高電子遷移晶體管(HEMT)。HEMT是一種場效應晶體管(FET)，huishidaotongdianzuhuidihenduo。tadekaiguanpinlvyaobitongdengdaxiaodeguigonglvjingtiguanyaokuai。zhexieyoushishidegonglvzhuanhuandenengxiaogenggao，bingqienenggougengjiayouxiaodishiyongkongjian。GaN可(ke)以(yi)安(an)裝(zhuang)在(zai)矽(gui)基(ji)板(ban)上(shang)，這(zhe)樣(yang)可(ke)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)矽(gui)製(zhi)造(zao)能(neng)力(li)，並(bing)實(shi)現(xian)更(geng)低(di)的(de)成(cheng)本(ben)。然(ran)而(er)
，在(zai)使(shi)用(yong)新(xin)技(ji)術(shu)時(shi)
，需(xu)要(yao)驗(yan)證(zheng)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。這(zhe)份(fen)白(bai)皮(pi)書(shu)的(de)主(zhu)題(ti)恰(qia)恰(qia)是(shi)GaN器件質量鑒定。

 

 

由於有超過30niandejingyan，bingqiejingguobuduangaijin

，zhegexingyelisuodangrandirenweiguigonglvjingtiguanjuyouhengaodewendingxing。zhezhongchangqideyonghutiyanyijingxingchengleyizhengtaochengshudezhiliangjiandingfafangfatixi；在這個方法體係中
，可靠性和質量由運行標準化測試進行認證。這些測試來源於故障模式理解
、激勵能量和加速因子方麵的深入研究，以及推測使用壽命、故(gu)障(zhang)率(lv)和(he)缺(que)陷(xian)率(lv)的(de)統(tong)計(ji)與(yu)數(shu)學(xue)框(kuang)架(jia)的(de)開(kai)發(fa)。由(you)於(yu)數(shu)代(dai)矽(gui)產(chan)品(pin)可(ke)以(yi)在(zai)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)條(tiao)件(jian)下(xia)
，實(shi)現(xian)真(zhen)正(zheng)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)內(nei)的(de)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)
，這(zhe)個(ge)質(zhi)量(liang)鑒(jian)定(ding)方(fang)法(fa)體(ti)係(xi)現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)被(bei)證(zheng)明(ming)是(shi)有(you)效(xiao)且(qie)實(shi)用(yong)的(de)。

 

然而

，GaN晶體管是近期才被開發出來的器件。更加昂貴的碳化矽基板上的RF GaN HEMT已經被廣泛應用於無線基站內，並且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(zai)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)電(dian)壓(ya)處(chu)理(li)方(fang)麵(mian)增(zeng)加(jia)了(le)更(geng)多(duo)的(de)特(te)性(xing)。它(ta)植(zhi)根(gen)於(yu)矽(gui)基(ji)板(ban)上(shang)，並(bing)且(qie)使(shi)用(yong)與(yu)矽(gui)製(zhi)造(zao)兼(jian)容(rong)的(de)材(cai)料(liao)來(lai)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。此(ci)外(wai)，出(chu)於(yu)故(gu)障(zhang)安(an)全(quan)的(de)原(yuan)因(yin)，它(ta)需(xu)要(yao)是(shi)一(yi)個(ge)增(zeng)強(qiang)模(mo)式(shi) (e-mode)，或者是常關器件。

 

 

1. 與一個e-mode Si FET共源共柵的耗盡模式 (d-mode) 絕緣柵極GaN HEMT；2. e-mode絕緣柵極GaN HEMT
；3. P型e-mode結柵極GaN HEMT。這三款器件會由於自身的原因，以及矽FET的de影ying響xiang而er具ju有you不bu同tong的de故gu障zhang模mo式shi，問wen題ti是shi如ru何he鑒jian定ding它ta們men的de質zhi量liang。基ji於yu矽gui的de標biao準zhun質zhi量liang鑒jian定ding方fang法fa是shi一yi個ge有you價jia值zhi且qie具ju有you裏li程cheng碑bei意yi義yi的de質zhi量liang和he可ke靠kao性xing鑒jian定ding方fang法fa，但dan不bu清qing楚chu的de是shi，在zai器qi件jian使shi用yong壽shou命ming、故障率和應用相關性方麵它對於GaN晶體管的效用如何。

 

