【经验】以eGaN FET EPC2212为例说明GaN功率器件的主要应力条件和应力条件的内在失效机制

自2010年3月以来，氮化镓（GaN）功率器件已投入量产，具有出色的现场可靠性。半导体的标准鉴定测试通常需要对器件施加较长时间或一定数量的周期，使其处于或接近其数据表中指定的极限。 资格测试的目标是使相对较大数量的器件中零故障器件成为可能。

这种类型的测试是不够的，因为它只报告通过了一个非常具体的测试条件的部分。也许器件在不同的操作点（不在或接近数据表极限的操作点）会更频繁地出现故障。也许这些部件的故障率会超过数据表的限制，达到令人震惊的程度。

通过将器件测试到失效点，可以了解数据表极限之间的裕度，更重要的是，可以了解内在失效机制。 通过了解固有的失效机制，失效的根本原因，以及设备随时间、温度、电应力或机械应力的变化，产品的安全使用寿命可以通过一般的操作条件来确定。

GaN功率器件的主要应力条件是什么，每种应力条件的内在失效机制是什么？

与所有功率晶体管一样，关键的应力条件包括电压、电流、温度和湿度。然而，有很多方法可以应用这些应力条件。例如，GaN场效应管上的电压应力可以从栅极端子施加到源极端子（V_GS），也可以从漏极端子施加到源极端子（V_DS）。例如，这些应力可以作为直流偏压连续施加、循环施加，也可以作为高速脉冲施加。电流应力可以作为连续直流电流或脉冲电流施加。热应力可以通过在预定的极限温度下操作设备持续施加一段时间，也可以通过多种方式循环温度。

通过对这些应力条件中的每一个施加应力，直至产生大量故障，才可以确定对被测设备的主要固有故障机制的原因。为了在合理的时间内产生故障，应力条件通常需要大大超过产品数据表的限制。 需要注意，为确保得到正常运行中很少出现的故障原因，需要加大应力条件。 为确定情况，需要仔细分析故障部件以确定其故障的根本原因。 只有验证根本原因，才能真正了解设备在各种应力条件下的行为。

示例一：栅源电压应力

图1是有效功率转换（EPC）产生的eGaN FET EPC2212（EPC公司产品）中栅极故障的威布尔图的示例。 y轴显示了从门极到源极施加的不同应力条件下的累积失效， x轴表示失效时间。

左侧的图在同样的室温下具有不同的电压，右侧的图显示了在120℃时施加的两个不同电压。 请注意，该器件的数据手册中最大栅极电压额定值为6 V，但即使在8 V电压下工作数小时，也很少有器件出现故障。

在图2中，这些数据已转换为故障率。左边是这些设备在25℃和120℃下相对于VGS的平均故障时间（MTTF）。右边是一张图表，显示了在25℃下，与VGS相比的各种失效概率。注意，故障率对温度不是很敏感，但对V_GS非常敏感。

从右边的图表中可以看出，对于6V直流电压的VGS，10年内可能会出现百万分之10到100（ppm）的故障。然而，推荐的栅极驱动电压为5.25 V，在该电压下，10年内的预期故障率小于1 ppm。

图2：左侧是EPC2212 eGaN FET在25 ℃和120 ℃时的平均失效时间（MTTF）与V_GS的关系。 右图显示了25 ℃时各种故障概率与V_GS的关系

这些结论只有在所有这些条件下主要失效机制相同时才有效。为了证实这一点，对失效器件进行了失效分析，发现了一个统一的结果，如图3所示。参照图3所示，红色圆圈表示失效部位在栅极金属和金属1层之间。

在EPC2212的情况下，这两层由氮化硅层隔开。 失效的是氮化硅层，而不是下面的任何GaN层。 了解这一失效机制，并理解其与大多数半导体中常见的介质层中的时间相关介质失效机制（TDDB）一致，可以有信心地使用图2中预测因数据表限制内的栅源应力而导致失效率的概率数据。

