PI氮化镓的质量与可靠性介绍

氮化镓(GaN) 是一种宽禁带的直接带隙半导体，它有着很宽的直接带隙，很高的击穿场强，很高的热导率和非常好的物理、化学稳定性。正因其各方面都有着非常好的表现，目前在电源领域得到广泛应用。

本期 Power Integrations 市场营销 副总裁 Doug Bailey 为我们带来了PI 氮化镓的质量与可靠性介绍。

浴缸曲线通常用来表示典型产品随时间的故障率，在浴缸曲线的初始质量部分和长时间使用老化后，器件的故障率会上升。

在半导体行业，对时间的加速是通过加温、在元件上施加电压和增加湿度的方式来实现的。而在芯片层面对时间的加速，PI则是进行了HTOL高温工作寿命试验。测试时使用相对较少数量的器件，也即5批次的器件，每个批次48个器件，运行时间为1000小时。

通过HTOL高温工作寿命试验可以很好的了解到产品可靠性是否与生产制程相关，以及器件是否在测试期间出现故障。同时，PI还进行了HALT测试，在更低的温度下且增加不同的湿度条件。跟前述的HTOL一样，测试使用相同数量的器件和测试时间。

氮化镓是一项新的技术，PI希望确保芯片内部的器件坚固耐用且具有长的使用寿命。PI专门设计了特别用于氮化镓的测试方案。包括HTRB高温反偏压测试和HTGB高温栅极偏压测试。同样采用1000小时的运行时间，并且在高温和直流电压应力下进行。以确保不出现与高温、高压相关的迁移问题或者长期退化机制。

PI还进行了HCI热载流子试验，寻找通道中的电子可能转移到氧化物中，并被困住的情况。EM电子迁移试验用来确保芯片顶部的所有金属导体都具有适当的尺寸，并且不会被电流的流动所推动。GOI栅氧化物完整性测试则用来验证器件栅极的强度。

对于汽车行业来说，汽车行业的从业者也同样喜欢氮化镓器件，所以PI进行了更多的测试。

PI针对车规半导体进行的主要测试是H3TRB，这是一项比标准HTRB测试条件湿度与温度更高的测试。并进行一系列使得器件进行多次开关操作的测试，以证明器件不受开关操作所造成的热冲击影响。测试还包括供电温度循环和间歇工作寿命试验。

以上是PI对车规级氮化镓产品进行的测试，使用5批次且每个批次77个样品的数量进行测试。

接下来还要考虑短期产品制造期间的质量问题，也就是早期失效的器件，对应浴缸曲线的初始质量部分。在最终测试之前，PI会进行许多额外的过程控制措施用于提高产品质量，减少最终测试环节的不良品的数量，提高产品质量。

PI在晶圆的外延生长（EPI）过程中会进行严格的过程质量控制。EPI对于氮化镓的制造绝对至关重要，是生成氮化镓晶体管过程中最重要的部分。由于PI自己进行外延生产，所有东西都是自行生产，意味着对整个过程拥有完全控制，并且可以在各个环节进行检查。

在光刻完成后再进行应力测试，找出不可接受或者存在质量问题风险的器件，并在进行最终测试之前将其剔除掉。

PI通过ELFR（早期寿命失效率）测试，来验证过程控制措施、良率改进和最终测试方案。这个测试与高温运行寿命测试非常相似。不同于少量器件长时间运行的测试方式，ELFR采用对大量器件进行相对较短时间的测试方式。PI对多批次的800个器件进行连续48小时的测试，确保没有任何工艺批次的依赖性问题存在。

上面我们已经探讨了可靠性和磨损老化机制，以及如何保证初期产品的质量。而对于浴缸曲线中间区间的元件，其主要损坏原因就是应力过大。PI对器件进行MSL湿敏等级测试、UHAST测试、TMCL测试以及HTSL测试，用于测试器件所能耐受的绝对最高温度。

作为功率半导体器件来说，最重要的特性是耐受电压的能力，接下来谈谈器件在高压条件下的耐用可靠性问题。PI具有750V耐压和900V耐压两类氮化镓器件，PI对于氮化镓器件耐压的定义与硅器件的定义有所不同。

对于硅器件通常称为击穿电压。氮化镓的耐压则与动态的RDS(ON)数值大小相关。当对GaN器件施加高压时，器件的导通电阻会短暂上升。PI选择5%作为可以接受的RDS(ON)增加的极限，此时所对应的电压作为氮化镓器件的耐压数值。实际上，PI的氮化镓器件，实际的物理击穿电压大概在1400V左右，相较手册中的耐压限值具有极大的裕量。

PI通过这一系列针对老化机制所进行的测试来保证可靠性。包括利用过程控制以提高产品初期质量、充足的电压裕量以及一系列与温度和湿度敏感性相关的测试，使得无论是适配器应用还是可靠性要求更高的汽车应用，都可以对PI的PowiGaN技术充满信心。

审核编辑：刘清