德州儀器 (TI) 是半導體技術方麵的行業領導者
，在將可靠的半導體產品推向市場方麵具有長期的經驗，其中包括鐵電隨機訪問存儲器 (FRAM) 等非矽材料技術。在通過GaN相關質量鑒定方法體係和應用相關測試
，把可靠的GaN產品推向市場方麵，我們具有很大的優勢。

 

 

在鑒定矽功率器件質量方麵，有兩個標準化組織的質量鑒定方法體係得到廣泛使用：聯合電子設備工程委員會(JEDEC)；和汽車電子協會(AEC)[2, 3, 4, 5]。這些標準指定了很多測試，其中可以分為三類：靜電放電 (ESD)、封裝和器件。

 

靜電放電要求是一項強製的操作標準，所以ESD標準不太可能會發生變化。封裝測試與那些針對矽芯片、已經完成的測試相類似，需要找到導致故障的根本原因，以強調意外的故障機製。之前在矽芯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jie合he表biao麵mian相xiang互hu作zuo用yong等deng問wen題ti比bi較jiao常chang見jian


，所suo以yi這zhe個ge相xiang似si性xing也ye就jiu凸tu現xian出chu來lai。然ran而er，這zhe個ge器qi件jian類lei別bie是shi全quan新xin的de，並bing因yin此ci具ju有you特te別bie的de重zhong要yao性xing。後hou麵mian的de段duan落luo檢jian查zha了le標biao準zhun矽gui芯xin片pian質zhi量liang鑒jian定ding方fang法fa體ti係xi，並bing且qie描miao述shu了le如ru何he將jiang這zhe一yi方fang法fa體ti係xi應ying用yong於yuGaN。

 

對於矽芯片質量鑒定來說，標準應力下的運行時間為1000h，結溫至少為125°C。假定激活能量為0.7eV，指定溫度加速因子為78.6 。這使得125°C結溫下的1000h運行時間所受應力等於Tj = 55°C情況下，9年運行時間內所受應力。器件在它們的最大運行電壓下進行質量鑒定。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，在質量鑒定測試條件下，沒有內置的電壓加速；電壓加速隻由溫度實現。由於Tj在55°C以上，通常情況下高於75°C，這一點會對功率器件產生巨大影響。

 

這個標準還指定了3個批次的產品，每個批次有77個部件，不應在應力下出現故障。231個部件中的零故障標準意味著批內缺陷允許百分比 (LTPD) 的值為1。這表示，你有9成的把握地宣稱，在推測的應力條件下，一個批次內有1%的部件是有缺陷的。換句話說，在Tj = 55°C的溫度條件下運行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°C下的FIT也是使用0.7eV的激活能量，從231個部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運行的器件”。youchangshangduiceshijinxingdingyi。youyuhennanzhidingyigeyudafanweibuduanfazhandeyingyonghejishuxiangduiyingdeceshi，suoyiqueshaozhidingceshi。zhidingceshiyexubunengyushijishiyonghuanjingshidangguanlian，bingqieyoukenengchanshengcuowuguzhang，huozhewufajiakuaiyouxiaoguzhangjizhi。

 

對於矽FET來說，已經在很多年的實際使用過程中建立起來質量鑒定方法體係的可信度。與GaNdengquanxinjishubutongdeshi，qijianchangshangfuzequedingtamendedongtaiceshikeyiyuceshijishiyongdeyunxingqingkuang。yinci，xuyaokaifachuyingyongxiangguandeyingliceshi，keyizaishijishiyongtiaojianxiayanzhengkekaoxing。

 

最後
，需要注意的一點是，GaN無法耐受雪崩能量。也就是說，器件將在被擊穿時損壞。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，器件會受到有可能出現的過壓事件的影響，比如說電力線路上的閃電尖峰放電。

 

 

JEDEC和AEC標準均基於健全完善的基本原理
，不過技術上比較落後。雖然通過矽產品質量鑒定是一件有價值的
、裏程碑式的重大事件
，但是用戶需要一個能夠在實際使用條件下，在所需的使用壽命內
，比如說10年，以低故障率持續運行的產品。因此

，推出FRAM
、成比例CMOS、GaN等新技術的公司需要了解這些標準的基本原理。在JEDEC質量鑒定方法體係中，主要的促進要素是溫度。根據方程式eq.(1)計算出加速因子 (AF)，在這裏EA是激活能量
，而k是玻爾茲曼常數。

 

 

