【技术】新型eGaN FET的失效物理和可靠性分析

时间： 2018-04-13 来源：EPC

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EPC新推出增强型功率晶体管 EPC2016c，采用独特的氮化镓技术（eGaN），具有高电子迁移率和低温度系数的优点。本文介绍栅极电压偏置相关的失效物理技术，以EPC2016C为例研究在高栅极应力条件下的可靠性表现。

一、eGaN FET基本结构

EPC2016C采用横向器件架构，基本结构如图1所示，栅极（G）、源极（S）和漏极（D）分布与典型的场效应晶体管一致。在硅晶片之上是氮化镓异质结，作为一款增强型FET，在无偏置电压时元件处于截止状态。GaN高电阻层之上的AlGaN薄层构成导电沟道，在AlGaN和GaN交界面处产生压电效应，从而形成高迁移率的二维电子气（2DEG）。栅极在2DEG区域形成耗尽层，在截止状态时阻断导电沟道。此外，保护电介质和金属布线构成了元件的顶层部分。

在栅极上施加一个正向电压，FET就会处于导通状态，类似于硅n沟道增强型功率FET操作原理。功率FET是通过并联多个这些基本单元结构而形成的。

图1 eGaN FET基本结构

图2为EPC2016C的传输特性曲线，漏极电流可以表示成导通阈值电压和跨导的函数。图3为R_DS(on)-V_GS曲线图，表明在栅极电压4V附近时为完全的增强型导电沟道，并且该点之后导通电阻的变化也趋于平缓。

图2 EPC2016C传输特性曲线图3 EPC2016C R_DS(on)-V_GS曲线图

二、栅极电压应力可靠性

高温栅极偏置电压（HTGB）应力测试为工业化的标准，用于评价FET栅极结构的可靠性。HTGB测试将源极和漏极连接至0V，在栅极侧施加电压，同时环境温度设置为最大额定结温T_J。如图4所示，高栅极电压应力会导致三种主要的失效模式：

1.介电层失效

栅极周围保护电介质的高强度电场会引起介电层击穿，该失效模式类似于MOSFET的氧化物击穿机制。

2.栅极侧壁破裂

侧壁破裂为雪崩击穿机制，发生在栅极金属附近的垂直边缘，该失效模式可以采用表面钝化和静电设计进行控制。

3、栅极偏置引起的漏极电流

由于局部电荷迁移和eGaN栅极陷阱效应，在高栅极电压下会增大截止状态的漏极电流。

图4 eGaN FET主要失效模式

通过6V~7V栅极电压矩阵测试研究电压和HTGB失效加速的依赖关系，同时保持恒定温度150℃。栅极测试电压限制在7V，确保不会发生额外的失效模式，例如侧壁介电破裂。测试了三个栅极电压支路，每条支路由32个EPC2016C组成（V_DS(max)=100V,V_GS(max)=6V）。采用增量式的读取点：24h、100h、200h，测量结果包括数据手册的直流参数。现场测量失效时间采用间隔2min的周期性参数监测，失效标准为截止状态漏极电流或栅漏电流超过数据手册的限制要求。

测试结果采用Weibull分布拟合，从而预测出该元件的平均失效时间（MTTF）和失效率（FIT）。如图5所示，误差线表示Weibull参数90%置信区间产生的不确定性，绿线表示最佳拟合的指数加速函数。

图5 HTGB电压加速应力测试结果

三、栅极应力测试结果

表1为栅极应力测试的综合统计汇总，包括1000小时和2000小时的长期测试，以及早期寿命失效率（ELFR）的评估（大量样品中寻找48小时后的失效元件）。

表1 HTGB统计数据汇总

四、现场可靠性

现场运行时基本的物理失效对于预测元件可靠性和寿命是非常重要的，表2给出了现场失效的分类汇总，漏源极过电压会导致设备老化失效，由于载流子电荷俘获导致RDS(on)偏移。测试结果表明，在数据手册推荐参数范围内，EPC2016C可以实现多年的可靠运行。总数超过300亿现场设备小时数的无栅极失效，相当于超低的预估失效率0.03 FIT（置信区间为60%）。

