氮化鎵(GaN) 是一種寬禁帶的直接帶隙半導(dǎo)體，它有著很寬的直接帶隙，很高的擊穿場強(qiáng)，很高的熱導(dǎo)率和非常好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。正因其各方面都有著非常好的表現(xiàn)，目前在電源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本期 Power Integrations 市場營銷 副總裁 Doug Bailey 為我們帶來了PI 氮化鎵的質(zhì)量與可靠性介紹。

浴缸曲線通常用來表示典型產(chǎn)品隨時(shí)間的故障率，在浴缸曲線的初始質(zhì)量部分和長時(shí)間使用老化后，器件的故障率會(huì)上升。

在半導(dǎo)體行業(yè)，對(duì)時(shí)間的加速是通過加溫、在元件上施加電壓和增加濕度的方式來實(shí)現(xiàn)的。而在芯片層面對(duì)時(shí)間的加速，PI則是進(jìn)行了HTOL高溫工作壽命試驗(yàn)。測試時(shí)使用相對(duì)較少數(shù)量的器件，也即5批次的器件，每個(gè)批次48個(gè)器件，運(yùn)行時(shí)間為1000小時(shí)。

通過HTOL高溫工作壽命試驗(yàn)可以很好的了解到產(chǎn)品可靠性是否與生產(chǎn)制程相關(guān)，以及器件是否在測試期間出現(xiàn)故障。同時(shí)，PI還進(jìn)行了HALT測試，在更低的溫度下且增加不同的濕度條件。跟前述的HTOL一樣，測試使用相同數(shù)量的器件和測試時(shí)間。

氮化鎵是一項(xiàng)新的技術(shù)，PI希望確保芯片內(nèi)部的器件堅(jiān)固耐用且具有長的使用壽命。PI專門設(shè)計(jì)了特別用于氮化鎵的測試方案。包括HTRB高溫反偏壓測試和HTGB高溫柵極偏壓測試。同樣采用1000小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，并且在高溫和直流電壓應(yīng)力下進(jìn)行。以確保不出現(xiàn)與高溫、高壓相關(guān)的遷移問題或者長期退化機(jī)制。

PI還進(jìn)行了HCI熱載流子試驗(yàn)，尋找通道中的電子可能轉(zhuǎn)移到氧化物中，并被困住的情況。EM電子遷移試驗(yàn)用來確保芯片頂部的所有金屬導(dǎo)體都具有適當(dāng)?shù)某叽纾⑶也粫?huì)被電流的流動(dòng)所推動(dòng)。GOI柵氧化物完整性測試則用來驗(yàn)證器件柵極的強(qiáng)度。

對(duì)于汽車行業(yè)來說，汽車行業(yè)的從業(yè)者也同樣喜歡氮化鎵器件，所以PI進(jìn)行了更多的測試。

PI針對(duì)車規(guī)半導(dǎo)體進(jìn)行的主要測試是H3TRB，這是一項(xiàng)比標(biāo)準(zhǔn)HTRB測試條件濕度與溫度更高的測試。并進(jìn)行一系列使得器件進(jìn)行多次開關(guān)操作的測試，以證明器件不受開關(guān)操作所造成的熱沖擊影響。測試還包括供電溫度循環(huán)和間歇工作壽命試驗(yàn)。

以上是PI對(duì)車規(guī)級(jí)氮化鎵產(chǎn)品進(jìn)行的測試，使用5批次且每個(gè)批次77個(gè)樣品的數(shù)量進(jìn)行測試。

接下來還要考慮短期產(chǎn)品制造期間的質(zhì)量問題，也就是早期失效的器件，對(duì)應(yīng)浴缸曲線的初始質(zhì)量部分。在最終測試之前，PI會(huì)進(jìn)行許多額外的過程控制措施用于提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少最終測試環(huán)節(jié)的不良品的數(shù)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

PI在晶圓的外延生長（EPI）過程中會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格的過程質(zhì)量控制。EPI對(duì)于氮化鎵的制造絕對(duì)至關(guān)重要，是生成氮化鎵晶體管過程中最重要的部分。由于PI自己進(jìn)行外延生產(chǎn)，所有東西都是自行生產(chǎn)，意味著對(duì)整個(gè)過程擁有完全控制，并且可以在各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查。

在光刻完成后再進(jìn)行應(yīng)力測試，找出不可接受或者存在質(zhì)量問題風(fēng)險(xiǎn)的器件，并在進(jìn)行最終測試之前將其剔除掉。

PI通過ELFR（早期壽命失效率）測試，來驗(yàn)證過程控制措施、良率改進(jìn)和最終測試方案。這個(gè)測試與高溫運(yùn)行壽命測試非常相似。不同于少量器件長時(shí)間運(yùn)行的測試方式，ELFR采用對(duì)大量器件進(jìn)行相對(duì)較短時(shí)間的測試方式。PI對(duì)多批次的800個(gè)器件進(jìn)行連續(xù)48小時(shí)的測試，確保沒有任何工藝批次的依賴性問題存在。

上面我們已經(jīng)探討了可靠性和磨損老化機(jī)制，以及如何保證初期產(chǎn)品的質(zhì)量。而對(duì)于浴缸曲線中間區(qū)間的元件，其主要損壞原因就是應(yīng)力過大。PI對(duì)器件進(jìn)行MSL濕敏等級(jí)測試、UHAST測試、TMCL測試以及HTSL測試，用于測試器件所能耐受的絕對(duì)最高溫度。

作為功率半導(dǎo)體器件來說，最重要的特性是耐受電壓的能力，接下來談?wù)勂骷诟邏簵l件下的耐用可靠性問題。PI具有750V耐壓和900V耐壓兩類氮化鎵器件，PI對(duì)于氮化鎵器件耐壓的定義與硅器件的定義有所不同。

對(duì)于硅器件通常稱為擊穿電壓。氮化鎵的耐壓則與動(dòng)態(tài)的RDS(ON)數(shù)值大小相關(guān)。當(dāng)對(duì)GaN器件施加高壓時(shí)，器件的導(dǎo)通電阻會(huì)短暫上升。PI選擇5%作為可以接受的RDS(ON)增加的極限，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓作為氮化鎵器件的耐壓數(shù)值。實(shí)際上，PI的氮化鎵器件，實(shí)際的物理擊穿電壓大概在1400V左右，相較手冊(cè)中的耐壓限值具有極大的裕量。

PI通過這一系列針對(duì)老化機(jī)制所進(jìn)行的測試來保證可靠性。包括利用過程控制以提高產(chǎn)品初期質(zhì)量、充足的電壓裕量以及一系列與溫度和濕度敏感性相關(guān)的測試，使得無論是適配器應(yīng)用還是可靠性要求更高的汽車應(yīng)用，都可以對(duì)PI的PowiGaN技術(shù)充滿信心。

審核編輯：劉清