技术文章 - 正文
Cascode 结构 GaN 基 HEMT 器件功率循环温度可靠性研究 2022-03-24 14:53
参考文献：赵程，Cascode 结构 GaN 基 HEMT 器件功率循环温度可靠性研究【D】，大连理工大学，2020
（转载请注明出处及作者）
近年来GaN材料器件越来越广泛的应用于电力电子技术与通讯电子技术领域，在电压转换、快速充电、高频通信等领域发挥着重要作用。大连理工大学赵程在硕士论文中对Cascode结构GaN基HEMT器件进行了功率循环温度可靠性方面的实验和仿真研究。
氮化镓 HEMT 器件结构及类型
氮化镓 HEMT 器件工作模式与硅MOSFET（金属氧化物场效应晶体管，Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）类似，都是由栅极控制源漏之间导通的三端器件。氮化镓HEMT器件的基本结构从下至上分别为：衬底层、氮化铝成核层、氮化镓缓冲层、AlGaN势垒层和钝化层。金属源极和漏极分别位于器件异质结沟道两端，栅极位于器件中间位置，如图1.2 所示。
氮化镓功率器件根据其工作特性主要分为：增强型器件（又称为常关型器件，阈值电压为正）和耗尽型器件（又称为常开型器件，阈值电压为负）。由于器件中氮化镓与AlGaN界面有性质优良的二维电子气形成了天然的导电沟道，因此未经特殊工艺等技术手段制成的器件都是耗尽型器件。与常见的硅材料器件相同，常开耗尽型器件在实际应用中会带来较多问题。由于器件常开，需要给器件施加负电压使得器件保持关断，这导致在器件不使用的期间增加额外的功耗，引起能源的浪费。此外，关态负电压的引入还会导致一系列的安全性问题。因此，目前应用中的氮化镓HEMT器件都是经过特殊工艺处理制成的增强型常关器件。主要的几种方法包括：凹槽栅刻蚀、氟离子掺杂、p-GAN帽层、共源共栅（Cascode）结构等。其中凹槽栅刻蚀，氟离子掺杂，p-GaN帽层等方法都是利用特殊工艺手段，通过引入额外电荷来耗尽沟道二维电子气，使器件阈值电压达到正值。共源共栅则是从外围电路出发，通过常关型Si材料MOSFET与GaN材料HEMT级联的方法，利用常关型MOSFET控制器件开关。
Cascode结构器件具体的工作原理
Cascode结构器件具体的工作原理为：①在器件整体处于关断状态（Vg<Vth）时，当源漏两端施加较小的工作电压时（Vds小于氮化镓HEMT器件的阈值电压），硅MOSFET关断、氮化镓HEMT导通；当源漏两端施加大于HEMT阈值电压的工作电压时，硅MOSFET关断、氮化镓HEMT关断，从而利用了氮化镓高阻断电压的特点保证了硅管不会被大电压击穿；②当器件处于开启的状态时，硅管导通，从而图1.3（d）中的A点电压与S端电压（也就是氮化镓器件的栅极电压）相等，栅极压降为零，从而使得氮化镓管导通。从应用角度来说，目前比较成熟的技术是P-GaN结构器件以及共源共栅级联器件，国内外许多公司已有成熟的相关分立器件以及模块产品。大连理工大学赵程在论文中选用的测试器件为Cascode结构GaN基HEMT功率器件。
氮化镓功率器件常见封装类型
针对于大功率半导体器件主要有压接式封装、TO系列封装（Transistor Outline Package）DFN/QFN封装（Dual or Quad Flat-Pack No-Lead package）等。其中，压接式封装提供了优良的电接触界面。主要通过在封装过程中，引入外部应力形成电接触，如图1.8 (a)所示。芯片由阴极和阳极压块夹在中间位置，引线直接在压块上连接，外覆陶瓷管壳。相较于其他形式的封装，压接式封装的器件更适宜工作在高温潮湿等较为恶劣的环境中，其耐破坏性较高。并且由于采用双面散热，避免了很多自身高温带来的影响。缺点在于压接式封装体积较大，给电子器件系统的集成带来了不利影响。
TO系列封装是一种广泛应用于大功率晶体管、中小规模集成电路等系统中的常见直插式封装形式，其基本结构如图1.8 (b)所示。通常为单排直插，一般可以引出3、5、7个引脚，其中3引脚器件最为常见。具体型号有TO-252、TO-247、TO-220等。DFN/QFN封装是最新的一种分立式器件的封装工艺。主要分为双边或方形扁平无铅封装，如图1.8(c)所示。这一封装技术极大地缩小了器件的体积，提高了器件在模块应用中的集成度。并且DFN/QFN封装与最新的表面焊接贴装技术（SMT，Surface Mounted Technology）能够更紧密的相结合，减小体积的同时提高了各个功能部分焊接的稳定性和可靠性。DFN/QFN封装在满足分立式器件封装的同时，可以集成部分器件系统，实现更完整的电路系统功能。