图3：EPC2212 eGaN FET栅极区域的扫描电子显微图（SEM）。 红色圆圈表示故障部位在栅极金属和金属层1之间

第二个例子：漏源电压应力

同样的方法也适用于其他任何压力条件。例如，GaN晶体管用户共同关心的一个问题是动态导通电阻。这是当器件暴露于高漏源极电压（V_DS）时，晶体管导通电阻增加的一种情况。测试这种情况的传统方法是在最高额定温度（通常为150℃）下施加最大额定直流电压。如果在一定时间（通常为1000小时）后没有故障，则认为产品良好。

导致导通电阻增加的机制是电子的俘获。 一旦电子被捕获，它就不再导电，因此该部件的电阻增加。 在最高温度下施加直流电压V_DS，可被捕获来自漏源泄漏电流I_DSS，该电流通常在微安范围内。 为了加快捕获速度，器件的电压可以高于其额定最大值，如图4所示，用于第四代，额定电压为100 V的EPC2212 eGaN场效应管。

在图5中，这些数据已转换为相对于电压和温度的失效时间曲线。 右图显示了在最大额定V_DS上1 ppm故障的时间超过10年。 但是，与众不同的是，左图显示了故障率对温度不是很敏感，尽管在所有条件下故障率都非常低，但故障率在90℃时比35℃或150℃时都高。 本文后面将说明，热电子俘获是主要失效机制的主要原因。

图4：EPC2212 eGaN FET在不同电压下在直流偏置下的威布尔图。 故障定义为超出数据表限制。

图5：图4中的数据，以及在不同温度下获得的相似数据，被转换为随着时间，温度和电压的故障率预测

图6是EPC2212 eGaN场效应晶体管的放大图像，显示了1–2微米光学范围内的热发射。这部分光谱中的发射与热电子一致，它们在器件中的位置与器件在漏源偏压下的最高电场位置一致。

图6:EPC2212 eGaN场效应晶体管的放大图像，显示了与热电子发射一致的1-2微米光学范围内的热发射

知道在该装置的该区域中的热电子是被俘获电子的来源。 通过改进设计和工艺可以更好地了解如何最小化动态导通电阻。 通过了解热电子的一般行为，可以概括它们在更大应力条件下的行为。

此外，通过提供更多的热电子可以加速捕获机制。为此，创建了图7所示的电路，该电路在最大额定V_DS下推动高I_DSS通过设备。换言之，不只是利用高温下直流偏压产生的漏电流作为能被俘获的电子源，而是通过制作如图7所示的开关电路来产生数量级以上的俘获候选。此电路类似于JEDEC JEP173规定的感应双脉冲测试。

图7：符合JEDEC JEP173的电感双脉冲测试电路

第五代EPC2045 eGaN场效应晶体管的RDS（on）是如何随时间增加的。在左边，这些设备在25℃下，在60V到120V的电压下进行测试（设备的VDS（最大值）为100V）。横轴是以秒为单位测量的时间，右侧以10年结束。

右边的图表显示了R_DS（on）在不同温度下在120V下的变化。反直观的结果表明，在较低的温度下，导通电阻增加得更快。这与热载流子注入是一致的，因为热电子在较低温度下传播得更远，因此可以到达更容易被捕获的不同层。这表明，传统的测试方法，即在最高电压和温度下对设备进行测试，可能不是确定设备可靠性的最佳方法。

        图8：第五代EPC2045 eGaN场效应晶体管在不同电压应力水平和温度下随时间变化的R_DS（on）。左边是在25℃下，在60V到120V的电压下测试的设备。右边的图表显示了在不同温度下，120V电压下R_DS（On）的变化。

现在也可以更好地理解图5中的结果。当器件在直流偏压下加热时，漏电流增大。 然而，热载流子的较短的传播距离抵消了可用电子的这种增加，使得R_DS（on）随时间从室温上升到90℃，但随后在更高的温度下开始下降，这是另一个与直觉相反的结果。

总结

表1显示了施加应力的方法以及发现的固有失效机制用于eGaN FET的各种应力条件， 经过十年的测试，成千上万的设备以及第五代技术已经过测试，可以使人们对这些设备在所有这些压力条件下的行为有更全面的了解。 结果是GaN是一种极其强大的技术，并一直在快速进步。 剩下的问题是硅MOSFET是否可以接近GaN的耐用性？

表1：eGaN FET的应力条件和内在失效机理