高電子遷移晶體管(HEMT)。HEMT是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，會(huì)使導(dǎo)通電阻會(huì)低很多。它的開(kāi)關(guān)頻率要比同等大小的硅功率晶體管要快。這些優(yōu)勢(shì)使得功率轉(zhuǎn)換的能效更高，并且能夠更加有效地使用空間。GaN可以安裝在硅基板上，這樣可充分利用硅制造能力，并實(shí)現(xiàn)更低的成本。然而，在使用新技術(shù)時(shí)，需要驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)的可靠性。這份白皮書的主題恰恰是GaN器件質(zhì)量鑒定。

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簡(jiǎn)介

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由于有超過(guò)30年的經(jīng)驗(yàn)，并且經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，這個(gè)行業(yè)理所當(dāng)然地認(rèn)為硅功率晶體管具有很高的穩(wěn)定性。這種長(zhǎng)期的用戶體驗(yàn)已經(jīng)形成了一整套成熟的質(zhì)量鑒定法方法體系；在這個(gè)方法體系中，可靠性和質(zhì)量由運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試進(jìn)行認(rèn)證。這些測(cè)試來(lái)源于故障模式理解、激勵(lì)能量和加速因子方面的深入研究，以及推測(cè)使用壽命、故障率和缺陷率的統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)框架的開(kāi)發(fā)。由于數(shù)代硅產(chǎn)品可以在實(shí)際使用條件下，實(shí)現(xiàn)真正使用壽命內(nèi)的正常運(yùn)行，這個(gè)質(zhì)量鑒定方法體系現(xiàn)在已經(jīng)被證明是有效且實(shí)用的。

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然而，GaN晶體管是近期才被開(kāi)發(fā)出來(lái)的器件。更加昂貴的碳化硅基板上的RF GaN HEMT已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線基站內(nèi)，并且其可靠性已經(jīng)得到驗(yàn)證。雖然基于相似的基本原理，功率GaN HEMT在實(shí)現(xiàn)更高電壓處理方面增加了更多的特性。它植根于硅基板上，并且使用與硅制造兼容的材料來(lái)降低成本。此外，出于故障安全的原因，它需要是一個(gè)增強(qiáng)模式 (e-mode)，或者是常關(guān)器件。

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主要有三種架構(gòu)：

1. 與一個(gè)e-mode Si FET共源共柵的耗盡模式 (d-mode) 絕緣柵極GaN HEMT；2. e-mode絕緣柵極GaN HEMT；3. P型e-mode結(jié)柵極GaN HEMT。這三款器件會(huì)由于自身的原因，以及硅FET的影響而具有不同的故障模式，問(wèn)題是如何鑒定它們的質(zhì)量。基于硅的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定方法是一個(gè)有價(jià)值且具有里程碑意義的質(zhì)量和可靠性鑒定方法，但不清楚的是，在器件使用壽命、故障率和應(yīng)用相關(guān)性方面它對(duì)于GaN晶體管的效用如何。

德州儀器 (TI) 是半導(dǎo)體技術(shù)方面的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，在將可靠的半導(dǎo)體產(chǎn)品推向市場(chǎng)方面具有長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)，其中包括鐵電隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器 (FRAM) 等非硅材料技術(shù)。在通過(guò)GaN相關(guān)質(zhì)量鑒定方法體系和應(yīng)用相關(guān)測(cè)試，把可靠的GaN產(chǎn)品推向市場(chǎng)方面，我們具有很大的優(yōu)勢(shì)。

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標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定方法體系

在鑒定硅功率器件質(zhì)量方面，有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的質(zhì)量鑒定方法體系得到廣泛使用：聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)(JEDEC)；和汽車電子協(xié)會(huì)(AEC)[2, 3, 4, 5]。這些標(biāo)準(zhǔn)指定了很多測(cè)試，其中可以分為三類：靜電放電 (ESD)、封裝和器件。

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靜電放電要求是一項(xiàng)強(qiáng)制的操作標(biāo)準(zhǔn)，所以ESD標(biāo)準(zhǔn)不太可能會(huì)發(fā)生變化。封裝測(cè)試與那些針對(duì)硅芯片、已經(jīng)完成的測(cè)試相類似，需要找到導(dǎo)致故障的根本原因，以強(qiáng)調(diào)意外的故障機(jī)制。之前在硅芯片中使用的后端處理也同樣用于GaN，在這個(gè)背景下，由于封裝應(yīng)力、結(jié)合表面相互作用等問(wèn)題比較常見(jiàn)，所以這個(gè)相似性也就凸現(xiàn)出來(lái)。然而，這個(gè)器件類別是全新的，并因此具有特別的重要性。后面的段落檢查了標(biāo)準(zhǔn)硅芯片質(zhì)量鑒定方法體系，并且描述了如何將這一方法體系應(yīng)用于GaN。

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對(duì)于硅芯片質(zhì)量鑒定來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力下的運(yùn)行時(shí)間為1000h，結(jié)溫至少為125°C。假定激活能量為0.7eV，指定溫度加速因子為78.6 。這使得125°C結(jié)溫下的1000h運(yùn)行時(shí)間所受應(yīng)力等于Tj = 55°C情況下，9年運(yùn)行時(shí)間內(nèi)所受應(yīng)力。器件在它們的最大運(yùn)行電壓下進(jìn)行質(zhì)量鑒定。對(duì)于分立式功率FET，這通常選擇為最小擊穿電壓技術(shù)規(guī)格的80%。這意味著，在質(zhì)量鑒定測(cè)試條件下，沒(méi)有內(nèi)置的電壓加速；電壓加速只由溫度實(shí)現(xiàn)。由于Tj在55°C以上，通常情況下高于75°C，這一點(diǎn)會(huì)對(duì)功率器件產(chǎn)生巨大影響。

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這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還指定了3個(gè)批次的產(chǎn)品，每個(gè)批次有77個(gè)部件，不應(yīng)在應(yīng)力下出現(xiàn)故障。231個(gè)部件中的零故障標(biāo)準(zhǔn)意味著批內(nèi)缺陷允許百分比 (LTPD) 的值為1。這表示，你有9成的把握地宣稱，在推測(cè)的應(yīng)力條件下，一個(gè)批次內(nèi)有1%的部件是有缺陷的。換句話說(shuō)，在Tj = 55°C的溫度條件下運(yùn)行9年，在最大工作電壓上被偏置。最初地最大故障率 (FIT) 大約為50。Tj = 55°C下的FIT也是使用0.7eV的激活能量，從231個(gè)部件的零故障結(jié)果中得出。

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