TI正在规划依据GaN原理的归纳质量保证方案和相关的运用测验来供给牢靠的GaN处理方案。氮化镓(GaN)的资料特点可使电源开关具有令人兴奋且具有突破性的全新特性—功率GaN。高电子搬迁晶体管(HEMT)。HEMT是一种场效应晶体管(FET)，会使导通电阻会低许多。它的开关频率要比平等巨细的硅功率晶体管要快。这些优势使得功率转化的能效更高，而且可以愈加有用地运用空间。GaN可以安装在硅基板上，这样可充分利用硅制作才能，并完结更低的本钱。可是，在运用新技能时，需求验证这项技能的牢靠性。这份白皮书的主题恰恰是GaN器材质量判定。
简介
因为有超越30年的经历，而且经过不断改善，这个职业天经地义地以为硅功率晶体管具有很高的稳定性。这种长时刻的用户体会现已形成了一整套老练的质量判定法办法系统；在这个办法系统中，牢靠性和质量由运转规范化测验进行认证。这些测验来源于毛病形式了解、鼓励能量和加快因子方面的深入研究，以及估测运用寿数、毛病率和缺点率的核算与数学结构的开发。因为数代硅产品可以在实践运用条件下，完结真实运用寿数内的正常运转，这个质量判定办法系统现在现已被证明是有用且有用的。
可是，GaN晶体管是近期才被开宣布来的器材。愈加贵重的碳化硅基板上的RF GaN HEMT现已被广泛运用于无线基站内，而且其牢靠性现已得到验证[1]。尽管依据相似的基本原理，功率GaN HEMT在完结更高电压处理方面添加了更多的特性。它植根于硅基板上，而且运用与硅制作兼容的资料来下降本钱。此外，出于毛病安全的原因，它需求是一个增强形式 (e-mode)，或许是常关器材。
首要有三种架构：
1. 与一个e-mode Si FET共源共栅的耗尽形式 (d-mode) 绝缘栅极GaN HEMT；2. e-mode绝缘栅极GaN HEMT；3. P型e-mode结栅极GaN HEMT。这三款器材会因为自身的原因，以及硅FET的影响而具有不同的毛病形式，问题是怎么判定它们的质量。依据硅的规范质量判定办法是一个有价值且具有里程碑含义的质量和牢靠性判定办法，但不清楚的是，在器材运用寿数、毛病率和运用相关性方面它关于GaN晶体管的功效怎么。
德州仪器 (TI) 是半导体技能方面的职业领导者，在将牢靠的半导体产品推向市场方面具有长时刻的经历，其间包含铁电随机拜访存储器 (FRAM) 等非硅资料技能。在经过GaN相关质量判定办法系统和运用相关测验，把牢靠的GaN产品推向市场方面，咱们具有很大的优势。
规范质量判定办法系统
在判定硅功率器材质量方面，有两个规范化安排的质量判定办法系统得到广泛运用：联合电子设备工程委员会(JEDEC)；和轿车电子协会(AEC)[2, 3, 4, 5]。这些规范指定了许多测验，其间可以分为三类：静电放电 (ESD)、封装和器材。
静电放电要求是一项强制的操作规范，所以ESD规范不太或许会发生改动。封装测验与那些针对硅芯片、现已完结的测验相相似，需求找到导致毛病的根本原因，以着重意外的毛病机制。之前在硅芯片中运用的后端处理也相同用于GaN，在这个布景下，因为封装应力、结合外表相互作用等问题比较常见，所以这个相似性也就凸现出来。可是，这个器材类别是全新的，并因而具有特别的重要性。后边的阶段查看了规范硅芯片质量判定办法系统，而且描绘了怎么将这一办法系统运用于GaN。
关于硅芯片质量判定来说，规范应力下的运转时刻为1000h，结温至少为125°C。假定激活能量为0.7eV，指定温度加快因子为78.6 [2]。这使得125°C结温下的1000h运转时刻所受应力等于Tj = 55°C状况下，9年运转时刻内所受应力。器材在它们的最大运转电压下进行质量判定。关于分立式功率FET，这一般挑选为最小击穿电压技能规范的80%。这意味着，在质量判定测验条件下，没有内置的电压加快；电压加快只由温度完结。因为Tj在55°C以上，一般状况下高于75°C，这一点会对功率器材发生巨大影响。
