氮化鎵(GaN) 是一種寬禁帶的直接帶隙半導體，它有著很寬的直接帶隙，很高的擊穿場強，很高的熱導率和非常好的物理、化學穩定性。正因其各方面都有著非常好的表現，目前在電源領域得到廣泛應用。

本期 Power Integrations 市場營銷 副總裁 Doug Bailey 為我們帶來了PI 氮化鎵的質量與可靠性介紹。

浴缸曲線通常用來表示典型產品隨時間的故障率，在浴缸曲線的初始質量部分和長時間使用老化后，器件的故障率會上升。

在半導體行業，對時間的加速是通過加溫、在元件上施加電壓和增加濕度的方式來實現的。而在芯片層面對時間的加速，PI則是進行了HTOL高溫工作壽命試驗。測試時使用相對較少數量的器件，也即5批次的器件，每個批次48個器件，運行時間為1000小時。

通過HTOL高溫工作壽命試驗可以很好的了解到產品可靠性是否與生產制程相關，以及器件是否在測試期間出現故障。同時，PI還進行了HALT測試，在更低的溫度下且增加不同的濕度條件。跟前述的HTOL一樣，測試使用相同數量的器件和測試時間。

氮化鎵是一項新的技術，PI希望確保芯片內部的器件堅固耐用且具有長的使用壽命。PI專門設計了特別用于氮化鎵的測試方案。包括HTRB高溫反偏壓測試和HTGB高溫柵極偏壓測試。同樣采用1000小時的運行時間，并且在高溫和直流電壓應力下進行。以確保不出現與高溫、高壓相關的遷移問題或者長期退化機制。

PI還進行了HCI熱載流子試驗，尋找通道中的電子可能轉移到氧化物中，并被困住的情況。EM電子遷移試驗用來確保芯片頂部的所有金屬導體都具有適當的尺寸，并且不會被電流的流動所推動。GOI柵氧化物完整性測試則用來驗證器件柵極的強度。

對于汽車行業來說，汽車行業的從業者也同樣喜歡氮化鎵器件，所以PI進行了更多的測試。

PI針對車規半導體進行的主要測試是H3TRB，這是一項比標準HTRB測試條件濕度與溫度更高的測試。并進行一系列使得器件進行多次開關操作的測試，以證明器件不受開關操作所造成的熱沖擊影響。測試還包括供電溫度循環和間歇工作壽命試驗。

以上是PI對車規級氮化鎵產品進行的測試，使用5批次且每個批次77個樣品的數量進行測試。

接下來還要考慮短期產品制造期間的質量問題，也就是早期失效的器件，對應浴缸曲線的初始質量部分。在最終測試之前，PI會進行許多額外的過程控制措施用于提高產品質量，減少最終測試環節的不良品的數量，提高產品質量。

PI在晶圓的外延生長（EPI）過程中會進行嚴格的過程質量控制。EPI對于氮化鎵的制造絕對至關重要，是生成氮化鎵晶體管過程中最重要的部分。由于PI自己進行外延生產，所有東西都是自行生產，意味著對整個過程擁有完全控制，并且可以在各個環節進行檢查。

在光刻完成后再進行應力測試，找出不可接受或者存在質量問題風險的器件，并在進行最終測試之前將其剔除掉。

PI通過ELFR（早期壽命失效率）測試，來驗證過程控制措施、良率改進和最終測試方案。這個測試與高溫運行壽命測試非常相似。不同于少量器件長時間運行的測試方式，ELFR采用對大量器件進行相對較短時間的測試方式。PI對多批次的800個器件進行連續48小時的測試，確保沒有任何工藝批次的依賴性問題存在。

上面我們已經探討了可靠性和磨損老化機制，以及如何保證初期產品的質量。而對于浴缸曲線中間區間的元件，其主要損壞原因就是應力過大。PI對器件進行MSL濕敏等級測試、UHAST測試、TMCL測試以及HTSL測試，用于測試器件所能耐受的絕對最高溫度。

作為功率半導體器件來說，最重要的特性是耐受電壓的能力，接下來談談器件在高壓條件下的耐用可靠性問題。PI具有750V耐壓和900V耐壓兩類氮化鎵器件，PI對于氮化鎵器件耐壓的定義與硅器件的定義有所不同。

對于硅器件通常稱為擊穿電壓。氮化鎵的耐壓則與動態的RDS(ON)數值大小相關。當對GaN器件施加高壓時，器件的導通電阻會短暫上升。PI選擇5%作為可以接受的RDS(ON)增加的極限，此時所對應的電壓作為氮化鎵器件的耐壓數值。實際上，PI的氮化鎵器件，實際的物理擊穿電壓大概在1400V左右，相較手冊中的耐壓限值具有極大的裕量。

PI通過這一系列針對老化機制所進行的測試來保證可靠性。包括利用過程控制以提高產品初期質量、充足的電壓裕量以及一系列與溫度和濕度敏感性相關的測試，使得無論是適配器應用還是可靠性要求更高的汽車應用，都可以對PI的PowiGaN技術充滿信心。

審核編輯：劉清