表2 现场失效—失效类型和数量

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plhust Lv7. 资深专家 2020-08-21

不错
MangoHoHo Lv7. 资深专家 2019-01-23

学习了
文定 Lv5. 技术专家 2019-01-23

学习
Mbe Lv7. 资深专家 2019-01-22

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活影忍者 Lv7. 资深专家 2019-01-16

学习了不错啊

卡戎0529 Lv7. 资深专家 2019-01-16

学习了！！
用户37866299 Lv6. 高级专家 2019-01-15

长知识了
Timm Lv9. 科学家 2019-01-15

eGaN FET可靠性学习了
淮阴侯 Lv6. 高级专家 2019-01-14

了解下
LouBing Lv7. 资深专家 2019-01-13

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Max RDS(on) (mΩ) @ 5 VGS

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型号- EPC950X,EPC2012C,EPC2016C,EPC2019,EPC9126,EPC9203,EPC9127,EPC9128,EPC9201,EPC9120,EPC9121,EPC2102,EPC2024,EPC2101,EPC2104,EPC8009,EPC2001C,EPC2103,EPC2029,EPC2106,EPC2105,EPC2108,EPC2107,EPC8002,EPC2021,EPC2020,EPC9013,EPC2023,EPC2100,EPC2022,EPC8004,EPC2036,EPC2010C,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2014C,EPC2039,EPC9105,EPC2030,EPC9106,EPC9107,EPC2032,EPC2031,EPC9101,EPC2034,EPC2111,EPC2033,EPC2110,EPC8010,EPC2047,EPC2046,EPC9515,EPC2015C,EPC9115,EPC2007C,EPC9513,EPC2040,EPC9118,EPC9111,EPC9112,EPC2045

2017年10月 - EPC - 快速参考指南代理服务技术支持批量订货

增强型氮化镓功率晶体管技术

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增强型氮化镓功率晶体管技术

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2022/6/14 - EPC - 商品及供应商介绍代理服务技术支持批量订货

增强型氮化镓功率晶体管技术

描述- 与硅MOSFET 器件相比，基于氮化镓场效应晶体管的功率设计具备以下的优势：更快速的开关速度；更小型化；更高效率；成本更低。

型号- EPC2212,EPC950X,EPC2214,EPC2059,EPC9003C,EPC2216,EPC2215,EPC2218,EPC2016C,EPC2050,EPC9126,EPC9127,EPC2052,EPC9128,EPC2051,EPC9129,EPC2054,EPC2053,EPC2055,EPC9086,EPC9121,EPC9084,EPC2102,EPC9002C,EPC2101,EPC2104,EPC2103,EPC2106,EPC2105,EPC2108,EPC2107,EPC9137,EPC2065,EPC2100,EPC9014,EPC9097,EPC9098,EPC9099,EPC9092,EPC9093,EPC9094,EPC2219,EPC9091,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2014C,EPC2039,EPC9507,EPC2030,EPC2032,EPC2152,EPC2031,EPC2034,EPC2033,EPC9063,EPC9126HC,EPC9064,EPC8010,EPC9060,EPC9061,EPC9062,EPC9005C,EPC2203,EPC9004C,EPC2202,EPC9515,EPC2204,EPC2015C,EPC2207,EPC2206,EPC9115,EPC9513,EPC2040,EPC9118,EPC9514,EPC9078,EPC9111,EPC9112,EPC2045,EPC2012C,EPC2019,EPC9049,EPC9046,EPC9047,EPC9048,EPC9041,EPC9040,EPC2024,EPC8009,EPC2001C,EPC2029,EPC9010C,EPC8002,EPC2021,EPC2020,EPC9057,EPC2023,EPC9058,EPC8004,EPC2022,EPC9055,EPC9050,EPC9051,EPC9006C,EPC9001C,EPC2010C,EPC2034C,EPC9148,EPC9149,EPC9029,EPC9144,EPC9024,EPC2111,EPC9146,EPC2110,EPC90132,EPC9022,EPC9143,EPC90137,EPC9048C,EPC9038,EPC9039,EPC2007C,EPC9034,EPC9035,EPC21603,EPC9156,EPC9036,EPC9157,EPC7014,EPC9037,EPC21601,EPC90122,EPC9030,EPC9151,EPC9031,EPC90123,EPC9032,EPC90120,EPC9153,EPC9033,EPC9154,EPC9150

2021年6月 - EPC - 商品及供应商介绍代理服务技术支持批量订货

增强型氮化镓功率晶体管技术

描述- 氮化镓晶体管是一种宽带隙器件，与传统硅晶体管相比，由于具有卓越的传导性能，因此在相同的导通电阻条件下，可实现更小尺寸及更低电容。氮化镓场效应晶体管及集成电路的开关性能可实现更高功率密度、更高频率、更高开关精确度、更高总线电压及更少电压过冲。基于氮化镓技术的器件可在不同的功率及电压条件下高效地工作。

