SiC和GaN：新一代半导体能否实现长期可靠性?

近年来，电力电子应用中硅向碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的转变越来越明显。在过去的十年中，SiC和GaN半导体成为了推动电气化和强大未来的重要力量。得益于其固有特性，宽禁带半导体正在逐渐取代许多电力应用中的传统硅基设备。硅的时代已经过去，其应用的可靠性一直很高。如今，有必要验证这两种新型半导体在长期使用中是否能够提供相同的安全前景，以及它们在未来是否会成为设计师可信赖的选择。

如今，应用的需求日益增长，要求能够管理更高电压、频率和温度的能源和电力，同时保持效率和可靠性。新材料碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为宽带隙半导体，展现出广阔的前景，并在电力电子应用中相较于传统硅材料提供了显著的优势。然而，尽管目前新材料的应用越来越广泛，其长期可靠性仍然是大规模采用的持续研究主题。随着这项技术逐渐成熟，关于其长期可靠性的疑虑也自然随之而来。

宽带隙半导体在极端电力应用中的使用必须伴随对设备可靠性的仔细评估和分析。毫无疑问，新的SiC和GaN设备相比于硅具有更优越的特性，包括更高的Vds电压、更低的Rds(ON)电阻以及更高的开关速度。这些特性使得可以构建具有更高功率密度、降低损耗和更好整体效率的系统和电路。然而，SiC和GaN独特的属性也带来了新的可靠性挑战。

设计师和企业必须更加关注的一个主要参数是设备的长期稳定性，尤其是在高电压和高温操作条件下。高电场和热应力可能导致栅氧化层的降解、通道迁移率的降低以及与封装本身相关的故障。这种情况尤其发生在MOS设备的栅极受到热和电的压力时。此外，材料中新缺陷的形成也可能对这些设备的可靠性产生负面影响。

然而，与研究并行，针对进一步提升SiC和GaN设备可靠性的研究也在进行中，通过改善材料质量、设备设计和封装技术，以增强它们的韧性和使用寿命。企业和制造商在实验室和实际操作环境中执行加速老化程序和极端条件下的测试，以评估长期性能并识别潜在的故障模式。加速测试可以在确定加速应力寿命后，用于预测在正常最终使用条件下产品的使用寿命。这些评估在电力设备的测试中起着至关重要的作用，使操作员能够评估和分类满足温度和电气应力要求的产品。

图1

测试主要关注设备的工作温度极限和在DS通道中多次重复施加的强电流的监督。这些测试实施连续和交替的电气和热测试，并能生成详细的最终报告。我们知道，电子元件的最大敌人就是高温。图1显示了SiC MOSFET的电流和功率的典型趋势，工作温度在-60°C到+200°C之间变化(在给定负载和供电电压的电路仿真中)。虽然电流几乎保持不变并在温度升高时略有下降，但功率耗散在整个范围内却出现了剧烈的增加(甚至超过5倍)。这意味着在长期内会出现各种问题，缩短设备的使用寿命。

SiC和GaN组件的可靠性

SiC和GaN属于一种新型现代技术，尽管它们在许多电力应用中已经被广泛使用，但仍然未完全成熟。随着它们的使用呈指数级增长，材料可靠性的概念正受到越来越多的关注，尤其是在安全领域，涉及的行业众多，汽车行业首当其冲。SiC设备的主要问题之一与栅氧化层相关，该层不断变薄，可能导致降解(见图2)。

这种缺陷可能直接导致设备的严重故障。在SiC MOSFET设备开始商业化时，它们的可靠性水平远低于硅的同类产品，但这一差距正在逐渐缩小。总体而言，涉及的故障过程略有不同，因为SiC是垂直PN结设备，而GaN是横向HEMT设备。在电力和高电压应用中，MOSFET的稳健性极为重要。

MOSFET或二极管在用于任何最终解决方案之前，必须经过多种测试。半导体产品可靠性测试的目的是确保设备的长寿命。许多应用要求中或长时间的使用寿命和低故障率。一些测试可能需要相当长的时间来完成，而通常这种要求并不完全可行。因此，许多测试通常会对组件进行压力测试，通过故意加速一些参数(如电压、电流、温度和湿度)来缩短时间。

SiC MOSFET的可靠性主要受到热应力的影响，而热应力又依赖于操作条件。由于这些温度变化，模块内部的材料会发生降解。典型的热故障发生在具有不同热膨胀系数的材料之间，尤其是在绝缘基板和基板之间的接触点。制造商在设备的开发过程和生命周期早期阶段进行电子元件的可靠性研究和评估。只有这样，才能确保基于SiC和GaN的组件安全可靠地运行。

设备应力测试涉及在类似真实世界的操作条件下并联测试数千个设备。这些测试持续超过四个月，使操作员能够获得足够的故障数据，以便描绘出相对可靠的统计数据。一些方法可以通过栅电压应力测试估算MOS设备的栅氧化层稳定性。对于一组样本，按照制造商规定的最大结温进行操作测试。在测试期间，栅电压从制造商推荐的电压逐渐增加。在每个时间间隔结束后，计算失败设备的数量并将其从测试电路中剔除。测试持续到所有设备失效，此时可以使用特定的数学模型可视化故障分布。

许多制造商为SiC-MOSFETs制造极高可靠性的栅氧化层薄膜，可靠性与Si-MOSFETs相当，而后者现在是一个极其成熟的领域，其结果与前者相当。许多测试是在操作条件极限下进行的，确认了数千小时的无故障操作。某些故障涉及体二极管导通的降解，这会导致电流路径发生变化，并引起Rds(ON)和二极管Vf参数的增加。与硅MOSFET相比，SiC-MOSFET的芯片面积更小、电流强度更高。因此，它们的短路承受能力也较低。

图2

平均而言，这些设备的短路耐受时间在几十微秒的量级。这一时限还取决于电压Vgs和Vdd。在高海拔和太空应用中，宇宙射线可能会引发担忧。相关的辐射测试表明，大多数模型非常耐用。此外，考虑到SiC芯片的体积小于硅，因静电放电(ESD)导致的故障概率较高。因此，有必要采取适当的静电防护措施，通过离子发生器和接地手环消除人体和工作环境中的静电。

结论

汽车行业以其严格的可靠性要求推动了SiC和GaN设备的创新。由于其在效率、尺寸和重量方面的优势，这些半导体在电动车辆中的应用迅速增长，但其长期可靠性的证明是确保车辆安全和耐用性的关键因素。像汽车这样的高要求市场对可靠性标准提出了非常高的要求，故障率达到十亿分之一(PPB)级别。尽管得益于技术进步，SiC和GaN设备的可靠性不再受到质疑，但这仍然是一个活跃且不断发展的研究领域。

确保这些设备满足真实应用的严格可靠性要求的努力正在为电力电子技术的革命铺平道路。随着持续的发展和广泛的采用，SiC和GaN有望塑造一个更加电气化和可持续的未来，巩固其作为能源转型关键技术的地位。

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