SiC和GaN功率器件的可靠性挑战和模型

摘要：碳化硅和氮化镓器件由于其卓越的效率和功率密度，在许多功率转换应用中的采用越来越多。与已有数十年发展历史的成熟硅功率器件相比，这些宽禁带（WBG）器件仍然相对较新。因此，在各种电源转换应用中使用这些器件的完整可靠性方面仍处于学习阶段。在本文中，我们总结了来自以色

碳化硅和氮化镓器件由于其卓越的效率和功率密度，在许多功率转换应用中的采用越来越多。与已有数十年发展历史的成熟硅功率器件相比，这些宽禁带（WBG）器件仍然相对较新。因此，在各种电源转换应用中使用这些器件的完整可靠性方面仍处于学习阶段。在本文中，我们总结了来自以色列阿里尔大学的 Tsuriel Avraham 及其同事对 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性挑战和模型进行的综述。

SiC MOSFET的主要可靠性挑战

SiC MOSFET器件的可靠性改进集中在两个方面：

栅极氧化物：二氧化硅（SiO2）通常用作硅和SiC MOSFET中的栅极电介质。SiO 处的高密度缺陷态2/SiC 接口状态使其成为 SiC功率MOSFET中最薄弱的环节。虽然硅和SiC器件之间的固有栅极氧化物寿命可能相似，但SiC/SiO2器件产生问题界面的外在缺陷数量要多得多。SiC中更高的电场加剧了这种影响（例如，具有典型40nm栅极氧化层的SiC MOSFET与具有典型100nm栅极氧化层的硅IGBT相比，栅极氧化层上的电场将达到2.5×）。阈值电压（Vth）偏移通常遵循栅极偏置的方向，并被归类为偏置温度不稳定性（BTI）。界面处的电子捕获导致Vth的净增加，缺陷密度加大，Vth的随温度变化的偏移也相应更大。其中一些Vth变化是可恢复的。外在缺陷对较大芯片的影响更大，从而在平行芯片之间造成更大的分布分布。栅极氧化物的氮化是SiC MOSFET栅极氧化物界面状态降低和沟道迁移率改善的关键突破。筛选栅极氧化物外在缺陷是提高最终产品可靠性的一个基本方面。研究表明，沟槽MOSFET由于沿垂直平面的迁移率提高，可以使用更厚的栅极氧化层，可以在更高的电压下进行更有效的屏蔽，从而降低故障率。此外，研究表明，双极交流栅极应力相较静态BTI测试会导致更高的Vth偏移。这对于电动汽车牵引和太阳能逆变器等应用非常重要，因为这些应用的栅极开关在预期生命周期内可能超过1000亿次开关动作。

堆叠故障：这些是晶体学缺陷，在SiC带隙内产生局部能态，然后充当电荷载流子的复合中心。在SiC中，外延生长和后续加工步骤产生的基面缺陷（BPD）可能会在器件运行期间传播为堆叠故障。这会导致更高的传导损耗和体二极管退化。使用传导反向电流的反并联肖特基二极管可以减轻MOSFET中BPD的传播。外延生长的改进、高温植入物的使用和缺陷映射都有助于减少和筛选这些缺陷。

GaN HEMT的主要可靠性挑战

用于功率转换应用的氮化镓HEMT在商业上主要作为p栅极增强模式或原生耗尽模式器件进行商业生产，它们与低压硅MOSFET级联。在这两种情况下，GaN通道层上方的AlGaN势垒层都会导致在通道中产生二维电子气体（2DEG）。由电介质隔开的磁极板有助于减少表面电场。

提高GaN HEMT可靠性的一个重点领域包括电荷捕获效应。这是一个多方面的问题，在各种作条件下影响器件的各个区域。AlGaN/GaN界面处的悬空键会干扰2DEG，从而降低迁移率。缓冲层陷阱以及器件顶部周围介电层中的陷阱都会影响器件性能。

这种捕获的一个重要的影响是器件动态导通电阻（dRDS（on））退化。当器件关闭状态下漏极和栅极之间的正偏置导致电子注入并捕获到通道下方的AlGaN势垒层或GaN缓冲层的缺陷上时，就会发生这种情况。由此产生的负电荷增加会降低器件开启时的2DEG密度，从而产生dRDS（on）增加。电流崩溃是一个结果，在高频或脉冲功率应用中可能会很严重。

在许多情况下，这种效应可以恢复，因为电荷会解捕。这种热电子注入会在电场最高的位点造成故障，并且可能同时依赖于电压和电流，并略微依赖于温度。最大漏极过电压规格现在在商业 GaN 制造商的数据表中规定。封装的寄生电感在过冲中起着重要作用，需要得到很好的控制。栅极过电压也会带来重大的可靠性挑战。

在常用的肖特基p栅极HEMT中，创建了两个背靠背二极管。在强正栅极偏置下，肖特基二极管发生反向偏置，导致金属界面附近的p-GaN耗尽层上出现过大的电压下降。高电场会产生渗流路径和泄漏。从金属注入p-GaN层的空穴可以积累p-GaN/AlGaN界面并降低器件Vth.栅极泄漏增加是由此可见的典型特征。从电子轰击到栅极的肖特基触点的欧姆性质增加可以看出软故障。硬故障可能是由介电故障引起的。

研究表明，在高正栅极偏置下注入栅极的电子产生的冲击电离会导致产生的空穴移动到栅极周围通常使用的氮化硅电介质中。这会产生净正电荷和电场增加，从而产生正反馈机制。这些与硅器件中常见的经典时间相关介电击穿（TDDB）不同，因为反向栅极场不会产生相同的故障率。另一个区别是故障率显示为负温度系数。

SiC和GaN功率器件的封装挑战

热管理可能是一个挑战，因为与硅器件相比，WBG器件的功率密度改进可以针对给定的功率要求实现更小或更少的芯片。尽管与硅或氮化镓相比，SiC的导热系数>2，但较高的杨氏模量会产生更高的热应力，从而增加封装故障的可能性。另一个关键要求是减少寄生电感，寄生电感会产生过冲并损害器件可靠性，尤其是在高电流和开关频率下。WBG器件正在尝试多项封装创新，包括使用银烧结进行芯片连接、铜夹、AlN、AMB SiN、金刚石等先进衬底和嵌入式PCB封装。横向GaN器件具有单片集成Miller钳位、电流传感器、栅极驱动电路和过压检测等组件。即使在快速开关条件下，这种集成也有助于将器件保持在安全的工作区域内。

可靠性模型

模型是预测和未来改进的重要工具。失败测试可以成为开发和验证这些模型的宝贵工具。故障物理模型侧重于根本原因机制，可用于预测寿命。例如，用于栅极氧化层的TDDB、GaN的电荷捕获模型、热降解和电迁移模型。基于加速测试条件的经验模型有助于识别失效模型的各个应力因素，例如电压和温度。热循环和应力/恢复模型就是例子。图1总结了这两种模型类型。