这个规范还指定了3个批次的产品，每个批次有77个部件，不应在应力下呈现毛病。231个部件中的零毛病规范意味着批内缺点答应百分比 (LTPD) 的值为1 [2]。这表明，你有9成的掌握地声称，在估测的应力条件下，一个批次内有1%的部件是有缺点的。换句话说，在Tj = 55°C的温度条件下运转9年，在最大作业电压上被偏置。开端地最大毛病率 (FIT) 大约为50。Tj = 55°C下的FIT也是运用0.7eV的激活能量，从231个部件的零毛病成果中得出。
可是，除了静态测验，还有一个动态测验。它被十分广泛地界说为“有或许在一个动态作业形式下运转的器材”[3]。由厂商对测验进行界说。因为很难指定一个与大规模不断发展的运用和技能相对应的测验，所以短少指定测验。指定测验或许不能与实践运用环境恰当相关，而且有或许发生过错毛病，或许无法加快有用毛病机制 [7]。
关于硅FET来说，现已在许多年的实践运用进程中建立起来质量判定办法系统的可信度。与GaN等全新技能不同的是，器材厂商担任确认它们的动态测验可以猜测实践运用的运转状况。因而，需求开宣布运用相关的应力测验，可以在实践运用条件下验证牢靠性。
终究，需求留意的一点是，GaN无法耐受雪崩能量。也便是说，器材将在被击穿时损坏。这是一个需求处理的问题，特别是关于功率因数校对 (PFC) 电路等高压运用来说更是如此；在这些运用中，器材会遭到有或许呈现的过压事情的影响，比方说电力线路上的闪电尖峰放电。
规范质量判定办法系统的适用性
JEDEC和AEC规范均依据健全完善的基本原理，不过技能上比较落后。尽管经过硅产品质量判定是一件有价值的、里程碑式的重大事情，可是用户需求一个可以在实践运用条件下，在所需的运用寿数内，比方说10年，以低毛病率继续运转的产品。因而，推出FRAM、成份额CMOS、GaN等新技能的公司需求了解这些规范的基本原理。在JEDEC质量判定办法系统中，首要的促进要素是温度。依据方程式eq.(1) 核算出加快因子 (AF)，在这里EA是激活能量，而k是玻尔兹曼常数。
假如在应力温度Tj = 125°C、运用温度Tj = 55°C，而且鼓励能量大约为0.7eV的状况下运用eq (1)，得出的加快因子将为78.6。这也是Tj = 125°C状况下1000h应力大致相当于Tj = 55°C状况下运用10年的原因。在现已宣布的文献中，GaN 的鼓励能量 [8] 在1.05到2.5eV之间改动。这些宽规模的值表现出世界上不同实验室和公司内器材、工艺和资料间的差异。这个规模可以供给大幅改动的加快因子，比方EA = 1.05eV下的687到EA = 2.5eV下5百万以上的值。因而，有必要确认与工艺和终究产品的器材架构有关的鼓励能量。
将实践运转中的结温考虑在内也很重要。因为其所具有的宽带隙，相关于硅资料，GaN可以在更高的温度环境中运转。这一点关于电力电子产品很重要。表1是125°C应力温度下的1000h硅技能规范与其它几种状况下的比较。从表1中可以看出，假如需求105°C的结作业温度，假定激活能量为0.7eV，非加快时刻从9年削减为0.3年。经过将应力温度添加到150°C（这是一个针对规范封装的实践限值），有或许将这个时刻添加到1.1年。在这个状况下，应力测验并不契合现场等效运用寿数，或许解算出大约50 FIT的最大FIT率条件。可是，它的确是一项牢靠且高质量的里程碑式的测验办法。
代表10年运用时刻的1000h应力测验需求一个值为87.6的加快因子，而且在1.37的鼓励能量下完结。比如参考文献 [8] 中1.05eV的更低鼓励能量将需求2.84倍的电压加快，或许大约延伸6到17周的继续时刻。过多的电压加快会导致不具代表性的毛病形式，而继续时刻扩展延伸了新产品的开发时刻。依据毛病形式和封装内可供给的加快的不同，或许无法完结可以表明所需现场等效运用寿数的质量判定测验。运用寿数要求由晶圆级牢靠性测验供给保证，而且由已封装部件的扩展继续时刻应力测验进行验证。
