确定GaN产品可靠性的综合方法

然而，除了静态测试，还有一个动态测试。它被非常宽泛地定义为"有可能在一个动态工作模式下运行的器件"［3］。由厂商对测试进行定义。由于很难指定一个与大范围不断发展的应用和技术相对应的测试，所以缺少指定测试。指定测试也许不能与实际使用环境适当关联，并且有可能产生错误故障，或者无法加快有效故障机制 ［7］。

　　对于硅FET来说，已经在很多年的实际使用过程中建立起来质量鉴定方法体系的可信度。与GaN等全新技术不同的是，器件厂商负责确定它们的动态测试可以预测实际使用的运行情况。因此，需要开发出应用相关的应力测试，可以在实际使用条件下验证可靠性。

　　最后，需要注意的一点是，GaN无法耐受雪崩能量。也就是说，器件将在被击穿时损坏。这是一个需要解决的问题，特别是对于功率因数校正 （PFC） 电路等高压应用来说更是如此；在这些应用中，器件会受到有可能出现的过压事件的影响，比如说电力线路上的闪电尖峰放电。

　　标准质量鉴定方法体系的适用性

　　JEDEC和AEC标准均基于健全完善的基本原理，不过技术上比较落后。虽然通过硅产品质量鉴定是一件有价值的、里程碑式的重大事件，但是用户需要一个能够在实际使用条件下，在所需的使用寿命内，比如说10年，以低故障率持续运行的产品。因此，推出FRAM、成比例CMOS、GaN等新技术的公司需要了解这些标准的基本原理。在JEDEC质量鉴定方法体系中，主要的促进要素是温度。根据方程式eq.（1） 计算出加速因子 （AF），在这里EA是激活能量，而k是玻尔兹曼常数。

　　如果在应力温度Tj = 125°C、使用温度Tj = 55°C，并且激励能量大约为0.7eV的情况下使用eq （1），得出的加速因子将为78.6。这也是Tj = 125°C情况下1000h应力大致相当于Tj = 55°C情况下使用10年的原因。在已经发表的文献中，GaN 的激励能量 ［8］ 在1.05到2.5eV之间变化。这些宽范围的值表现出世界上不同实验室和公司内器件、工艺和材料间的差异。这个范围能够提供大幅变化的加速因子，比如EA = 1.05eV下的687到EA = 2.5eV下5百万以上的值。因此，有必要确定与工艺和最终产品的器件架构有关的激励能量。

　　将实际运行中的结温考虑在内也很重要。由于其所具有的宽带隙，相对于硅材料，GaN能够在更高的温度环境中运行。这一点对于电力电子产品很重要。表1是125°C应力温度下的1000h硅技术规格与其它几种情况下的比较。从表1中可以看出，如果需要105°C的结工作温度，假定激活能量为0.7eV，非加速时间从9年减少为0.3年。通过将应力温度增加到150°C（这是一个针对标准封装的实际限值），有可能将这个时间增加到1.1年。在这个情况下，应力测试并不符合现场等效使用寿命，或者解算出大约50 FIT的最大FIT率条件。然而，它的确是一项可靠且高质量的里程碑式的测试方法。

　　代表10年使用时间的1000h应力测试需要一个值为87.6的加速因子，并且在1.37的激励能量下实现。诸如参考文献 ［8］ 中1.05eV的更低激励能量将需要2.84倍的电压加速，或者大约延长6到17周的持续时间。过多的电压加速会导致不具代表性的故障模式，而持续时间扩展延长了新产品的开发时间。根据故障模式和封装内可提供的加速的不同，也许无法实现能够表示所需现场等效使用寿命的质量鉴定测试。使用寿命要求由晶圆级可靠性测试提供保证，并且由已封装部件的扩展持续时间应力测试进行验证。

　　表1：不同应力参数对可靠性和质量推测数据的影响

　　根据GaN的特定故障模式来设定故障标准很重要。一个特别的故障就是动态Rds导通电阻增加，也被称为电流崩塌。这一故障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，并且不会在器件接通时立即耗散。

　　被陷获的负电荷排斥来自通道层的电子，而Rds导通电阻会由于通道层内的电子数量的减少而增加（图1）。随后，Rds导通电阻随着被陷获电荷的耗散而恢复。这一影响降低了效率，并且会使得器件自发热量过多，并且会过早地出现故障。

　　图1：一个GaN器件的电路横截面显示被陷获的电子如何通过减少通道层中的电子数量来增加Rds导通电阻。

　　此外，陷获密度会随着器件老化而增加，从而使得动态Rds导通电阻的影响更加严重。我们有专门的硬件来监视应力测试过程中的动态Rds导通电阻，这使得我们能够确保发布的产品没有这方面的问题。

　　应用相关测试

虽然DC测试方法在对大量部件进行测试时相对简单，它们也许不能预测GaN是否在实际应用中具有10年的使用寿命。硬开关应力不同于DC应力。硬开关功率转