器件封装工艺过程
半导体器件的封装工艺过程大致如图1.9所示，对于大晶元片，首先需要对衬底层进行相应的减薄处理，以减小最终器件封装的尺寸。对于减薄后的晶元片，按照器件划片操作，将每颗器件从整个晶片中分立出来；将分立器件通过银胶焊料粘贴在封装框架或基板上；固定好器件后，通过球型焊或楔形焊等焊接工艺，将键合线连接至器件电极；打线后对整体器件进行塑封处理，通常塑封材料可以选择环氧树脂等EMC材料；塑封硬化后，在器件的引脚部分进行电镀处理，电镀材料便于器件后续在特定电路中进行焊接；电镀完成后，由于引线金属框架是多颗器件连接在一起，因此需要进行切割。至此得到了封装完成后的单颗分立器件，最后进行参数测试合格后便可出厂。
在半导体器件封装过程中，键合线焊接对于技术要求最高，因此也最为重要。以球形焊接工艺为例，器件引线键合操作分为：（a）劈刀对准器件焊盘、（b）劈刀下降、（c）劈刀熔球贴近焊盘表面进行焊接、（d）劈刀移动至第二点、（e）进行楔形焊接、（f）抽出一段键合丝、（g）拉断键合点、（h）将劈刀口多余键合丝继续熔化成球进行下一点位的焊接。整体过程如图1.10所示。半导体器件无论是采用热压焊接、超声焊接或者超声热压焊接，都会对器件本身产生一定的影响。在焊接过程中，可能发生虚焊、金属间化合物不均匀、焊接过程对于焊球造成破坏等。在其他的封装步骤，如器件粘贴、塑封等过程都可以引入加速器件老化的不利因素。此外，银胶层、焊料层、键合线、塑封料之间不同的热膨胀系数亦然会导致在高温工作情况下产生内部应力，从而破坏器件结构。因此需要通过相应的老化测试手段来考核器件封装的可靠性。
论文主要内容
论文首先针对 GaN 基 HEMT 器件的参数可靠性以及封装可靠性进行了广泛的调研分析。确定了影响 GaN 基 HEMT 器件内部参数可靠性的主要原因包括钝化层、势垒层、缓冲层以及金属接触层的陷阱效应、逆压电效应、热电子效应等。封装层面的可靠性体现在器件键合线、焊料层、塑封体等方面。本文提出通过功率循环实验来测试器件参数以及封装层面的可靠性问题。
其次，论文对于 Cascode 结构氮化镓 HEMT 器件的结温测试进行了研究。针对器件内部的两部分管芯热源，通过比较分析，提出了采用复合温敏电参数，排除了与硅MOSFET 串联的氮化镓管导通电阻的影响，进而快速精准测量器件结温。经过不同测试方法的对比，采用本文所提出的测试方法结温测试误差在 5%范围内，符合功率循环实验的需求。
随后，论文讨论了开关功耗负载与导通功耗负载两种负载加热电路。通过分析对比发现，两种负载电路均可以实现相应的升温功能，且各有优劣之处。开关负载电路可以保证每一颗器件的负载功率均为恒定值，导通负载电路相对开关负载电路结构更为简单，对电源要求较低。此外，由于开关负载电路中引入了较多的感性元件，导致整个功率回路的开关响应能力严重下降，负载功率较易达到饱和值。经过综合考虑各个影响因素，本文最终选择导通负载电路作为功率循环测试的负载加热电路。
接着，论文对实验样品进行了100℃和 150℃两组不同结温差值的功率循环老化测试。通过对比实验前后样品的导通电阻、阈值电压、关态漏电流以及栅极漏电流等参数，以导通电阻作为主要分析对象，选择出在老化实验后退化程度较高的器件进行解封实验。通过 COMSOL 热力学仿真软件对功率循环过程中引起的器件内部热力分布情况进行模拟，得到在器件的键合线两端焊点处以及键合点的线颈部应力分布最高；封装整体各部件边缘以及尖点处有明显的应力增强分布。且在固定芯片的银胶层两端出现断裂间隙，结合解封显微观察结果与热力学仿真结果，对失效现象进行了相应的解释。
最后，论文通过TCAD软件对功率循环变温条件下器件内部的参数变化情况进行了分析。分别讨论了器件同一部位不同的陷阱分布形式、不同部位的陷阱分布浓度在不同温度应力条件下对于器件的导通电阻、跨导、饱和电流、关态漏电水平等参数的影响，并解释了参数退化的原因和机理。
