GaN和SiC怎麼選? 重點在於可靠性

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio

在最具挑戰性的電源應用中使用寬能隙半導體,免不了要先仔細評估元件的可靠性。例如,汽車市場需要體積小、重量輕的解決方案用於電動車。

由於其固有的特性,寬能隙半導體(WBG)在許多功率應用中正逐步取代傳統的矽基元件。碳化矽(SiC)功率MOSFET的擊穿電壓高於1kV,這是電動車逆變器等功率應用的關鍵要求。另一方面,氮化鎵(GaN)支援比其他半導體更高許多的開關頻率,並提供更高的功率密度,從而可在實現相同電氣性能的情況下縮減整體系統的尺寸。這兩種WBG半導體都提供了以前無法達到的效率水準,從而能夠建構具有出色熱管理的緊湊、輕便電源解決方案。

在最具挑戰性的電源應用中使用WBG半導體,免不了要先仔細評估元件的可靠性。例如,汽車市場需要體積小、重量輕的解決方案用於電動車。

本文借鑒了GaN Systems執行長 Jim Witham和X-Fab SiC和GaN產品行銷經理Agnes Jahnke的貢獻,比較並提出了影響SiC和GaN元件選擇的主要因素。

在設計專案中究竟該選擇GaN還是SiC元件?這主要取決於四個關鍵因素:可靠性、性能、成本和產能。

可靠性

在半導體產業,可靠性問題並不新鮮,但隨著汽車中複雜半導體含量的不斷增加以及越來越多的晶片用於資料中心等關鍵任務應用,可靠性問題受到更多關注。功率元件測試不限於元件資料表中的參數,因為製造商通常會執行各種加速測試,包括老化測試。一旦確定加速應力的壽命,就可以使用已知加速模型來預測正常應用應力下的產品壽命。

對於SiC來說,主要問題之一是閘極氧化物完整性(GOI)。最新一代SiC元件中的閘極氧化層越來越薄,進而增強了電場。由於所謂與時間相關的電介質擊穿(TDDB)現象,閘極氧化層可能最終劣化。經過一些磨損後,閘極氧化層退化,導致TDDB。

據Witham的說法,SiC基板在外延生長過程中也容易出現缺陷。儘管在成本、可用性和基板品質方面仍然存在問題,但晶圓的缺陷率和外延性正在改善。SiC是地球上第三硬的複合材料,其極高的硬度和脆性給製造商帶來了週期時間、成本和切割性能方面的挑戰。儘管存在這些挑戰,以及人們一直對SiC的可靠性普遍持懷疑態度,但SiC已經具備基本的可靠性水準。

例如汽車產業等具有更嚴格要求的市場,要求故障率在十億分之一(PPB)範圍內。為實現這一效果,需要成功通過大量的閘極氧化層和閾值電壓穩定性(VTH隨偏置電壓的變化)測試。

功率電晶體的兩個最重要測試標準是JEDEC和AEC-Q101,同時當前使用的GaN電晶體指南和標準,是以矽電晶體為基礎開發的。然而,GaN在材料結構和構造方面不同於矽,這帶來了挑戰,全面的驗證應該如何使用以及使用哪些測試標準至關重要。

GaN Systems設計了一種增強的資格測試方法,名為AutoQual+,主要在於彌補現有測試的空白,並證明其電晶體的使用壽命比市場要求的更長。全球各地的汽車、工業和具有高可靠要求的產業都是對其要求最嚴刻的客戶,同時與GaN Systems密切合作進行設計和驗證。多年的工程知識以及JEDEC和AEC-Q標準是AutoQual+方法的基礎,其中添加了專門的GaN技術知識、故障測試和新的測試方法,以確保沒有盲點或帶有偏見的判斷。

Witham說:「顯然地,我們與客戶一起完成的工作是設計增強的可靠性測試設置,確保GaN Systems的元件在最具挑戰的環境中展示產業領先的性能和壽命。」

1所示,GaN的可靠性與Si的可靠性處於同一量級。自2019年以來,超過半數的電動方程式賽車都採用了GaN功率元件,做到了極低的故障率(FIT)。「到了2022年,在動力傳動系統中使用GaN Systems的商用電動車生產已經開始。」

Selecting GaN or SiC devices with a Focus on Reliability

圖1:GaN、SiC和Si可靠性的比較。

Witham說:「我認為將來會有GaN,也會有SiC,並不是只能選一個。這實際上取決於客戶在其特定應用中如何評估這四個關鍵因素。」

性能

從性能角度來看,與SiC和矽相比,GaN提供了更好的開關性能。這是因為它的開關損耗非常低,並且可以減小許多元件的尺寸來提高開關頻率。另一方面,SiC在傳導損耗方面表現非常出色。

