影響SiC和GaN器件選擇的主要因素有哪些

由于其固有的特性，寬禁帶半導(dǎo)體(WBG)在許多功率應(yīng)用中正逐步取代傳統(tǒng)的硅基器件。碳化硅(SiC)功率MOSFET的擊穿電壓高于1kV，這是電動(dòng)汽車逆變器等功率應(yīng)用的關(guān)鍵要求。另一方面，氮化鎵(GaN)支持比其他半導(dǎo)體高得多的開關(guān)頻率，并提供更高的功率密度，從而可以在實(shí)現(xiàn)相同電氣性能的情況下減小整體系統(tǒng)的尺寸。這兩種WBG半導(dǎo)體都提供了以前無法達(dá)到的效率水平，從而能夠構(gòu)建具有出色熱管理的緊湊、輕便的電源解決方案。

在最具挑戰(zhàn)性的電源應(yīng)用中使用WBG半導(dǎo)體離不開對(duì)器件可靠性的仔細(xì)評(píng)估。例如，汽車市場(chǎng)需要體積小、重量輕的解決方案用于電動(dòng)汽車。

本文借鑒了GaN Systems的CEO Jim Witham和X-Fab SiC和GaN產(chǎn)品營銷經(jīng)理Agnes Jahnke的貢獻(xiàn)，比較并提出了影響SiC和GaN器件選擇的主要因素。

在新項(xiàng)目中選擇使用GaN還是SiC器件主要取決于四個(gè)關(guān)鍵因素：可靠性、性能、成本和產(chǎn)能。

可靠性

在半導(dǎo)體行業(yè)，可靠性問題并不新鮮，但隨著汽車中復(fù)雜半導(dǎo)體含量的不斷增加以及芯片越來越多地用于數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，可靠性問題受到了更多關(guān)注。功率器件測(cè)試不局限于組件數(shù)據(jù)表中的參數(shù)，因?yàn)橹圃焐掏ǔ?huì)運(yùn)行各種加速測(cè)試，包括老化測(cè)試。一旦確定加速應(yīng)力下的壽命，已知的加速模型就可以用來預(yù)測(cè)正常應(yīng)用應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命。

對(duì)于SiC來說，主要問題之一是柵極氧化物完整性(GOI)。最新一代SiC器件中的柵極氧化層越來越薄，進(jìn)而增強(qiáng)了電場(chǎng)。由于所謂的與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿(TDDB)現(xiàn)象，柵極氧化層可能最終劣化。經(jīng)過一些磨損后，柵極氧化層退化，導(dǎo)致TDDB。

根據(jù)Witham的說法，SiC襯底在外延生長過程中也容易出現(xiàn)缺陷。盡管在成本、可用性和基板質(zhì)量方面仍然存在問題，但晶圓的缺陷率和外延性正在改善。SiC是地球上第三硬的復(fù)合材料，其極高的硬度和脆性給制造商帶來了周期時(shí)間、成本和切割性能方面的挑戰(zhàn)。盡管存在這些挑戰(zhàn)，同時(shí)人們一直對(duì)SiC基本可靠性普遍持懷疑態(tài)度，但SiC已經(jīng)取得了基本的可靠性水準(zhǔn)。

具有更嚴(yán)格要求的市場(chǎng)，例如汽車行業(yè)，要求故障率在十億分之一(PPB)范圍內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)這一效果，需要成功通過大量的柵極氧化層和閾值電壓穩(wěn)定性(VTH隨偏置電壓的變化)測(cè)試。

功率晶體管的兩個(gè)最重要的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是JEDEC(聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì))和AEC(汽車電子委員會(huì))-Q101，同時(shí)當(dāng)前使用的GaN晶體管指南和標(biāo)準(zhǔn)，是以硅晶體管為基礎(chǔ)開發(fā)的。然而，GaN在材料結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方面不同于硅，這帶來了挑戰(zhàn)，全面的驗(yàn)證應(yīng)該如何使用以及使用哪些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)十分必要。

GaN Systems設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)的資格測(cè)試方法，名為AutoQual+，是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)試中的空白，并證明其晶體管的使用壽命比市場(chǎng)要求的更長。世界各地的汽車、工業(yè)和高可靠性行業(yè)是對(duì)其這些要求最苛刻的客戶，同時(shí)與GaN Systems密切合作從而設(shè)計(jì)和驗(yàn)證了它們。多年的工程知識(shí)以及JEDEC和AEC-Q標(biāo)準(zhǔn)是AutoQual+方法的基礎(chǔ)，其中添加了專門的GaN技術(shù)知識(shí)、故障測(cè)試和新的測(cè)試方法，以確保沒有盲點(diǎn)或有偏見的判斷。

“很明顯，我們與客戶一起完成的工作是設(shè)計(jì)增強(qiáng)的可靠性測(cè)試設(shè)置，確保GaN Systems的元器件在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中展示行業(yè)領(lǐng)先的性能和壽命”Witham說。

如圖1所示，GaN的可靠性與Si的可靠性處于同一量級(jí)。自2019年以來，超過半數(shù)的電動(dòng)方程式賽車都采用了GaN功率器件，做到了極低的故障率(FIT)?！暗搅?022年，在動(dòng)力總成中使用GaN Systems的商用電動(dòng)汽車生產(chǎn)已經(jīng)開始?！盬itham評(píng)論道。

圖1：GaN、SiC和Si可靠性的比較

“我認(rèn)為將來會(huì)有GaN，也會(huì)有SiC，并不是只能選一個(gè)。這實(shí)際上取決于客戶在其特定應(yīng)用中如何評(píng)估這四個(gè)關(guān)鍵因素?！盬itham說。

