硅功率器件的可靠性通常遵循长期以来建立的标准，例如AEC-Q100/Q101和JESD47。器件通常在125°C或150°C条件下进行测试，在漏极或栅极上施加静态偏压1000小时，并且根据测试的器件数量以及这些测试期间的加速度曲线和应力激活能量，制定及时失效(FIT)率(等于10亿个器件运行时内的故障数)。
功率氮化镓(GaN)HEMT器件可靠性测试不像硅器件那样拥有数十年的客户经验。在GaN功率器件开发的早期，人们注意到硅器件鉴定过程并未涵盖GaN中的一些主要故障模式。因此，GaN行业共同组建了JEDEC委员会，即JC70，并制定了解决GaN特定需求的指南。德州仪器(TI)等领先的GaN制造商在这方面投入了大量资金。
在本文中，我们将重点介绍如何验证GaN的可靠性，并重点介绍TI的GaN产品的可靠性数据。
图1：用于功率GaN的可靠性测试标准和指南(来源：德州仪器)
如图1所示，GaN可靠性测试可分为元器件和电源级。元器件根据硅器件开发的标准，例如AEC-Q100，但还针对JEP-180、JEP-173和JEP-182 JEDEC指南中涵盖的GaN特定故障机制进行了额外测试。电源级测试侧重于真实情况和对GaN FET的影响，其中涉及运行特定应用的测试以确保偶发事件的鲁棒性，如浪涌和短路等。
让我们更详细地了解一些特定于GaN的测试。
图2：TDB机制和TI故障率数据(来源：德州仪器)
如图2所示，与硅MOSFET非常相似，时间相关的击穿(TDB)是由HEMT器件多个区域中的高电场引起的。TI基于特殊测试结构从超过180万个器件中收集了数据。由此建立了一个模型。已针对数据中心/服务器和电信任务特定使用情况计算了FIT费率。如图2中的表格所示，从这些TDB压力条件可以看出远低于1的出色FIT率。
电荷俘获是一种现象，其中半导体材料中的“俘获”导致电荷停止，导致FET导通时电阻瞬间增加。经过一小段时间(以纳秒为单位)后，缺陷充满，FET按预期运行。当FET关闭时，这些缺陷被释放。这种俘获的结果通常是器件的导通电阻(RDS(on))增加，因为带负电的缺陷会排斥沟道电子。这种增加称为动态RDS(on)退化，因为其中一些俘获是可逆的，并且还可能取决于器件的老化。电荷俘获可能发生在GaN HEMT器件中通道下方的缓冲层中、电介质中或器件层界面处。它可能发生在具有高漏极偏置的静态条件下或动态开关条件下。
图3：TI的GaN电荷俘获机制和动态RDS(on)测量(来源：德州仪器)
低占空比、硬开关测试可以为动态RDS(on)退化提供更高的灵敏度。如图3所示，TI使用JEP-182标准中列出的测试工具，来提供连续硬开关应力，基于最大功率条件、最大推荐漏极电压(VDS)和最坏情况下的结温。这些条件是根据JEP-180指南制定的。
图3显示了在0.5%的占空比下超过1000小时压力测试的数据。这表明器件老化时具有稳定的RDS(on)行为。LMG341x GaN产品在125°C时的500V VDS静态关断应力同样显示没有RDS(on)退化。TI GaN器件中这种稳定的RDS(on)行为源自多年来在关键工艺步骤(如外延生长)以及创建无缺陷电介质和界面方面的工艺流程改进。
在高压下通过电流产生的热载流子会导致电荷俘获(导致动态RDS(on)增加)并由于缺陷的产生而导致器件磨损。JEP-180指南允许根据相关应力条件确定开关寿命：使用开关加速寿命测试(SALT)。加速硬开关应力的进行，并为电压和电流加速的情况下导出2D开关矢量图。来自这些测试的数据随后可用于构建开关应力模型。然后，该模型可用于预测客户特定条件下的平均无故障时间(MTTF)。
JEP-180的一个关键部分是证明GaN器件在电源的严格工作条件下是可靠的指南。一些电源应力如图4所示，包括第三象限操作和密勒电容引起的瞬时击穿事件等条件。
图4：JEP-180的DHTOL指南验证了相关目标应用压力的可靠性(来源：德州仪器)
TI动态高温工作寿命(DHTOL)可靠性测试基于H桥电路，因为它允许在运行期间进行功率循环。在高功率和高温下，硬开关和软开关应力都会施加到器件上。在1000小时的应力周期内监测转换效率。来自LMG34xx部件的数据(如图5所示)在480V和125°C下显示效率在0.1%以内。
图5：LMG341xx部件的DHTOL测试电路和数据(来源：德州仪器)
电源线连接的应用中电压或电流浪涌很少见，但承受这些浪涌的要求对于电源来说至关重要。IEC61000-4-5规范提供了特定的浪涌测试规范。与硅器件不同，GaN HEMT器件不会发生雪崩。由于硅功率器件在额定电压和击穿电压之间的余量有限，因此雪崩鲁棒性被认为是衡量浪涌能力的指标。
TI在一篇技术文件中描述了LMG3410R070部件的浪涌鲁棒性。GaN卓越的瞬态过压能力使其能够在浪涌事件中切换而不会发生雪崩。规定了瞬态浪涌电压额定值(VDS(SURGE))，这是器件在工作期间可以承受的峰值总线电压。在此示例中，根据系统考虑因素和客户反馈，VDS(SURGE)指定为720V，远高于600V的工作电压最大规格。
如图6(a)所示，还规定了VDS(TR)振铃电压。在这种情况下，VDS(TR)为800V，在VDS(SURGE)额定值之上提供80V的余量。在图6(b)中，显示了为1kW负载供电时的器件浪涌曲线。在这种情况下，使用了50次浪涌冲击，没有出现效率损失，证明了浪涌的鲁棒性。
图6(a)：TI GaN器件的VDS(SURGE)和VDS(TR)数据表规范(来源：德州仪器)
图6(b)：LMG3410R70器件的浪涌波形显示在VIN(深蓝色)飙升至720V期间的开关(浅蓝色曲线)操作(来源：德州仪器)
此外，LMG341x部件具有内置短路保护功能。硅驱动器和保护电路与GaN HEMT的共同封装集成允许在100ns内实现快速保护和关断，如图7所示。
图7：显示快速关断响应的LMG341x部件的短路保护(来源：德州仪器)
“在TI，我们认真对待GaN可靠性的各个方面。”TI杰出的技术人员Sandeep Bahl说，“TI利用其数十年的硅技术发展，同时认识到GaN带来的新机遇，以不同的方式思考如何提供鲁棒可靠的电源解决方案。TI GaN器件在器件层面和实际应用中都非常可靠。它们已通过硅资格标准和GaN行业指南。特别是，TI GaN产品通过了JEP-180，证明了它们在电源使用方面是可靠的。”
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Power GaN Device Reliability for Widespread Power-Conversion Application Usage，由Ricardo Xie编译。)
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