活化能和加速因數方面的深入研究，以及推測使用壽命、故障率和缺陷率的統計與數學框架的開發。由於數代矽產品在實際使用情況下，使用期的壽命內都可正常工作，這個品質鑑定方法論現在已經被證明是有效且實用的。
然而，GaN電晶體是近期才被開發出來的材料。用在更昂貴的碳化矽基板上的RF GaN HEMT已經被廣泛應用於無線基地台內，其可靠性已經得到驗證。雖然基於相似的基本原理，功率GaN HEMT在實現更高電壓處理方面增加了更多的特性。它植根於矽基板上，並使用與矽製造相容的材料來降低成本。此外，出於故障安全的原因，它需要是一個增強模式(E-mode)，或者是常關裝置。
三種主要架構
這三款裝置會由於自身的原因，以及矽FET的影響而具有不同的故障模式，問題是如何鑑定它們的品質。基於矽的標準品質鑑定方法，是一個有價值且具有里程碑意義的品質和可靠性鑑定方法，但不清楚的是，在裝置使用壽命、故障率和應用相關方面它對於GaN電晶體的效用如何。
現已有廠商，如德州儀器(TI)，將可靠的半導體產品推向市場方面具有長期的經驗，其中包括鐵電隨機存取記憶體(FRAM)等非矽材料技術。藉由GaN相關品質鑑定方法論和應用相關測試，把可靠的GaN產品推向市場。
標準品質鑑定方法論
在鑑定矽功率裝置品質方面，有兩個標準化組織的品質鑑定方法受到廣泛使用：聯合電子設備工程委員會(JEDEC)；和汽車電子協會(AEC)。這些標準指定了很多測試，其中可以分為三類：靜電放電(ESD)、封裝和裝置。
靜電放電要求是一項強制的操作標準，所以ESD標準不太可能改變。封裝測試應跟針對矽晶片的測試相似，找到導致故障的根本原因，將會突顯出意外的故障機制。之前在矽晶片中使用的後端處理也同樣用於GaN，在這個背景下，由於封裝應力、結合表面相互作用等問題比較常見，所以這個相似性也就出現。然而，這個裝置類別是全新的，也因此特別具有重要性。後面的段落檢查了標準矽晶片品質鑑定方法論，並且描述了如何將這一方法論應用於GaN。
對矽晶片品質鑑定來說，標準應力下的執行時間為1000h，結溫至少為125℃。假定啟動能量為0.7eV，指定溫度加速因數為78.6。這使得125℃結溫下的1000h執行時間所受應力等於在Tj=55℃情況下，9年執行時間內所受應力。裝置在它們的最大工作電壓下進行品質鑑定。對於分立式功率FET，這通常選擇為最小擊穿電壓技術規格的80%。這意味著，在品質鑑定測試條件下，沒有內置的電壓加速；電壓加速只由溫度實現。由於Tj在55℃以上，通常高於75℃，這一點會對功率裝置產生巨大影響。
這個標準還指定了3個批次的產品，每個批次有77個元件，不應在應力下出現故障。231個元件中的零故障標準意味著容許不良率(LTPD)的值為1。這表示，你有九成的把握地宣稱，在推測的應力條件下，一個批次內有低於1%的元件是有缺陷的。換句話說，在Tj=55℃的溫度條件下工作9年，在最大工作電壓上被偏置。最初地最大故障率(FIT)大約為50。Tj=55℃下的FIT也是使用0.7eV的啟動能量，從231個元件的零故障結果中得出。
然而，除了靜態測試，還有一個動態測試。它被非常寬泛地定義為「有可能在一個動態工作模式下工作的裝置」，由廠商對測試進行定義。由於很難指定一個與大範圍不斷發展的應用和技術相對應的測試，所以缺少指定測試。指定測試也許不能與實際使用環境適當關聯，並且有可能產生錯誤故障，或者無法加快有效故障機制。
對於矽FET來說，品質鑑定方法的可信度已在多年的實際使用過程中建立起來。與GaN等全新技術不同的是，裝置廠商負責確定它們的動態測試可以預測實際使用的工作情況。因此，需要開發出應用相關的應力測試，可以在實際使用條件下驗證可靠性。
最後，需要注意的一點是，GaN無法耐受雪崩能量。也就是說，裝置將在被擊穿時損壞。這是一個需要解決的問題，特別是對於功率因數校正(PFC)電路等高壓應用來說更是如此；在這些應用中，裝置可能會受到有過壓事件影響，比如說電力線路上的閃電尖峰放電。
標準品質鑑定方法論適用性