型号- EPC2212,EPC950X,EPC2214,EPC2059,EPC9003C,EPC2216,EPC2215,EPC2218,EPC2016C,EPC2050,EPC9126,EPC9127,EPC2052,EPC9128,EPC2051,EPC9129,EPC2053,EPC2055,EPC9086,EPC9121,EPC9084,EPC2102,EPC9002C,EPC2101,EPC2104,EPC2103,EPC2106,EPC2105,EPC2108,EPC2107,EPC2100,EPC9014,EPC9097,EPC9098,EPC9099,EPC9092,EPC9093,EPC2219,EPC9091,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2014C,EPC2039,EPC9507,EPC2030,EPC2032,EPC2031,EPC2152,EPC2034,EPC2033,EPC9063,EPC9126HC,EPC9064,EPC8010,EPC9060,EPC9061,EPC9062,EPC9005C,EPC2203,EPC9004C,EPC2202,EPC9515,EPC2204,EPC2015C,EPC2207,EPC2206,EPC9115,EPC9513,EPC2040,EPC9118,EPC9514,EPC9078,EPC9111,EPC9112,EPC2045,EPC2012C,EPC2019,EPC9049,EPC9204,EPC9205,EPC9046,EPC9047,EPC9048,EPC9041,EPC9040,EPC2024,EPC8009,EPC2001C,EPC2029,EPC9010C,EPC8002,EPC2021,EPC2020,EPC9057,EPC2023,EPC9058,EPC8004,EPC2022,EPC9055,EPC9050,EPC9051,EPC9006C,EPC2010C,EPC9001C,EPC2034C,EPC9029,EPC9144,EPC9024,EPC2111,EPC2110,EPC9141,EPC90132,EPC9022,EPC9143,EPC9048C,EPC9038,EPC2007C,EPC9039,EPC9034,EPC9035,EPC21603,EPC9156,EPC9036,EPC9037,EPC21601,EPC90122,EPC9030,EPC9031,EPC90123,EPC9032,EPC90120,EPC9033,EPC9154,EPC90124,EPC9150

2021 - EPC - 商品及供应商介绍代理服务技术支持批量订货

增强型氮化镓功率晶体管技术

描述- 本文介绍了eGaN® FET技术，这是一种基于氮化镓的功率晶体管技术。相比传统的硅MOSFET器件，eGaN FET具有更快的开关速度、更小型化、更高效率和更低成本的优势。氮化镓器件具有更低的阻抗、更低的导通损耗、更小的电容和更低的开关损耗，同时无需反向恢复。此外，氮化镓器件在CMOS晶圆厂制造，具有成熟、低成本的工艺，且系统成本更低。文章还提到了氮化镓器件的可靠性、耐辐射性和全面设计支持。

型号- EPC2212,EPC950X,EPC2214,EPC2059,EPC9003C,EPC2216,EPC2215,EPC2218,EPC2016C,EPC2050,EPC9126,EPC9127,EPC2052,EPC9128,EPC2051,EPC9129,EPC2053,EPC2055,EPC9086,EPC9121,EPC9084,EPC2102,EPC9002C,EPC2101,EPC2104,EPC2103,EPC2106,EPC2105,EPC2108,EPC2107,EPC2100,EPC9014,EPC9097,EPC9098,EPC9099,EPC9092,EPC9093,EPC2219,EPC9091,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2014C,EPC2039,EPC9507,EPC2030,EPC2032,EPC2031,EPC2152,EPC2034,EPC2033,EPC9063,EPC9126HC,EPC9064,EPC8010,EPC9060,EPC9061,EPC9062,EPC9005C,EPC2203,EPC9004C,EPC2202,EPC9515,EPC2204,EPC2015C,EPC2207,EPC2206,EPC9115,EPC9513,EPC2040,EPC9118,EPC9514,EPC9078,EPC9111,EPC9112,EPC2045,EPC2012C,EPC2019,EPC9049,EPC9204,EPC9205,EPC9046,EPC9047,EPC9048,EPC9041,EPC9040,EPC2024,EPC8009,EPC2001C,EPC2029,EPC9010C,EPC8002,EPC2021,EPC2020,EPC9057,EPC2023,EPC9058,EPC8004,EPC2022,EPC9055,EPC9050,EPC9051,EPC9006C,EPC9001C,EPC2010C,EPC2034C,EPC9029,EPC9144,EPC9024,EPC2111,EPC2110,EPC9141,EPC90132,EPC9022,EPC9143,EPC9048C,EPC9038,EPC9039,EPC2007C,EPC9034,EPC9035,EPC9036,EPC9037,EPC21601,EPC90122,EPC9030,EPC9031,EPC90123,EPC9032,EPC90120,EPC9033,EPC9154,EPC90124,EPC9150

