【技术】新型eGaN FET的失效物理和可靠性分析

2018-04-13 EPC

EPC新推出增强型功率晶体管EPC2016C,采用独特的氮化镓技术(eGaN),具有高电子迁移率和低温度系数的优点。本文介绍栅极电压偏置相关的失效物理技术,以EPC2016C为例研究在高栅极应力条件下的可靠性表现。


一、eGaN FET基本结构

EPC2016C采用横向器件架构,基本结构如图1所示,栅极(G)、源极(S)和漏极(D)分布与典型的场效应晶体管一致。在硅晶片之上是氮化镓异质结,作为一款增强型FET,在无偏置电压时元件处于截止状态。GaN高电阻层之上的AlGaN薄层构成导电沟道,在AlGaN和GaN交界面处产生压电效应,从而形成高迁移率的二维电子气(2DEG)。栅极在2DEG区域形成耗尽层,在截止状态时阻断导电沟道。此外,保护电介质和金属布线构成了元件的顶层部分。


在栅极上施加一个正向电压,FET就会处于导通状态,类似于硅n沟道增强型功率FET操作原理。功率FET是通过并联多个这些基本单元结构而形成的。

图1 eGaN FET基本结构

图2为EPC2016C的传输特性曲线,漏极电流可以表示成导通阈值电压和跨导的函数。图3为RDS(on)-VGS曲线图,表明在栅极电压4V附近时为完全的增强型导电沟道,并且该点之后导通电阻的变化也趋于平缓。

                           图2 EPC2016C传输特性曲线         图3 EPC2016C RDS(on)-VGS曲线图

二、栅极电压应力可靠性

高温栅极偏置电压(HTGB)应力测试为工业化的标准,用于评价FET栅极结构的可靠性。HTGB测试将源极和漏极连接至0V,在栅极侧施加电压,同时环境温度设置为最大额定结温TJ。如图4所示,高栅极电压应力会导致三种主要的失效模式:

1.介电层失效

栅极周围保护电介质的高强度电场会引起介电层击穿,该失效模式类似于MOSFET的氧化物击穿机制。

2.栅极侧壁破裂

侧壁破裂为雪崩击穿机制,发生在栅极金属附近的垂直边缘,该失效模式可以采用表面钝化和静电设计进行控制。

3、栅极偏置引起的漏极电流

由于局部电荷迁移和eGaN栅极陷阱效应,在高栅极电压下会增大截止状态的漏极电流。

图4 eGaN FET主要失效模式

通过6V~7V栅极电压矩阵测试研究电压和HTGB失效加速的依赖关系,同时保持恒定温度150℃。栅极测试电压限制在7V,确保不会发生额外的失效模式,例如侧壁介电破裂。测试了三个栅极电压支路,每条支路由32个EPC2016C组成(VDS(max)=100V,VGS(max)=6V)。采用增量式的读取点:24h、100h、200h,测量结果包括数据手册的直流参数。现场测量失效时间采用间隔2min的周期性参数监测,失效标准为截止状态漏极电流或栅漏电流超过数据手册的限制要求。


测试结果采用Weibull分布拟合,从而预测出该元件的平均失效时间(MTTF)和失效率(FIT)。如图5所示,误差线表示Weibull参数90%置信区间产生的不确定性,绿线表示最佳拟合的指数加速函数。

图5 HTGB电压加速应力测试结果

三、栅极应力测试结果

表1为栅极应力测试的综合统计汇总,包括1000小时和2000小时的长期测试,以及早期寿命失效率(ELFR)的评估(大量样品中寻找48小时后的失效元件)。

表1 HTGB统计数据汇总

四、现场可靠性

现场运行时基本的物理失效对于预测元件可靠性和寿命是非常重要的,表2给出了现场失效的分类汇总,漏源极过电压会导致设备老化失效,由于载流子电荷俘获导致RDS(on)偏移。测试结果表明,在数据手册推荐参数范围内,EPC2016C可以实现多年的可靠运行。总数超过300亿现场设备小时数的无栅极失效,相当于超低的预估失效率0.03 FIT(置信区间为60%)。

表2 现场失效—失效类型和数量

本文由学徒超超翻译自EPC,如若转载请注明出处。

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