Wide-Bandgap-Halbleiter GaN-on-Si ist zuverlässig

Auf Galliumnitrid basierende Leistungshalbleiter befinden sich immer noch in der Einführungsphase, sodass Fragen hinsichtlich der Zuverlässigkeit dieser Bausteine bestehen. Waren bekannt gewordene Ausfälle aber material- oder konstruktionsbedingt? Langzeittests geben nun die Antwort.

Bis vor kurzem waren noch keine Ergebnisse bezüglich der Langzeitstabilität von GaN-Bausteinen mit 600 V Sperrspannung verfügbar. Das Vertrauen der Kunden basierte auf der Leistungsfähigkeit der ersten Muster, gefolgt von Betamustern, welche die meisten Qualifikationstests bestanden hatten, und schlussendlich von JEDEC-qualifizierten Mustern, wie die des Herstellers Transphorm.

Um die Fragen bezüglich der Zuverlässigkeit von Galliumnitrid beantworten zu können, hat Transphorm Stichproben von 600-V-Bausteinen genommen, die den üblichen 1000-Stunden-Belastungstest bestanden hatten, und diese einem erweiterten Langzeitbelastungstest unterzogen. Dieser Artikel beschreibt die Ergebnisse, die über die ersten tausend Stunden der Belastungstests hinaus erzielt wurden. Zudem bietet er einen Einblick in die Qualität und die Zuverlässigkeit der Hochspannungs-GaN-Leistungshalbleiter der ersten Generation.

Bevor man mit aussagekräftigen Tests bezüglich der erweiterten Lebensdauer beginnen konnte, war zunächst ein stabiler Referenzprozess zu entwickeln. Dieser besteht aus einer Reihe von Tests (beispielsweise die von der JEDEC festgelegten Testverfahren), mit denen bestimmt wird, ob sich bestimmte Siliziumbausteine für den Einsatz in kommerziellen Anwendungen eignen. Die Ziele dieser Tests sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Bezeichnung des Tests Zweck des Tests 
High Temperature Reverse Bias (HTRB): 480 V bei +150 °C für 1000 h elektrisches Feld / thermische Spannungen 
Highly Accelerated Stress Test (HAST): 85% r. Luftf., 33 psi, +130 °C, 100 V, 96 hKorrosion
Temperaturwechsel: -55 °C bis +150 °C, 1000 ZyklenFehlanpassung des Temperaturkoeffizienten
Power Cycling: +25 °C bis +150 °C, 5000 ZyklenWire-Bonding und Anschlüsse
Lagerung bei hohen Temperaturen: +150 °C, 1000 h intermetallische Stabilität 
Tabelle 1: JEDEC-Qualifikationstests und deren Ziele

Bild 1 zeigt die traditionelle »Badewannenkurve« zur Beschreibung der Ausfallrate über die Zeit. In der frühen Entwicklungsphase der Produktfamilie »EZ-GaN« von Transphorm zeigte sich eine hohe Ausfallrate, die auf Probleme sowohl hinsichtlich des Designs als auch der Herstellung hinwies. Bis zum Jahr 2010 ließen sich diese Probleme so weit verringern, dass das formale Qualifikationsverfahren beginnen konnte.

Schwachpunkte beseitigt

Frühe Testergebnisse zeigten, dass die gehäusebezogenen Tests ähnliche Ergebnisses wie für die vorhandenen Siliziumtypen aufwiesen, und es wurde deutlich, dass der HTRB-Test (High-Temperature Reverse Bias) der am schwersten zu bestehende Test sein würde. Dies war zu erwarten, da das Hauptproblem bei den GaN-Bausteinen das sogenannte »Trapping« war – was zuvor von mehreren Gruppen berichtet wurde, die versucht hatten, derartige Bausteine zu entwickeln [1]. Ein erstes Anzeichen für Trapping war der sogenannte »Current Collaps« und das Ansteigen des dynamischen Einschaltwiderstands RDS(on). Dieses Problem konnte Transphorm im Jahr 2009 lösen.

Wie sich während der Entwicklung der EZ-GaN-Produktfamilie herausstellte, identifizierten die zuvor genannten Tests die Schwachpunkte äußerst effektiv. Durch Änderung des Bausteindesigns ließen sich die jeweiligen Fehlerbilder beseitigen. Im Jahr 2012 bestanden Transphorms GaN-auf-Siliziumkarbid-Produkte (GaN-on-SiC) diese grundlegenden Tests erfolgreich, worauf ein Jahr später die Qualifikation der GaN-on Si-Produkte mit 600 V Sperrspannung erfolgreich beendet wurde.

Das Extended-Life-Testprogramm begann mit Tests mit erhöhter elektrischer Feldstärke bei verschiedenen Spannungen, um zu bestimmen, wie sich die hohe elektrische Feldstärke auf das Bauteil auswirkt. Eine vorhergesagte Auswirkung war die höhere Aktivierungsenergie für GaN (Bild 2); so steigt die Lebensdauer bei ähnlichen Betriebstemperaturen, da Galliumnitrid bei diesen Temperaturen eine größere Marge aufweist. Der Spannungstest wurde ausgewählt, weil die Spannung ein kritischerer Parameter als die Temperatur ist und weil sich der Langzeittest mit erhöhter Feldstärke während der Entwicklungsphase der 600-V-Bausteine als der am schwersten zu bestehende Test erwiesen hatte. Dieser Test ist derzeit noch im Gange, wobei Ausfälle bei 1150 V und 1100 V erzeugt wurden, während der Test bei 1050 V noch andauert.

Diese vorläufigen Testergebnisse können dazu verwendet werden, eine erwartete Lebensdauer vorherzusagen, allerdings wird ein dritter Datenpunkt benötigt, um die vorhergesagte Lebensdauer und die Validität des Tests zu bestätigen. Tests bei noch höheren Spannungen waren nicht möglich, da diese zusätzliche Fehlerbilder mit sich bringen würden, die beim vorgesehenen Betrieb der Bausteine mit 600 V nicht auftreten würden.