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增强型氮化镓功率晶体管技术

描述- 本文介绍了eGaN® FET技术，这是一种基于氮化镓的功率晶体管技术。相比传统的硅MOSFET器件，eGaN FET具有更快的开关速度、更小型化、更高效率和更低成本的优势。氮化镓器件在低阻抗、低导通损耗、快速开关、低电容和低驱动电路功率等方面表现出色。此外，eGaN FET器件在成本效益、可靠性、耐辐射和简单易用性方面也具有显著优势。文章还提供了eGaN FET器件在不同应用中的选型和设计资源。

型号- EPC2212,EPC950X,EPC2214,EPC2059,EPC9003C,EPC2216,EPC2215,EPC2218,EPC2016C,EPC2050,EPC9126,EPC9127,EPC2052,EPC9128,EPC2051,EPC9129,EPC2053,EPC2055,EPC9086,EPC9121,EPC9084,EPC2102,EPC9002C,EPC2101,EPC2104,EPC2103,EPC2106,EPC2105,EPC2108,EPC2107,EPC2100,EPC9014,EPC9097,EPC9098,EPC9099,EPC9092,EPC9093,EPC2219,EPC9091,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2014C,EPC2039,EPC9507,EPC2030,EPC2032,EPC2031,EPC2152,EPC2034,EPC2033,EPC9063,EPC9126HC,EPC9064,EPC8010,EPC9060,EPC9061,EPC9062,EPC9005C,EPC2203,EPC9004C,EPC2202,EPC9515,EPC2204,EPC2015C,EPC2207,EPC2206,EPC9115,EPC9513,EPC2040,EPC9118,EPC9514,EPC9078,EPC9111,EPC9112,EPC2045,EPC2012C,EPC2019,EPC9049,EPC9204,EPC9205,EPC9046,EPC9047,EPC9048,EPC9041,EPC9040,EPC2024,EPC8009,EPC2001C,EPC2029,EPC9010C,EPC8002,EPC2021,EPC2020,EPC9057,EPC2023,EPC9058,EPC8004,EPC2022,EPC9055,EPC9050,EPC9051,EPC9006C,EPC9001C,EPC2010C,EPC2034C,EPC9029,EPC9144,EPC9024,EPC2111,EPC2110,EPC9141,EPC90132,EPC9022,EPC9143,EPC9048C,EPC9038,EPC9039,EPC2007C,EPC9034,EPC9035,EPC9036,EPC9037,EPC21601,EPC90122,EPC9030,EPC9031,EPC90123,EPC9032,EPC90120,EPC9033,EPC9154,EPC90124

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增强型氮化镓功率晶体管技术

描述- 本文介绍了eGaN® FET技术，这是一种基于氮化镓的功率晶体管技术。相比传统的硅MOSFET器件，eGaN FET具有更快的开关速度、更小型化、更高效率和更低成本的优势。氮化镓器件在开关应用中表现出卓越的性能，适用于多种应用场景，如汽车、射频放大器、DC/DC转换器、马达驱动、激光雷达、医疗应用和无线充电等。EPC公司提供全面的eGaN FET产品线，包括器件模型、应用笔记、演示板和技术文章，以支持设计师进行高效的设计。

型号- EPC2212,EPC950X,EPC2214,EPC9003C,EPC2216,EPC2215,EPC2218,EPC2016C,EPC2050,EPC9126,EPC9127,EPC2052,EPC9128,EPC2051,EPC9129,EPC2053,EPC9086,EPC9121,EPC9084,EPC2102,EPC9002C,EPC2101,EPC2104,EPC2103,EPC2106,EPC2105,EPC2108,EPC2107,EPC2100,EPC9014,EPC9097,EPC9099,EPC9092,EPC9093,EPC9091,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2014C,EPC2039,EPC9507,EPC2030,EPC2032,EPC2031,EPC2152,EPC2034,EPC2033,EPC9063,EPC9126HC,EPC9064,EPC8010,EPC9060,EPC9061,EPC9062,EPC9005C,EPC2203,EPC9004C,EPC2202,EPC9515,EPC2204,EPC2015C,EPC2207,EPC2206,EPC9115,EPC9513,EPC2040,EPC9118,EPC9514,EPC9078,EPC9111,EPC9112,EPC2045,EPC2012C,EPC2019,EPC9049,EPC9204,EPC9205,EPC9046,EPC9047,EPC9048,EPC9041,EPC9040,EPC2024,EPC8009,EPC2001C,EPC2029,EPC9010C,EPC8002,EPC2021,EPC2020,EPC9057,EPC2023,EPC9058,EPC8004,EPC2022,EPC9055,EPC9050,EPC9051,EPC9006C,EPC9001C,EPC2010C,EPC2034C,EPC9029,EPC9144,EPC9024,EPC2111,EPC2110,EPC9141,EPC9022,EPC9143,EPC9048C,EPC9038,EPC9039,EPC2007C,EPC9034,EPC9035,EPC9036,EPC9037,EPC90122,EPC9030,EPC9031,EPC90123,EPC9032,EPC90120,EPC9033,EPC90124

