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

Testergebnisse

Parallel zu den Tests zur Bestimmung der Aktivierungsenergie für die 600-V-HEMT-Bausteine (High Electron Mobility Transistor) wurde mit den HTRB-Tests fortgefahren, bis entweder die Hälfte der Bausteine ausgefallen waren oder die Testdauer 10 000 Stunden erreicht hatte und die Nutzungsdauer bei erhöhten Temperaturen (High Temperature Operating Life, HTOL) ebenfalls für einen längeren Zeitraum überschritten war. Im März 2014 lagen für die weiter andauernden HTRB-, HTOL- sowie die Tests mit stark erhöhter Spannung und Temperatur die folgenden Ergebnisse vor: 

  • Der HTRB-Test dauert nun seit 8000 Stunden an und zeigt bisher ungefähr 2% Ausfälle an (Bild 3). 
  • Der HTOL-Test läuft inzwischen seit 3000 Stunden bei +175 °C und zeigt keine messbare Verschlechterung bei Leckströmen oder Einschaltwiderstand. 

Diese Ergebnisse sind äußerst signifikant, da derart hohe Stabilitäten selbst für gealterte Siliziumbausteine bemerkenswert sind. Sie zeigen zudem, dass die Entwurfsmetriken für die ersten Bausteine konservativ genug waren, um sämtliche Schwachstellen der neuen Bausteintechnologie überwinden zu können, und dass die Leistung jetzt dem ursprünglichen Ziel des Entwurfsteams entspricht.

Laufende Arbeiten

Die Ergebnisse der Spannungserhöhungstests eignen sich, um die der Lebensdauer der Produktfamilie vorherzusagen. Unter Verwendung des Modells des inversen Potenzgesetzes beträgt die vorhergesagte Lebensdauer über 100 000 000 Stunden (Bild 4). Dieses Ergebnis, das mit der vorhergesagten Lebensdauer der GaN-HEMTs für HF-Anwendungen konsistent ist, ist zudem eine gute Bestätigung dafür, dass die Belastungen der 600-V-GaN-Bausteine wie geplant überstanden werden und sich die Pufferschicht wie vorgesehen verhält.

Die über die JEDEC-Qualifikationsstandards hinausgehenden erweiterten Lebensdauertests haben zu einem verbesserten generellen Verständnis hinsichtlich der Zuverlässigkeit von GaN-Leistungshalbleitern geführt. Aus den in diesem Artikel beschriebenen Tests werden bei zunehmender Kundenakzeptanz weiterhin Daten gewonnen.

Zudem laufen zusätzliche Tests bei verschiedenen Temperaturen zur Bestimmung des Beschleunigungsfaktors, darunter Tests oberhalb von +300 °C, um die Lebensdauer in Abhängigkeit von der Temperaturerhöhung vorhersagen zu können. Diese Tests eignen sich dazu, die empfohlene Betriebstemperatur für die GaN-Bausteine festzulegen, da sich dieses Material bekanntermaßen besser für hohe Temperaturen eignet als Silizium. Bei dieser Art von Anwendungen stellt jedoch das Gehäuse das wichtigste Problem dar, das es zu überwinden gilt. Darüber hinaus laufen weitere Tests bei hohen Strömen und verschiedenen Temperaturen. Damit lässt sich feststellen, ab welchem Punkt die Elektromigration zu einem Problem wird.

Über die Autoren:

Carl Blake ist Senior Advisor Marketing, Dr. Kurt V. Smith ist Reliability Manager und Dr. Yifeng Wu ist Senior VP Engineering, alle bei Transphorm.