表1：不同应力参数对牢靠性和质量估测数据的影响
依据GaN的特定毛病形式来设定毛病规范很重要。一个特别的毛病便是动态Rds导通电阻添加，也被称为电流坍塌。这一毛病由缓冲和顶层的负电荷陷获所导致 [9, 10]。电荷会在施加高压时被诱陷，而且不会在器材接通时当即耗散。
被陷获的负电荷排挤来自通道层的电子，而Rds导通电阻会因为通道层内的电子数量的削减而添加（图1）。随后，Rds导通电阻跟着被陷获电荷的耗散而康复。这一影响下降了功率，而且会使得器材自发热量过多，而且会过早地呈现毛病。
图1：一个GaN器材的电路横截面显现被陷获的电子怎么经过削减通道层中的电子数量来添加Rds导通电阻。
此外，陷获密度会跟着器材老化而添加，然后使得动态Rds导通电阻的影响愈加严峻。咱们有专门的硬件来监督应力测验进程中的动态Rds导通电阻，这使得咱们可以保证发布的产品没有这方面的问题。
运用相关测验
尽管DC测验办法在对很多部件进行测验时相对简略，它们或许不能猜测GaN是否在实践运用中具有10年的运用寿数。硬开关应力不同于DC应力。硬开关功率转化器具有电感开关改换，在这个期间，器材一起遭到高电流和高压的影响。因为FET通道需求漏电压，Vds，下降前灌入整个电感器电流，而且对那个节点上的其它器材进行反向康复放电，接通改换是一个应力最高的进程。它还需求在Vds下降时承载器材放电输出和开关节点电容内的额定电流。因为FET通道在Vds较低，而且电感器电流为各自的电容器充电时封闭，所以封闭的应力相对较低。
器材应力由运用图2中所示拓扑的升压转化器显现。图3中显现的是初级侧开关 (FET1) 上硬开关接通改换的仿真成果。输入电压为200V，而电感器电流为5A（负载电流大约为2.5A）。在这个状况下，当FET1封闭时，因为胁迫FET (FET2) 导电，它的漏电压大约胁迫在400V。因而，当FET1接通时，它需求在Vds开端下降之前灌入整个电感器电流（区域A）。
图2：一个简略的升压转化器拓扑。
图3：针对一个硬开关改换的接通转化。
跟着漏电压下降（区域B），FET需求将开关节点上的电容器放电。这些电容器中的电荷来自胁迫FET、电路板引线和其它衔接的组件。因为运用了GaN FET，没有来自这个钳位的反向康复电流。V-I联系曲线（图4）显现出，在高Vds时，会罗致很多电流。在这个状况下，大约比电感器电流高6A。因为FET的漏电容经过通道放电，实践的FET通道电流更高。例如，值为50pF，转化率为60V/ns的漏电容会添加额定的3A电流。
硬开关期间，高Vds时满足的FET通道电流会导致热载流子生成，正因如此，器材需求稳健经用。此外，大器材阵列会遇到不一致的开关，这有或许会使器材电流涌入最早接通的那一部分器材阵列，而且超越本地额定值。高dv/dt开关还会过错地将电容电流引进器材的某一区域，比方说端子。需求完结牢靠性测验，特别是在需求保证器材在硬开关运用中的稳健经用性时更是如此，而且牢靠开关安全作业区 (SOA) 限制了器材的用户运用条件。
为了验证硬开关稳健经用性，TI现已开宣布一个依据简略升压转化器的电感开关单元（图5）。依据JEDEC主张 [7] 进行选型，即“取决于毛病形式和所关怀的机制，因为实践产品复杂度有或许会掩盖固有的毛病机制，所以实验模型或许更受欢迎。”
图5：针对电感开关运用测验的实验模型。
当GaN FET封闭时，电感器电流经过一个二极管再次流至输入端，这就免除了对负载电阻器的需求，而且可以到达节能的意图。这个单元与处于接连电流形式下的电感器一起运转。因为方针是开关改换，经过运用短占空比，可以到达节能的意图。这个元件可以改动施加的电压、电流、频率，以及器材所在环境的温度。额定的漏电流（图4）由二极管电容供给。