JEDEC和AEC標準均基於健全的基本原理，不過技術上比較落後。雖然通過矽產品品質鑑定是一件有價值的、里程碑式的重大事件，但使用者需要一個能在實際使用條件下，在所需的使用壽命內，比如說10年，以低故障率持續使用的產品。因此，推出FRAM、成比例CMOS、GaN等新技術的公司需要瞭解這些標準的基本原理。在JEDEC品質鑑定方法論中，主要的促進要素是溫度。根據下列方程式計算出加速因數(AF)，在這裡EA是啟動能量，而k是玻茲曼常數。
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| 表1 不同應力參數對可靠性和品質推測資料的影響 |
如果在應力溫度Tj=125℃、使用溫度Tj=55℃，並且活化能大約為0.7eV的情況下使用此方程式，得出的加速因數將為78.6。這也是Tj=125℃情況下1000h應力大致相當於Tj=55℃情況下使用10年的原因。在已經發表的文獻中，GaN的活化能在1.05到2.5eV之間變化。這些寬範圍的值表現出世界上不同實驗室和公司內裝置、製程和材料間的差異。這個範圍能夠提供大幅變化的加速因數，比如EA=1.05eV下的687到EA=2.5eV下5百萬以上的值。有必要確定與架構有關的活化能和裝置架構，反映在最終產品上。
將實際工作中的結溫考慮在內也很重要。由於其所具有的寬頻隙，比起矽材料，GaN更能在高溫環境中工作。這一點對於電力電子產品很重要。表1是125℃應力溫度下的1000h矽技術規格與其它幾種情況下的比較。從表1中可以看出，如果需要105℃的結工作溫度，假定啟動能量為0.7eV，非加速時間從9年減少為0.3年。透過將應力溫度增加到150℃(這是一個針對標準封裝的實際限值)，有可能將這個時間增加到1.1年。在這個情況下，應力測試並不符合現場等效使用壽命，或者解算出大約50FIT的最大FIT率條件。然而，它的確是一項可靠且高品質，里程碑式的測試方法。
代表10年使用時間的1000h應力測試，需要一個值為87.6的加速因數，並且在1.37活化能下實現。例如「基於AIGAN/GaN的HEMT故障物理學和可靠性：影響閘極邊緣和肖特基結的機制」一文中，1.05eV的更低活化能將需要2.84倍的電壓加速，或者約延長6到17周的持續時間。過度電壓加速會導致不具代表性的故障模式，而持續時間將延長新品開發時間。根據故障模式和封裝內可提供的加速的不同，也許無法實現能夠表示所需現場等效使用壽命的品質鑑定測試。使用壽命要求由晶圓級可靠性測試提供保證，並且由已封裝元件的擴展持續時間應力測試進行驗證。
根據GaN的特定故障模式來設定故障標準很重要。一個特別的故障就是動態Rds導通電阻值增加，也被稱為電流崩潰。這一故障由緩衝和頂層的負電荷陷獲所導致。電荷會在施加高壓時被誘陷，並且不會在裝置接通時立即耗散。
被捕捉的負電荷排斥來自通道層的電子，而導通電阻值會由於通道層內的電子數量的減少而增加(圖1)。隨後，導通電阻值隨著被捕捉電荷的耗散而恢復。這一影響降低了效率，並且會使得裝置自發熱量過多，並且會過早地出現故障。
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| 圖1 一個GaN裝置的電路橫截面顯示被陷獲的電子如何通過減少通道層中的電子數量來增加導通電阻值。 |
此外，捕捉密度會隨著裝置老化而增加，從而使得動態導通電阻值的影響更加嚴重。德州儀器有專門的硬體來監視應力測試過程中的動態導通電阻值，這讓該公司能確保發布的產品沒有這方面的問題。
應用相關測試
雖然DC測試方法在對大量元件進行測試時相對簡單，它們可能無法預測GaN是否在實際應用中具有10年的使用壽命。硬開關應力不同于DC應力。硬開關功率轉換器具有電感開關變換，在這個期間，裝置同時受到高電流和高壓的影響。由於FET通道需要漏電壓、Vds、下降前灌入整個電感器電流，並且對那個節點上的其它裝置進行反向恢復放電，接通變換是一個應力最高的過程。它還需要在Vds下降時承載裝置放電輸出和開關節點電容內的額外電流。由於FET通道在Vds較低，並且電感器電流為各自的電容器充電時關閉，所以關閉的應力相對較低。
