GaN HEMT可靠性:为什么业界不能就一个测试标准达成一致

GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)由于其特殊的耐高温性和高功率密度，在半导体行业获得了青睐。因此，这些设备可以存在于航空航天和军事应用的更苛刻的条件下。但这些行业对任何功率器件(硅或GaN)都要求严格的质量和可靠性标准，而这正是GaN HEMTs遇到问题的地方。

氮化镓HEMT与硅MOSFET的基本电学特性比较。图片由富士通

虽然有超过50年的硅功率器件的标准化质量保证测试方法，但没有类似的氮化镓(GaN)功率器件的标准化测试。

为什么同样的硅测试方法不能用于氮化镓以确保其可靠性?为了回答这个问题，我们可以先看看两个专注于高质量可靠性测试的委员会:JEDEC和AEC。

现行测试标准:JEDEC和AEC

联合电子器件工程委员会(JEDEC)负责为半导体电路和存储设备建立一套广泛的存储标准。在超过50年的时间里，JEDEC已经为从DDR4这样的主存到宽带隙半导体的微电子领域创建了开放标准。雷竞技最新app

虽然GaN器件被包括在宽带隙半导体的范围内，JEDEC在今年2月提供了一份关于GaN功率转换器件的文件仅为这些设备的开关可靠性建立测试方法。

硅mosfet与氮化镓HEMTs的开关特性。图片由富士通

汽车电子委员会(AEC)是由克雷竞技最新app莱斯勒、福特和通用汽车公司在20世纪90年代成立的，目的是为标准化的汽车系统建立通用零件质量。制造商严重依赖AEC的指导方针是因为它对晶体管、二极管和其他分立半导体有明确的可靠性标准。也许是原子能委员会以AEC-Q100标准著称于电子设计师，为测试集成电路中的故障机制提供了指导。

尽管AEC为汽车、国防和航空航天应用提供了指导方针，但它未能解决越来越多地转向GaN电源设备的开发技术，如通信基站。

什么是GaN HEMTs?

GaN HEMTs是场效应晶体管(fet)，可以比硅功率晶体管切换更快。这一特点，再加上GaN HEMTs占地面积小，使得器件更节能，同时为外部组件创造更多空间。这些设备也可以在更高的电压下工作。

简化的GaN HEMT结构。感谢使用截图NovaTCAD

但是，由于没有一个明确的路径来测试GaN器件的可靠性，因此很难确定器件寿命、故障率和应用相关性。

意大利帕尔马大学的Roberto Menozzi教授讨论了基于gan的HEMT器件可靠性测试的不足。“如果看一下科学文献，关于基于gan的HEMT可靠性的知识库似乎有一些特征，表明成熟度目标仍然遥遥领先。”

如果基于GaN的HEMT可靠性的标准化测试方法已经遥遥领先，那么制造商将如何帮助提供高质量的GaN器件呢?

公司创建内部GaN HEMT可靠性测试

为了确保GaN HEMTs的可靠性，许多半导体制造商都制定了自己的内部测试程序。以下是一些特定于公司的标准。

德州仪器公司

德州仪器的GaN可靠性设备和建模经理Sandeep R. Bahl分享美国仪器公司(TI)检验GaN产品的方法的简要分解。

首先，压力测试会在一定时间内加速设备上的温度。对于硅，计算的加速因子约为0.7eV活化能，而对于GaN器件，该因子可以在1.05eV到2.5eV之间。这个范围可能会导致不可预测的环境，这使得确定准确的寿命和准确的故障模式变得更加困难。

用于感应开关应用试验的试验车辆图。图片由德州仪器公司

TI报告说，由于GaN器件的宽禁带允许器件在比硅更高的温度下工作，因此在测试GaN器件时很少出现问题。虽然TI公司坚持JEDEC和AEC进行可靠性测试，涉及到实际使用环境中的导电静电放电(ESD)、封装效应和器件反应，但Sandeep认为GaN的可靠性测试“留给制造商来定义测试。”

氮化镓系统

如钛、GaN Systems也看到了在模拟苛刻条件下进行应力测试以确定GaN产品的价值找出失败机制。GaN系统公司已经找到了方法来修改曾经用于硅功率器件的测试，以确定GaN的可靠性。GaN Systems用于测试的关键要素是识别故障模式，确保长期磨损，并模拟真实应用。

为了测试最小到无故障，GaN Systems执行了健壮的故障模式分析，该分析在高风险的故障模式下进行测试，并与可信的合作伙伴进行协作反馈会话。在分析过程中，设备长期处于加速电压、温度和湿度下。

有了JEDEC和AEC-Q101作为其测试方法的基础，GaN系统能够识别外部和内部故障。

MACOM

自2006年以来，MACOM对GaN-on-Si技术进行了测试，用于无线基站基础设施的军事和国防应用。测试围绕在极端温度，湿度和电压变化的工作。

MACOM的第一个测试被称为高加速压力测试(高加速压力测试)，该测试利用JEDEC程序在96小时的密集压力测试中模拟了20年的系统生命周期。

MACOM的自动加速可靠性测试系统可以执行多达60个设备。图片(截图)由MACOM

测试阶段的下一步是高温操作寿命(HTOL)测试，这要求在数据表规定的假设温度下操作时零故障。同样的计划进入“关闭”状态来查看设备的故障行为。

最后的可靠性试验是加速寿命(ALT)应力试验。该试验观察设备的退化和失效，以确定其预期寿命。

英飞凌

英飞凌科技公司开发了一个由四个部分组成的流程符合其CoolGaN 600V技术和产品。

第一阶段要求开发人员根据JEDEC和AEC-Q101指南为GaN设备创建应用程序概要。该概要包括设备在操作过程中可能遇到的潜在压力源的列表。

第二阶段是建立质量要求档案，评估终端客户对设备的目标:其目标寿命、最大允许故障率、ESD额定值和工作湿度要求。

第三阶段批判性地进行可靠性调查，以寻找内在和外在的失效模式。如果设备磨损或某些材料恶化时出现故障，则测试产生固有故障。

英飞凌的可靠性浴缸曲线允许观察失效机制随时间的变化。图片由英飞凌科技

最后阶段涉及创建GaN设备中关键故障的退化模型，如“可靠性浴缸曲线”。这条曲线显示了三种失效状态:早期寿命、持续寿命和磨损区域。

为什么制造商有自己的检测方法?

答案很简单:保持竞争优势。业界还没有为GaN HEMTs建立一个标准化的可靠性和资格测试的主要原因是希望保持领先地位。每个公司都有自己的专业GaN IP和工艺可靠性测试自己的设备。

要建立一个全行业的标准，需要多个制造商结合他们的知识，并在未来几十年的测试中达成一致。