性能

從性能角度來看，與SiC和硅相比，GaN提供了更好的開關(guān)性能。這是因?yàn)樗拈_關(guān)損耗非常低，并且可以通過減小許多組件的尺寸來提高開關(guān)頻率。另一方面，SiC在傳導(dǎo)損耗方面表現(xiàn)非常出色。

“設(shè)計(jì)工程師必須問自己，我的任務(wù)剖面是什么，對(duì)我來說更重要的是開關(guān)損耗還是傳導(dǎo)損耗？答案在不同的應(yīng)用和不同的客戶中是不同的?！盬itham說。

在汽車領(lǐng)域，選擇通?；趹?yīng)用、車輛類別和“任務(wù)剖面”，如表1中Witham所建議的。

表1：選擇GaN或SiC的應(yīng)用需求矩陣

DC/DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器通常采用GaN，而牽引逆變器通常采用SiC(盡管當(dāng)降低開關(guān)損耗變得重要時(shí)首選GaN)。主要是，對(duì)于中低電壓需求GaN能提供更好的效果，然而SiC主要用于高于1.2kV的高壓應(yīng)用。

“在許多牽引逆變器任務(wù)剖面中，開關(guān)損耗非常重要。我們?cè)谑澜绺鞯氐臓恳孀兤髦杏卸喾NGaN基的設(shè)計(jì)，甚至適用于800V的電池系統(tǒng)?！盬itham說。

根據(jù)Witham的說法，SiC和GaN各有優(yōu)劣。GaN有利于開關(guān)損耗，而SiC有利于傳導(dǎo)損耗。從性能的角度來看，選擇取決于客戶的應(yīng)用。

成本

從成本的角度來看，正如Witham指出的那樣：“SiC在降低成本方面做得很好。但GaN從根本上說是比SiC成本更低的結(jié)構(gòu)，其成本正在接近硅。”

此外，他補(bǔ)充說，GaN本質(zhì)上是綠色環(huán)保的，因?yàn)橹圃霨aN晶體管所需的能量與制造SiC晶體管所需的能量相比要少得多(少10倍或20倍)。可持續(xù)性成本正在成為成本方程式中的一個(gè)重要變量。

根據(jù)Witham的說法，從產(chǎn)能的角度來看，SiC目前供應(yīng)嚴(yán)重不足?！耙恍?a target="_blank">芯片制造商無法向他們的客戶提供足夠的產(chǎn)品，他們中的許多人已經(jīng)計(jì)劃擴(kuò)建或新建制造工廠來解決這個(gè)短缺的問題。”Witham說。

產(chǎn)能

Witham指出，SiC材料特性的不穩(wěn)定，將無法滿足快速增長的市場(chǎng)需求，導(dǎo)致制造能力有限，成品率低。電動(dòng)汽車和可再生能源等高要求應(yīng)用的開發(fā)可能因此受到限制。

“由于晶體生長速度緩慢，晶圓和組件的良品率處于歷史低位，制造SiC材料非常困難，這導(dǎo)致成本高和供應(yīng)不足。相反，GaN擁有強(qiáng)大的產(chǎn)能并且不會(huì)遇到短缺問題?！盬itham說。

如何最好的比較GaN和SiC的可靠性？X-FAB的觀點(diǎn)

隨著GaN和SiC技術(shù)的發(fā)展，這種寬禁帶器件的可靠性不再受到質(zhì)疑。在他們的網(wǎng)站上，許多公司提供了他們產(chǎn)品可靠性的證據(jù)，包括沒有出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障記錄的例子。此外，資格標(biāo)準(zhǔn)已更新，為寬禁帶器件可靠性測(cè)試提供參考，例如，用于GaN的JEP173或JEP180，以及用于SiC的JEP184或JEP190。它們涉及的失效過程有些不同，因?yàn)镾iC和GaN主要分別用于橫向器件和橫向HEMT器件。GaN的“動(dòng)態(tài)RdsON”和SiC的“柵極氧化層可靠性”是最常與可靠性聯(lián)系在一起的術(shù)語。

“動(dòng)態(tài)RdsON影響的發(fā)生是由于緩沖層、電介質(zhì)或接口電子的電荷俘獲。這些電子降低2DEG密度并增加了RdsON。這種捕獲是在器件開關(guān)時(shí)發(fā)生的，但電子在器件關(guān)閉時(shí)會(huì)恢復(fù)。早期GaN制造的一個(gè)主要問題是被捕獲的電子會(huì)留在緩沖層中，導(dǎo)致RdsON不可逆地增加，進(jìn)而隨著時(shí)間的推移降低器件性能。然而，這種影響在今天得到了更好的認(rèn)識(shí)，并且可以在制造過程中得到抵消。”Jahnke說。

她補(bǔ)充說：“SiC最可怕的可靠性損害因素是柵極氧化層可靠性，因?yàn)檫@里的任何缺陷都可能直接導(dǎo)致致命的元器件故障。基板缺陷、顆粒或工藝變化可能導(dǎo)致局部氧化物變薄——縮短元器件的使用壽命并導(dǎo)致早期的擊穿。為了掌握這一點(diǎn)，柵極氧化物形成工藝是最關(guān)鍵的制造步驟之一，需要仔細(xì)優(yōu)化器件的工藝和設(shè)計(jì)。此外，還要實(shí)施器件篩選步驟(例如老化測(cè)試)以檢測(cè)早期故障，從而提高已交付器件的可靠性?！?/p>

根據(jù)X-Fab的說法，有更多的研究可以證明SiC和GaN器件的可靠性，并且隨著幾個(gè)主要市場(chǎng)的信任度不斷提高，很明顯在可靠性方面不存在根本性的阻礙。因此，他們將看到在需要高可靠性的應(yīng)用中更多的采用寬禁帶元器件，例如汽車和工業(yè)。

審核編輯：郭婷