裝置應力由使用圖2中所示拓撲的升壓轉換器顯示。圖3中顯示的是初級側開關(FET1)上硬開關接通變換的模擬結果。輸入電壓為200V，而電感器電流為5A(負載電流大約為2.5A)。在這個情況下，當FET1關閉時，由於鉗制FET(FET2)導電，它的漏電壓大約鉗制在400V。因此，當FET1接通時，它需要在Vds開始下降之前灌入整個電感器電流(區域A)。
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| 圖2 簡單的升壓轉換器拓撲 |
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| 圖3 針對硬開關變換的接通轉換 |
隨著漏電壓下降(區域B)，FET需要將開關節點上的電容器放電。這些電容器中的電荷來自鉗制FET、電路板引線和其它連接的元件。由於使用了GaN FET，所以沒有來自這個鉗位的反向恢復電流。V-I關係曲線(圖4)顯示出，在高Vds時，會汲取大量電流。在這個情況下，大約比電感器電流高6A。由於FET的漏電容通過通道放電，實際的FET通道電流更高。例如，值為50pF，轉換率為60V/ns的漏電容會增加額外的3A電流。
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| 圖4 電感開關變換的V-I關係曲線顯示出漏極偏置電壓較高時會出現數量可觀的電流。FET漏電容的放電增加了額外的通道電流，例如，60V/ns的50pF電容值會增加3A電流。 |
硬開關開通時，高Vds時充足的FET通道電流會導致熱載子生成，正因如此，裝置需要穩健耐用。此外，大裝置陣列會遇到不一致的開關，這有可能會使裝置電流湧入最先接通的那一部分裝置陣列，並且超過本地額定值。高dv/dt開關還會將電容電流引入裝置裡多餘的區域，比如說端子。可靠性測試必須要完成，特別是在需要確保裝置在硬開關應用中的穩健耐用性時更是如此，並且可靠開關安全工作區(SOA)限定了裝置的用戶使用條件。
為了驗證硬開關穩健耐用性，德州儀器已經開發出一個基於簡單升壓轉換器的電感開關單元(圖5)。根據JEDEC建議進行選型，即「取決於故障模式和相關的機制，實際產品的複雜度有可能會掩蓋固有的故障機制，所以試驗模型也許會更受歡迎。」
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| 圖5 針對電感開關應用測試的試驗模型 |
當GaN FET關閉時，電感器電流通過一個二極體再次流至輸入端，這就免除了對負載電阻器的需要，也能達到節能的目的。這個單元與處於連續電流模式下的電感器一同工作。既然目標是開關變換，只要通過使用短占空比，就可達到節能的目的。這個元件能夠因應施加的電壓、電流、頻率，以及裝置所處環境的溫度而改變。額外的漏電流(圖4)由二極體電容提供。
額外電容可按需求增加。這個元件還具有一個硬體，可以在開關變換的1微秒後測量裝置的動態導通電阻(dRds-on)。由於dRds-on會隨著應力而增加，從而導致導電損耗增加、效率降低，因此這個即時監視功能是很有必要的。在產品中，不斷增加dRds-on將導致過多的裝置自發熱和過熱故障。由於Rds-on性能下降會恢復，不太可能通過將應力停止，在「上拉或下拉點」上獲得這些資料。監視這個關鍵GaN故障參數使開發商能夠避免推出的產品出現這個問題。
除了電感開關測試，GaN多晶片模組需要在系統中進行評估，並且在實際的產品使用條件下工作。這樣可以驗證與其它系統元件的交互作用，並且暴露出未知的故障機制。即使單個元件是可靠的，它們之間的交互作用也可能會在意料之外。
例如，在一個共源共閘GaN裝置中，通過GaN裝置漏源電容的電荷耦合會使得矽共源共閘裝置在關閉變換期間出現雪崩擊穿。
有必要專門來說一說雪崩擊穿的耐受性。目前，GaN HEMT並未顯現出雪崩能力。由於GaN本身是支援雪崩的，所以這也許會隨著技術成熟而改進。與此同時，德州儀器正在設計產品，來解決遇到的過壓情況。例如，在PFC應用的情況下，如果電力線被閃電擊中時，FET上的電壓有可能短暫上升到高達700V。對於這個應用，將製造出能夠至少耐受750V尖峰電壓的GaN裝置。
(本文作者任職於德州儀器)