由于其固有的特性，宽禁带半导体(WBG)在许多功率应用中正逐步取代传统的硅基器件。碳化硅(SiC)功率MOSFET的击穿电压高于1kV，这是电动汽车逆变器等功率应用的关键要求。另一方面，氮化镓(GaN)支持比其他半导体高得多的开关频率，并提供更高的功率密度，从而可以在实现相同电气性能的情况下减小整体系统的尺寸。这两种WBG半导体都提供了以前无法达到的效率水平，从而能够构建具有出色热管理的紧凑、轻便的电源解决方案。
在最具挑战性的电源应用中使用WBG半导体离不开对器件可靠性的仔细评估。例如，汽车市场需要体积小、重量轻的解决方案用于电动汽车。
本文借鉴了GaN Systems的CEO Jim Witham和X-Fab SiC和GaN产品营销经理Agnes Jahnke的贡献，比较并提出了影响SiC和GaN器件选择的主要因素。
在新项目中选择使用GaN还是SiC器件主要取决于四个关键因素：可靠性、性能、成本和产能。
在半导体行业，可靠性问题并不新鲜，但随着汽车中复杂半导体含量的不断增加以及芯片越来越多地用于数据中心等关键任务应用，可靠性问题受到了更多关注。功率器件测试不局限于组件数据表中的参数，因为制造商通常会运行各种加速测试，包括老化测试。一旦确定加速应力下的寿命，已知的加速模型就可以用来预测正常应用应力下的产品寿命。
对于SiC来说，主要问题之一是栅极氧化物完整性(GOI)。最新一代SiC器件中的栅极氧化层越来越薄，进而增强了电场。由于所谓的与时间相关的电介质击穿(TDDB)现象，栅极氧化层可能最终劣化。经过一些磨损后，栅极氧化层退化，导致TDDB。
根据Witham的说法，SiC衬底在外延生长过程中也容易出现缺陷。尽管在成本、可用性和基板质量方面仍然存在问题，但晶圆的缺陷率和外延性正在改善。SiC是地球上第三硬的复合材料，其极高的硬度和脆性给制造商带来了周期时间、成本和切割性能方面的挑战。尽管存在这些挑战，同时人们一直对SiC基本可靠性普遍持怀疑态度，但SiC已经取得了基本的可靠性水准。
具有更严格要求的市场，例如汽车行业，要求故障率在十亿分之一(PPB)范围内。为实现这一效果，需要成功通过大量的栅极氧化层和阈值电压稳定性(VTH随偏置电压的变化)测试。
功率晶体管的两个最重要的测试标准是JEDEC(联合电子设备工程委员会)和AEC(汽车电子委员会)-Q101，同时当前使用的GaN晶体管指南和标准，是以硅晶体管为基础开发的。然而，GaN在材料结构和构造方面不同于硅，这带来了挑战，全面的验证应该如何使用以及使用哪些测试标准十分必要。
GaN Systems设计了一种增强的资格测试方法，名为AutoQual+，是为了弥补现有测试中的空白，并证明其晶体管的使用寿命比市场要求的更长。世界各地的汽车、工业和高可靠性行业是对其这些要求最苛刻的客户，同时与GaN Systems密切合作从而设计和验证了它们。多年的工程知识以及JEDEC和AEC-Q标准是AutoQual+方法的基础，其中添加了专门的GaN技术知识、故障测试和新的测试方法，以确保没有盲点或有偏见的判断。
“很明显，我们与客户一起完成的工作是设计增强的可靠性测试设置，确保GaN Systems的元器件在最具挑战性的环境中展示行业领先的性能和寿命”Witham说。
如图1所示，GaN的可靠性与Si的可靠性处于同一量级。自2019年以来，超过半数的电动方程式赛车都采用了GaN功率器件，做到了极低的故障率(FIT)。“到了2022年，在动力总成中使用GaN Systems的商用电动汽车生产已经开始。”Witham评论道。
图1：GaN、SiC和Si可靠性的比较
“我认为将来会有GaN，也会有SiC，并不是只能选一个。这实际上取决于客户在其特定应用中如何评估这四个关键因素。”Witham说。
从性能角度来看，与SiC和硅相比，GaN提供了更好的开关性能。这是因为它的开关损耗非常低，并且可以通过减小许多组件的尺寸来提高开关频率。另一方面，SiC在传导损耗方面表现非常出色。