可以依照需求添加额定电容。这个元件还具有一个硬件，可以在开关改换的1微秒后丈量器材的动态导通电阻 (dRds-on)。因为dRds-on会跟着应力而添加，然后导致导电损耗添加、功率下降，因而这个实时监督功用是很有必要的。在一个产品中，不断添加dRds-on将导致过多的器材自发热和过热毛病。因为Rds-on功用下降会康复，不太或许经过将应力中止，在“上拉或下拉点”上取得这些数据。监督这个要害GaN毛病参数使咱们可以防止发布的产品呈现这个问题。
除了电感开关测验，GaN多芯片模块需求在系统中进行评价，而且在实践的产品运用条件下运转。这样可以验证与其它系统组件的交互作用，而且暴露出不知道的毛病机制。即便单个组件是牢靠的，它们之间的交互作用也或许会在意料之外。例如，在一个共源共栅GaN器材中，经过GaN器材漏源%&&&&&%的电荷耦合会使得硅共源共栅器材在封闭改换期间呈现雪崩击穿 [11]。
有必要专门来说一说雪崩击穿的耐受性。现在，GaN HEMT并未显现出雪崩才能。因为GaN自身是支撑雪崩的，所以这或许会跟着技能老练而得以改善 [12]。与此一起，咱们正在规划具有满足裕量的TI产品，来处理遇到的过压状况。例如，在PFC运用的状况下，假如电力线被闪电击中时， FET上的电压有或许瞬时上升到高达700V。关于这个运用，将制作可以至少耐受750V尖峰电压的GaN器材。
定论
德州仪器 (TI)在硅产品质量判定方面具有长时刻的专业常识堆集，咱们将这些专业常识运用于GaN的质量判定方面。这就需求重新学习基本原理，以了解硅质量判定进程的来源，以及依据GaN特定毛病、鼓励能量和加快因子来创立测验。它还触及针对相关运用中GaN的质量判定，其办法是在一个特别电感开关实验模型中进行应力测验，而且在实践产品装备中运转部件。
参考文献
1.S.Singhal等，“一个GaN工艺渠道的质量判定和牢靠性”，CS MANTECH会议，第83页，2007年
2.JEDEC规范JESD471，“集成电路的应力测验决议的质量判定，”2012年7月
3.JEDEC规范JESD22-A108D，“温度、偏置和运转寿数”，2010年11月
4.AEC-Q100，修订版别H，“针对%&&&&&%，依据毛病机制的应力测验质量判定，”2014年9月
5.AEC-Q100，修订版别D1，“针对轿车运用平分立式半导体的依据毛病机制的应力测验质量判定，”2013年9月
6.JEDEC规范JESD85，“核算以FIT为单位的毛病率的办法，”2001年7月
7.JESD规范JESD94A，“运用以常识为根底的测验办法系统来进行特定运用的质量判定，”2011年9月
8.E. Zanoni等，“依据AIGAN/GaN的HEMT毛病物理学和牢靠性：影响栅极边际和肖特基结的机制，”关于电子器材的IEEE学刊，v.60，n.10，p.3119，2013年
9.J. Joh, N. Tipirneni, S. Pendharkar, S. Krishnan, “高压开关运用中GaN异结场效应晶体管内的电流坍塌”世界牢靠性物理学研讨会 (IRPS)，p.6C.5.1，2014年
10.O. Hill等，“缓冲器结构对高压AIGaN/GaN HFET的动态导通电阻的影响，”功率半导体器材和%&&&&&%世界研讨会，p.345，2012年
11.S. R. Bahl和M. D. Seeman，“GaN共源共栅器材中全新的电气过应力和能量损耗机制，”运用电源电子会议 (APEC)，T25，2015年
12.I. Kizilyalli等，“具有雪崩功用的高压笔直GaN p-n二极管，”关于电子器材的IEEE学刊，v.60，n.10，p.3067，2013年