如果在應力溫度Tj = 125°C、使用溫度Tj = 55°C
，並且激勵能量大約為0.7eV的情況下使用eq (1)，得出的加速因子將為78.6。這也是Tj = 125°C情況下1000h應力大致相當於Tj = 55°C情況下使用10年的原因。在已經發表的文獻中，GaN 的激勵能量在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器件、工藝和材料間的差異。這個範圍能夠提供大幅變化的加速因子，比如EA = 1.05eV下的687到EA = 2.5eV下5百萬以上的值。因此
，有必要確定與工藝和最終產品的器件架構有關的激勵能量。

 

將實際運行中的結溫考慮在內也很重要。由於其所具有的寬帶隙，相對於矽材料
，GaN能夠在更高的溫度環境中運行。這一點對於電力電子產品很重要。表1是125°C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°C的結工作溫度
，假定激活能量為0.7eV，非加速時間從9年減少為0.3年。通過將應力溫度增加到150°C（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50 FIT的最大FIT率條件。然而，它的確是一項可靠且高質量的裏程碑式的測試方法。

 

代表10年使用時間的1000h應力測試需要一個值為87.6的加速因子
，並且在1.37的激勵能量下實現。諸如參考文獻中1.05eV的更低激勵能量將需要2.84倍的電壓加速，或者大約延長6到17周zhou的de持chi續xu時shi間jian。過guo多duo的de電dian壓ya加jia速su會hui導dao致zhi不bu具ju代dai表biao性xing的de故gu障zhang模mo式shi，而er持chi續xu時shi間jian擴kuo展zhan延yan長chang了le新xin產chan品pin的de開kai發fa時shi間jian。根gen據ju故gu障zhang模mo式shi和he封feng裝zhuang內nei可ke提ti供gong的de加jia速su的de不bu同tong
，也ye許xu無wu法fa實shi現xian能neng夠gou表biao示shi所suo需xu現xian場chang等deng效xiao使shi用yong壽shou命ming的de質zhi量liang鑒jian定ding測ce試shi。使shi用yong壽shou命ming要yao求qiu由you晶jing圓yuan級ji可ke靠kao性xing測ce試shi提ti供gong保bao證zheng，並bing且qie由you已yi封feng裝zhuang部bu件jian的de擴kuo展zhan持chi續xu時shi間jian應ying力li測ce試shi進jin行xing驗yan證zheng。

 

表1：不同應力參數對可靠性和質量推測數據的影響

 

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導通電阻增加，也被稱為電流崩塌。這一故障由緩衝和頂層的負電荷陷獲所導致 [9, 10]。電荷會在施加高壓時被誘陷，並且不會在器件接通時立即耗散。

 

被陷獲的負電荷排斥來自通道層的電子
，而Rds導通電阻會由於通道層內的電子數量的減少而增加（圖1）。隨後，Rds導通電阻隨著被陷獲電荷的耗散而恢複。這一影響降低了效率
，並且會使得器件自發熱量過多，並且會過早地出現故障。

 

圖1：一個GaN器件的電路橫截麵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Rds導通電阻。

 

此外，陷獲密度會隨著器件老化而增加，從而使得動態Rds導通電阻的影響更加嚴重。我們有專門的硬件來監視應力測試過程中的動態Rds導通電阻
，這使得我們能夠確保發布的產品沒有這方麵的問題。

 

 

雖然DC測試方法在對大量部件進行測試時相對簡單，它們也許不能預測GaN是否在實際應用中具有10年的使用壽命。硬開關應力不同於DC應力。硬開關功率轉換器具有電感開關變換，在這個期間，器件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器件進行反向恢複放電
，接通變換是一個應力最高的過程。它還需要在Vds下降時承載器件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。

 

器件應力由使用圖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仿真結果。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，由於鉗製FET (FET2) 導電，它的漏電壓大約鉗製在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）。

 

圖2：一個簡單的升壓轉換器拓撲。

 

圖3：針對一個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製FET
、電路板引線和其它連接的組件。由於使用了GaN FET
，沒有來自這個鉗位的反向恢複電流。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。

 

圖4：一個電感開關變換的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。

 