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增强型氮化镓功率晶体管技术

描述- 本文介绍了eGaN® FET技术，这是一种基于氮化镓的功率晶体管技术。相比传统的硅MOSFET器件，eGaN FET具有更快的开关速度、更小型化、更高效率和更低成本的优势。氮化镓器件在开关应用中表现出卓越的性能，具有更低的阻抗、更低的导通损耗和更小的电容。此外，氮化镓器件在成本效益、可靠性、耐辐射性等方面也具有显著优势。文章还提供了eGaN FET器件的选型和应用示例。

型号- EPC2212,EPC950X,EPC2214,EPC9003C,EPC2216,EPC2215,EPC2016C,EPC2050,EPC9126,EPC9127,EPC2052,EPC9128,EPC2051,EPC9129,EPC2053,EPC9086,EPC9121,EPC9084,EPC2102,EPC9002C,EPC2101,EPC2104,EPC2103,EPC2106,EPC2105,EPC2108,EPC2107,EPC2100,EPC9014,EPC9099,EPC9092,EPC9093,EPC9091,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2014C,EPC2039,EPC9507,EPC2030,EPC2032,EPC2152,EPC2031,EPC2034,EPC2033,EPC9063,EPC9126HC,EPC9064,EPC8010,EPC9060,EPC9061,EPC9062,EPC9005C,EPC2203,EPC9004C,EPC2202,EPC9515,EPC2015C,EPC2207,EPC2206,EPC9115,EPC9513,EPC2040,EPC9118,EPC9514,EPC9078,EPC9111,EPC9112,EPC2045,EPC2012C,EPC2019,EPC9049,EPC9204,EPC9205,EPC9046,EPC9047,EPC9048,EPC9041,EPC9040,EPC2024,EPC8009,EPC2001C,EPC2029,EPC9010C,EPC8002,EPC2021,EPC2020,EPC9057,EPC2023,EPC9058,EPC8004,EPC2022,EPC9055,EPC9050,EPC9051,EPC9006C,EPC9001C,EPC2010C,EPC2034C,EPC9029,EPC9144,EPC9024,EPC2111,EPC2110,EPC9141,EPC9022,EPC9143,EPC9048C,EPC9038,EPC9039,EPC2007C,EPC9034,EPC9035,EPC9036,EPC9037,EPC90122,EPC9030,EPC9031,EPC90120,EPC9032,EPC9033,EPC90124

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增强型氮化镓功率晶体管技术

2017/06/16 - EPC - 技术文档代理服务技术支持批量订货

EPC2934C–增强型功率晶体管eGallium Nitrium®FET规格书

描述- 本资料详细介绍了EPC2934C增强型功率晶体管，一款基于氮化镓（Gallium Nitride）技术的功率器件。该器件具有低导通电阻（RDS(on)）、高电流承载能力、优异的热性能和快速开关特性，适用于高效能转换应用。

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February, 2024 - EPC - 数据手册代理服务技术支持批量订货

EPC2308–增强型功率晶体管

描述- 本资料为EPC2308增强型功率晶体管的规格说明书。该器件采用氮化镓技术，具有低导通电阻（RDS(on)），适用于高频率开关和高效率转换应用。

型号- EPC2308

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可定制VC厚度最薄0.25±0.03mm，Qmax 650W，0.4mmVC可设计最大散热面积6000 mm2，铜VC可采用复合毛细结构：蚀刻+铜粉烧结。

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线圈扼流圈定制

可定制共模扼流圈、DIP功率扼流圈、大电流扼流圈、环形扼流圈/线圈等产品，耐温范围-40℃~125℃，电感量最高1200mH。

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