寬能隙元件(WBG)直到最近幾年才開始被廣泛運用在電源領域，尚無法確知其長期效能表現。這個問題成為許多應用開發者導入時的障礙。為精準預測這類元件的長期表現，我們需要新的生命週期模型。
氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)元件具有獨特屬性，因此日漸成為電力電子應用中矽的替代品。SiC 元件的吸引力在於可提供單極元件的概念，並具有高電壓的低切換損耗；而 GaN 元件則可在更高的頻率進行切換。雖然這些屬性有助於更小、更具能源效率的設計，但這類產品直到最近才開始量產，尚無法確知其現場長期效能。雖然矽元件的生命週期模型發展已相當完善，一定程度上可以做為預測的參考，然而寬能隙元件的物理結構不同，因此必須採用新的元件生命週期模型方法。
在這篇文章中，我們調查了SiC和GaN元件有哪些特性與行為可能影響可靠性，也會說明英飛凌(Infineon)發展出哪些流程和測試程序，協助預測寬能隙元件的長期行為，以確保整個產品生命週期內的現場可靠性。
SiC元件特性與故障分析
要分析SiC元件的故障原因，得先從SiC元件的組成結構，以及不同環節最容易出現的故障著手。
閘極氧化物
SiC MOSFET 的外在瑕疵密度較高，若沒有實施額外措施，故障機率比矽元件高出四倍。閘極氧化物的外在瑕疵可透過局部薄化效應來建模，這種效應在特定閘極偏壓下會導致電場較高，而使氧化物更快崩潰(圖1)。
英飛凌已開發出創新篩檢技術，可在測試期間識別及移除可能較弱的SiC元件。其中，所有零件都會受到特別設計的應力脈衝模式影響，因此具重大外在瑕疵的零件會故障，而非瑕疵元件可正常運作。
偏壓溫度不穩定性也會影響可靠性，因為閘極氧化物周遭的高電場會造成元件閾值電壓與導通電阻漂移，並可能發生熱散逸。雖然大家都知道靜態電壓會造成溫度不穩定，但瞬變元件切換也會讓SiC元件中的閾值電壓漂移，而漂移量取決於啟動偏壓和切換頻率而定。即便如此，只要確保元件總是在安全工作區(SOA)中，即可緩解這些問題。英飛凌近日已導入經技術調整的閘極氧化物製程，可大幅避免動態漂移對閾值電壓不穩定性的影響。
本體二極體
當因基板材質而起的瑕疵滲入主動層(epi層、漂移區)時，可能會造成SiC MOSFET的本體二極體發生雙極退化。如此一來，漂移區的堆疊缺陷可能會增長，導致元件有效區域減少。這些堆疊缺陷會導致RDS(ON)隨時間漂移，令本體二極體的VSD增加。一旦堆疊缺陷達到晶圓表面，即會停止增長(飽和)，而發生的時間點取決於流經PN接面的電流和接面溫度而定。崩潰電壓、漏電流和切換行為等必要參數都不會受影響。
英飛凌已將生產製程最佳化，藉此抑制堆疊缺陷形成。我們會針對成品元件進行額外的篩檢測試，搭配上述的技術措施，以偵測及排除可能衍生堆疊缺陷的元件。這些措施可確保SiC元件長期運作，且不會違反規格表限制。
宇宙射線
當電源元件處於阻斷模式時，會在內部高電場情況下運作。若為SiC元件，這種情況比矽元件約高10倍。來自宇宙的粒子會永久存在於大氣中，可能滲入電源元件的主動區域，而導致局部載體倍增情況，最終造成元件損壞，亦即單粒子燒毀(SEB)。為了提升特定反向偏壓下的SEB耐受度，我們可以增加基板的厚度並降低摻雜。雖然這可確保較高的突崩崩潰電壓，但導通損耗也會較高。
因宇宙輻射而起的故障率會隨高度以指數增加，因此必須針對元件應用執行專屬計算，包括施加電壓、海拔高度與應用的必要使用壽命。英飛凌的專業應用工程師團隊可協助依據測試資料、應用詳細資料和任務特性，來計算整體故障率。此外，我們會依據主要目標應用在最糟情況下的任務特性來設計元件，以滿足嚴苛的故障率需求。
驗證耐受度
英飛凌參與多個標準開發體系，例如JEDEC國際準則，累積了25年SiC電源元件設計的專業實力，並據此開發出一套品質保證方案，此方法旨在模擬整個產品生命週期的「浴缸」曲線(圖2)。初步密集篩檢會對所有元件進行常規測試，主要目的是排除掉高瑕疵率的元件。所有標準化測試都會一併執行至少5,000小時，已超越相關標準要求的時間長度，可以有效找出潛在的壽命終止行為。採行這種全方位的元件耐受度驗證方法之後，並未找出任何導致壽命終止的系統機制，因此可確認所有CoolSiC MOSFET 均具備優異等級的可靠度。