Witham說:「設計工程師必須問自己,我的任務設定(mission profile)是什麼,更重要的是開關損耗還是傳導損耗?答案在不同的應用和不同的客戶中是不同的。」

在汽車領域,選擇通常基於應用、車輛類別和“mission profile”,如表1中Witham所建議的。

Selecting GaN or SiC devices with a Focus on Reliability

表1:選擇GaN或SiC的應用需求矩陣。

DC/DC轉換器和車載充電器通常採用GaN,而牽引逆變器通常採用SiC (儘管當降低開關損耗變得重要時首選GaN)。主要在於GaN能為中低電壓需求提供更好的效果,然而SiC主要用於高於1.2kV的高壓應用。

Witham說:「在許多牽引逆變器的“mission profile”中,開關損耗非常重要。我們在世界各地的牽引逆變器中有多種基於GaN的設計,甚至適用於800V的電池系統。」

根據Witham的說法,SiC和GaN各有優劣。GaN有利於開關損耗,而SiC有利於傳導損耗。從性能的角度來看,選擇取決於客戶的應用。

成本

從成本的角度來看,正如Witham所指出的:「SiC在降低成本方面做得很好。但GaN從根本上來說是比SiC成本更低的結構,其成本正在接近矽。」

此外,他補充說,GaN本質上較為綠色環保,因為製造GaN電晶體所需的能量與製造SiC電晶體所需的能量相較要少得多(少10倍或20倍)。可持續性成本正成為成本等式中的一個重要變數。

根據Witham的說法,從產能的角度來看,SiC目前供應嚴重不足。他說:「一些晶片製造商無法向他們的客戶提供足夠的產品,他們之中有許多人已經計畫擴建或新建製造廠來解決這個短缺的問題。」

產能

Witham指出,SiC材料特性的不穩定,將無法滿足快速成長的市場需求,導致製造能力有限,成品率低。電動車和再生能源等高要求應用的開發可能因此受到限制。

「由於晶體生長速度緩慢,晶圓和元件的良率處於歷史低水位,製造SiC材料非常困難,這導致成本高和供應不足。相反地,GaN擁有強大的產能而且不會遇到短缺問題。」

如何有效比較GaN和SiC的可靠性?

隨著GaN和SiC技術的發展,這種寬能隙元件的可靠性不再受到質疑。許多公司都在其網站上提供了其產品可靠性的證據,包括沒有出現現場故障記錄的例子等。此外,資格標準已更新,為寬能隙元件的可靠性測試提供參考,例如,用於GaN的JEP173或JEP180,以及用於SiC的JEP184或JEP190,其涉及的失效過程有些不同,因為SiC和GaN主要分別用於橫向元件和橫向HEMT元件。GaN的「動態RdsON」和SiC的「閘極氧化層可靠性」是最常與可靠性聯繫在一起的術語。

據Jahnke表示,「動態RdsON影響的發生是由於緩衝層、電介質或介面電子的電荷擷取。這些電子降低2DEG密度並增加了RdsON。這種擷取是在元件開關時發生的,但電子在元件關閉時會恢復。早期GaN製造的一個主要問題是被擷取的電子會留在緩衝層中,導致RdsON不可逆地增加,進而隨著時間的推移降低元件性能。然而,這種影響在今天得到了更好的認識,並且可以在製造過程中加以抵消。」

她補充說:「SiC最可怕的可靠性損害因素是閘極氧化層可靠性,因為這裡的任何缺陷都可能直接導致致命的元件故障。基板缺陷、顆粒或製程變化可能導致局部氧化物變薄——縮短元件的使用壽命並導致早期的擊穿。為了掌握這一點,閘極氧化物形成製程是最關鍵的製造步驟之一,需要仔細最佳化元件的製程和設計。此外,還要實施元件篩選步驟(例如老化測試)以檢測早期故障,從而提高已交付元件的可靠性。」

根據X-Fab的說法,有更多的研究可以證明SiC和GaN元件的可靠性,同時,隨著幾個主要市場的信任度不斷提高,很明顯在可靠性方面並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用中更多的採用寬能隙元件,例如汽車和工業。

編譯:Ricardo Xie

(參考原文:Selecting GaN or SiC devices with a Focus on Reliabilityby Maurizio Di Paolo Emilio)

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