由于其固有的特性，寬禁帶半導體(WBG)在許多功率應用中正逐步取代傳統的硅基器件。碳化硅(SiC)功率MOSFET的擊穿電壓高于1kV，這是電動汽車逆變器等功率應用的關鍵要求。另一方面，氮化鎵(GaN)支持比其他半導體高得多的開關頻率，并提供更高的功率密度，從而可以在實現相同電氣性能的情況下減小整體系統的尺寸。這兩種WBG半導體都提供了以前無法達到的效率水平，從而能夠構建具有出色熱管理的緊湊、輕便的電源解決方案。

在最具挑戰性的電源應用中使用WBG半導體離不開對器件可靠性的仔細評估。例如，汽車市場需要體積小、重量輕的解決方案用于電動汽車。

本文借鑒了GaN Systems的CEO Jim Witham和X-Fab SiC和GaN產品營銷經理Agnes Jahnke的貢獻，比較并提出了影響SiC和GaN器件選擇的主要因素。

在新項目中選擇使用GaN還是SiC器件主要取決于四個關鍵因素：可靠性、性能、成本和產能。

可靠性

在半導體行業，可靠性問題并不新鮮，但隨著汽車中復雜半導體含量的不斷增加以及芯片越來越多地用于數據中心等關鍵任務應用，可靠性問題受到了更多關注。功率器件測試不局限于組件數據表中的參數，因為制造商通常會運行各種加速測試，包括老化測試。一旦確定加速應力下的壽命，已知的加速模型就可以用來預測正常應用應力下的產品壽命。

對于SiC來說，主要問題之一是柵極氧化物完整性(GOI)。最新一代SiC器件中的柵極氧化層越來越薄，進而增強了電場。由于所謂的與時間相關的電介質擊穿(TDDB)現象，柵極氧化層可能最終劣化。經過一些磨損后，柵極氧化層退化，導致TDDB。

根據Witham的說法，SiC襯底在外延生長過程中也容易出現缺陷。盡管在成本、可用性和基板質量方面仍然存在問題，但晶圓的缺陷率和外延性正在改善。SiC是地球上第三硬的復合材料，其極高的硬度和脆性給制造商帶來了周期時間、成本和切割性能方面的挑戰。盡管存在這些挑戰，同時人們一直對SiC基本可靠性普遍持懷疑態度，但SiC已經取得了基本的可靠性水準。

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

功率晶體管的兩個最重要的測試標準是JEDEC(聯合電子設備工程委員會)和AEC(汽車電子委員會)-Q101，同時當前使用的GaN晶體管指南和標準，是以硅晶體管為基礎開發的。然而，GaN在材料結構和構造方面不同于硅，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十分必要。

GaN Systems設計了一種增強的資格測試方法，名為AutoQual+，是為了彌補現有測試中的空白，并證明其晶體管的使用壽命比市場要求的更長。世界各地的汽車、工業和高可靠性行業是對其這些要求最苛刻的客戶，同時與GaN Systems密切合作從而設計和驗證了它們。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，以確保沒有盲點或有偏見的判斷。

“很明顯，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的元器件在最具挑戰性的環境中展示行業領先的性能和壽命”Witham說。

如圖1所示，GaN的可靠性與Si的可靠性處于同一量級。自2019年以來，超過半數的電動方程式賽車都采用了GaN功率器件，做到了極低的故障率(FIT)。“到了2022年，在動力總成中使用GaN Systems的商用電動汽車生產已經開始。”Witham評論道。

圖1：GaN、SiC和Si可靠性的比較

“我認為將來會有GaN，也會有SiC，并不是只能選一個。這實際上取決于客戶在其特定應用中如何評估這四個關鍵因素。”Witham說。

性能

從性能角度來看，與SiC和硅相比，GaN提供了更好的開關性能。這是因為它的開關損耗非常低，并且可以通過減小許多組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。

“設計工程師必須問自己，我的任務剖面是什么，對我來說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。”Witham說。

在汽車領域，選擇通常基于應用、車輛類別和“任務剖面”，如表1中Witham所建議的。

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采用GaN，而牽引逆變器通常采用SiC(盡管當降低開關損耗變得重要時首選GaN)。主要是，對于中低電壓需求GaN能提供更好的效果，然而SiC主要用于高于1.2kV的高壓應用。

“在許多牽引逆變器任務剖面中，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GaN基的設計，甚至適用于800V的電池系統。”Witham說。

根據Witham的說法，SiC和GaN各有優劣。GaN有利于開關損耗，而SiC有利于傳導損耗。從性能的角度來看，選擇取決于客戶的應用。

成本

從成本的角度來看，正如Witham指出的那樣：“SiC在降低成本方面做得很好。但GaN從根本上說是比SiC成本更低的結構，其成本正在接近硅。”

此外，他補充說，GaN本質上是綠色環保的，因為制造GaN晶體管所需的能量與制造SiC晶體管所需的能量相比要少得多(少10倍或20倍)。可持續性成本正在成為成本方程式中的一個重要變量。

根據Witham的說法，從產能的角度來看，SiC目前供應嚴重不足。“一些芯片制造商無法向他們的客戶提供足夠的產品，他們中的許多人已經計劃擴建或新建制造工廠來解決這個短缺的問題。”Witham說。

產能

Witham指出，SiC材料特性的不穩定，將無法滿足快速增長的市場需求，導致制造能力有限，成品率低。電動汽車和可再生能源等高要求應用的開發可能因此受到限制。

“由于晶體生長速度緩慢，晶圓和組件的良品率處于歷史低位，制造SiC材料非常困難，這導致成本高和供應不足。相反，GaN擁有強大的產能并且不會遇到短缺問題。”Witham說。

如何最好的比較GaN和SiC的可靠性？X-FAB的觀點

隨著GaN和SiC技術的發展，這種寬禁帶器件的可靠性不再受到質疑。在他們的網站上，許多公司提供了他們產品可靠性的證據，包括沒有出現現場故障記錄的例子。此外，資格標準已更新，為寬禁帶器件可靠性測試提供參考，例如，用于GaN的JEP173或JEP180，以及用于SiC的JEP184或JEP190。它們涉及的失效過程有些不同，因為SiC和GaN主要分別用于橫向器件和橫向HEMT器件。GaN的“動態RdsON”和SiC的“柵極氧化層可靠性”是最常與可靠性聯系在一起的術語。

“動態RdsON影響的發生是由于緩沖層、電介質或接口電子的電荷俘獲。這些電子降低2DEG密度并增加了RdsON。這種捕獲是在器件開關時發生的，但電子在器件關閉時會恢復。早期GaN制造的一個主要問題是被捕獲的電子會留在緩沖層中，導致RdsON不可逆地增加，進而隨著時間的推移降低器件性能。然而，這種影響在今天得到了更好的認識，并且可以在制造過程中得到抵消。”Jahnke說。

她補充說：“SiC最可怕的可靠性損害因素是柵極氧化層可靠性，因為這里的任何缺陷都可能直接導致致命的元器件故障。基板缺陷、顆粒或工藝變化可能導致局部氧化物變薄——縮短元器件的使用壽命并導致早期的擊穿。為了掌握這一點，柵極氧化物形成工藝是最關鍵的制造步驟之一，需要仔細優化器件的工藝和設計。此外，還要實施器件篩選步驟(例如老化測試)以檢測早期故障，從而提高已交付器件的可靠性。”

根據X-Fab的說法，有更多的研究可以證明SiC和GaN器件的可靠性，并且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采用寬禁帶元器件，例如汽車和工業。

審核編輯：郭婷