“设计工程师必须问自己，我的任务剖面是什么，对我来说更重要的是开关损耗还是传导损耗？答案在不同的应用和不同的客户中是不同的。”Witham说。
在汽车领域，选择通常基于应用、车辆类别和“任务剖面”，如表1中Witham所建议的。
表1：选择GaN或SiC的应用需求矩阵
DC/DC转换器和车载充电器通常采用GaN，而牵引逆变器通常采用SiC(尽管当降低开关损耗变得重要时首选GaN)。主要是，对于中低电压需求GaN能提供更好的效果，然而SiC主要用于高于1.2kV的高压应用。
“在许多牵引逆变器任务剖面中，开关损耗非常重要。我们在世界各地的牵引逆变器中有多种GaN基的设计，甚至适用于800V的电池系统。”Witham说。
根据Witham的说法，SiC和GaN各有优劣。GaN有利于开关损耗，而SiC有利于传导损耗。从性能的角度来看，选择取决于客户的应用。
从成本的角度来看，正如Witham指出的那样：“SiC在降低成本方面做得很好。但GaN从根本上说是比SiC成本更低的结构，其成本正在接近硅。”
此外，他补充说，GaN本质上是绿色环保的，因为制造GaN晶体管所需的能量与制造SiC晶体管所需的能量相比要少得多(少10倍或20倍)。可持续性成本正在成为成本方程式中的一个重要变量。
根据Witham的说法，从产能的角度来看，SiC目前供应严重不足。“一些芯片制造商无法向他们的客户提供足够的产品，他们中的许多人已经计划扩建或新建制造工厂来解决这个短缺的问题。”Witham说。
Witham指出，SiC材料特性的不稳定，将无法满足快速增长的市场需求，导致制造能力有限，成品率低。电动汽车和可再生能源等高要求应用的开发可能因此受到限制。
“由于晶体生长速度缓慢，晶圆和组件的良品率处于历史低位，制造SiC材料非常困难，这导致成本高和供应不足。相反，GaN拥有强大的产能并且不会遇到短缺问题。”Witham说。
随着GaN和SiC技术的发展，这种宽禁带器件的可靠性不再受到质疑。在他们的网站上，许多公司提供了他们产品可靠性的证据，包括没有出现现场故障记录的例子。此外，资格标准已更新，为宽禁带器件可靠性测试提供参考，例如，用于GaN的JEP173或JEP180，以及用于SiC的JEP184或JEP190。它们涉及的失效过程有些不同，因为SiC和GaN主要分别用于横向器件和横向HEMT器件。GaN的“动态RdsON”和SiC的“栅极氧化层可靠性”是最常与可靠性联系在一起的术语。
“动态RdsON影响的发生是由于缓冲层、电介质或接口电子的电荷俘获。这些电子降低2DEG密度并增加了RdsON。这种捕获是在器件开关时发生的，但电子在器件关闭时会恢复。早期GaN制造的一个主要问题是被捕获的电子会留在缓冲层中，导致RdsON不可逆地增加，进而随着时间的推移降低器件性能。然而，这种影响在今天得到了更好的认识，并且可以在制造过程中得到抵消。”Jahnke说。
她补充说：“SiC最可怕的可靠性损害因素是栅极氧化层可靠性，因为这里的任何缺陷都可能直接导致致命的元器件故障。基板缺陷、颗粒或工艺变化可能导致局部氧化物变薄——缩短元器件的使用寿命并导致早期的击穿。为了掌握这一点，栅极氧化物形成工艺是最关键的制造步骤之一，需要仔细优化器件的工艺和设计。此外，还要实施器件筛选步骤(例如老化测试)以检测早期故障，从而提高已交付器件的可靠性。”
根据X-Fab的说法，有更多的研究可以证明SiC和GaN器件的可靠性，并且随着几个主要市场的信任度不断提高，很明显在可靠性方面不存在根本性的阻碍。因此，他们将看到在需要高可靠性的应用中更多的采用宽禁带元器件，例如汽车和工业。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Selecting GaN or SiC devices with a Focus on Reliability，由Ricardo Xie编译)
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