硬開關期間
，高Vds時充足的FET通(tong)道(dao)電(dian)流(liu)會(hui)導(dao)致(zhi)熱(re)載(zai)流(liu)子(zi)生(sheng)成(cheng)，正(zheng)因(yin)如(ru)此(ci)，器(qi)件(jian)需(xu)要(yao)穩(wen)健(jian)耐(nai)用(yong)。此(ci)外(wai)，大(da)器(qi)件(jian)陣(zhen)列(lie)會(hui)遇(yu)到(dao)不(bu)一(yi)致(zhi)的(de)開(kai)關(guan)，這(zhe)有(you)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)器(qi)件(jian)電(dian)流(liu)湧(yong)入(ru)最(zui)先(xian)接(jie)通(tong)的(de)那(na)一(yi)部(bu)分(fen)器(qi)件(jian)陣(zhen)列(lie)
，並(bing)且(qie)超(chao)過(guo)本(ben)地(di)額(e)定(ding)值(zhi)。高(gao)dv/dtkaiguanhaihuicuowudijiangdianrongdianliuyinruqijiandemouyiquyu
，birushuoduanzi。xuyaowanchengkekaoxingceshi，tebieshizaixuyaoquebaoqijianzaiyingkaiguanyingyongzhongdewenjiannaiyongxingshigengshiruci，bingqiekekaokaiguananquangongzuoqu (SOA) 限定了器件的用戶使用條件。

 

為了驗證硬開關穩健耐用性，TI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“取決於故障模式和所關心的機製，由於實際產品複雜度有可能會掩蓋固有的故障機製，所以試驗模型也許更受歡迎。”

 

圖5：針對電感開關應用測試的試驗模型。

 

當GaN FET關(guan)閉(bi)時(shi)
，電(dian)感(gan)器(qi)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)二(er)極(ji)管(guan)再(zai)次(ci)流(liu)至(zhi)輸(shu)入(ru)端(duan)，這(zhe)就(jiu)免(mian)除(chu)了(le)對(dui)負(fu)載(zai)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)需(xu)要(yao)，並(bing)且(qie)能(neng)夠(gou)達(da)到(dao)節(jie)能(neng)的(de)目(mu)的(de)。這(zhe)個(ge)單(dan)元(yuan)與(yu)處(chu)於(yu)連(lian)續(xu)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)下(xia)的(de)電(dian)感(gan)器(qi)一(yi)同(tong)運(yun)行(xing)。由(you)於(yu)目(mu)標(biao)是(shi)開(kai)關(guan)變(bian)換(huan)，通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)短(duan)占(zhan)空(kong)比(bi)，可(ke)以(yi)達(da)到(dao)節(jie)能(neng)的(de)目(mu)的(de)。這(zhe)個(ge)元(yuan)件(jian)能(neng)夠(gou)改(gai)變(bian)施(shi)加(jia)的(de)電(dian)壓(ya)、電流
、頻率
，以及器件所處環境的溫度。額外的漏電流（圖4）由二極管電容提供。

 

可以按照需要增加額外電容。這個元件還具有一個硬件
，可以在開關變換的1微秒後測量器件的動態導通電阻 (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，因此這個實時監視功能是很有必要的。在一個產品中，不斷增加dRds-on將導致過多的器件自發熱和過熱故障。由於Rds-on性能下降會恢複，不太可能通過將應力停止，在“上拉或下拉點”上獲得這些數據。監視這個關鍵GaN故障參數使我們能夠避免發布的產品出現這個問題。

 

除了電感開關測試，GaNduoxinpianmokuaixuyaozaixitongzhongjinxingpinggu，bingqiezaishijidechanpinshiyongtiaojianxiayunxing。zheyangkeyiyanzhengyuqitaxitongzujiandejiaohuzuoyong，bingqiebaoluchuweizhideguzhangjizhi。jishidangezujianshikekaode，tamenzhijiandejiaohuzuoyongyekenenghuizaiyiliaozhiwai。liru


，zaiyigegongyuangongzhaGaN器件中，通過GaN器件漏源電容的電荷耦合會使得矽共源共柵器件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本身是支持雪崩的，所以這也許會隨著技術成熟而得以改進。與此同時，我們正在設計具有足夠裕量的TI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上的電壓有可能瞬時上升到高達700V。對於這個應用，將製造能夠至少耐受750V尖峰電壓的GaN器件。

 

 

德州儀器 (TI)在矽產品質量鑒定方麵擁有長期的專業知識積累，我們將這些專業知識應用於GaN的質量鑒定方麵。這就需要重新學習基本原理
，以理解矽質量鑒定過程的起源，以及根據GaN特定故障、激勵能量和加速因子來創建測試。它還涉及針對相關應用中GaN的質量鑒定，其方法是在一個特殊電感開關試驗模型中進行應力測試，並且在實際產品配置中運行部件。