以下为论文节选
氮化镓 HEMT 器件的可靠性研究
从整体而言，半导体器件失效可以分为参数漂移失效和封装结构层面失效。参数漂移失效主要包括：阈值电压、导通电阻、漏电流、跨导等参数漂移，以及栅介质击穿，金属接触退化等。从机理上分析大多都是由高温高场的应力引起的内部晶格结构、载流子浓度和分布异常等原因引起的。封装层面失效包括芯片本身的失效、焊料层疲劳退化、键合线剥离、塑封体失效等。
器件参数漂移失效
参数漂移作为器件生产制备过程中贯穿始终的失效模式，在业内有比较多的测试研究。参数漂移失效主要可以分为三大类，如图 1.5 所示。
第一类是热电子诱导的劣化机制。包括在 SiN 钝化层或半导体材料中的电子捕获以及晶格缺陷的产生。在高场条件下，器件沟道内的载流子被高场加速，成为高能粒子。这些高能粒子会被势垒层、钝化层、缓冲层内的陷阱所捕获。除此之外，高能粒子还会在沟道内与晶格内的其它粒子碰撞，从而加剧了热电子的发射效应，引起器件阈值电压、导通电阻等参数的漂移。关于热电子相关效应的可靠性测试，业界通过电致发光效应可以较为准确的获得器件的失效位置。
第二类失效模式为影响 AlGaN/GaN 异质结结构性质的降解机制，即由于反偏压而导致的栅极边缘的劣化，以及由于高应力条件引起的陷阱现象。
第三类失效模式包括电极金属的金属互连的劣化，栅极金属的互联和钝化的分层等。Matteo Meneghini 等人从器件开关状态、参数变化情况总结了AlGaN/GaN HEMT可能存在的失效模式。在器件处于关态应力条件下，导通电阻的增加一方面可能是由于缓冲层陷阱、受主陷阱电离以及衬底电子注入导致，另一方面则可能由于钝化不良，电子从栅极注入到漏极导致表面俘获引起。阈值电压Vth的漂移可能是由栅区电子俘获和去俘获导致；如果器件的退化和失效与时间相关，则可能是器件体内产生了导电路径，栅极与沟道之间发生短路，衬底被击穿等。半开启状态下的退化有很多一部分原因是热电子效应以及晶格缺陷引起的；开态条件下的失效仍然主要是由陷阱运动产生参数的偏移。
针对器件内部参数漂移失效，学术界进行了大量研究。AS Evseenkov 等人研究了HEMT晶体管的基本参数在应力条件下的退化情况，提出新的表达式测试模型可应用于HEMT器件的可靠性估计，并且基于场分布的模拟结果详细描述了栅区附近的退化情况。Gaudenzio 等人基于高温下反向偏置测试和直流DC加速测试，提出了一种直流射频应力测试伴随深能级瞬态光谱脉冲测量陷阱的表征，综合描述了高电场下的故障机制。Bhawani Shankar 等人报道了氮化镓HEMT中静电放电行为的产生机理，从载流子捕获和自加热两个方向对静电放电行为进行解释。Feiyuan Yang 等人研究了硬开关HTRB测试对于AlGaN/GaN HEMT导通电阻的影响。与软开关相比，硬开关应力导致导通电阻值摆幅更加明显。在硬开关之后的微秒量级的时间内导通电阻值迅速恢复，不能通过缓冲层捕获电子来解释该过程，将其归为热电子引起的退化行为。Maria Ruzzarin 等人利用了高温恒流应力测试讨论了高漏极偏置和恒定漏极电流的结合应力可能导致导通电阻的增加。应力条件下阈值电压未发生变化证明电荷的俘获过程不是发生在栅极下方区域。导通电阻对于温度的依赖性支持了热电子从栅漏区域注入的假设。陈伟伟等人研究了阶跃应力下高电子迁移率晶体管的退化机制，高场作用陷阱会在势垒层中随机产生，超过临界电压后由于逆压电效应导致陷阱密度增加最终导致器件发生永久退化。
器件封装结构失效
从应用角度来看，器件封装是不可避免的一个重要步骤。因此也是器件可靠性分析中的重要组成部分。图 1.6 所示是功率器件的常见封装形式的结构示意图。可以看出器件结构是由多种材料组成。主要包括基板、银胶、芯片、键合线、塑封体材料等。
器件在高功率状态下工作，由于自热等效应产生大量的热量，而各层材料的热膨胀系数都不尽相同。因此会导致层间结构被严重破坏，导致器件无法正常工作。从层间热膨胀系数差值可以看出，在键合线与金属接触层以及焊料层之间的差值最大，引起失效的可能性就更高。
赵程的硕士论文主要分析器件在功率循环测试中由结温变化引起的内部参数漂移失效以及外部封装失效两方面的可靠性问题。
（转载请注明出处及作者）
近年来GaN材料器件越来越广泛的应用于电力电子技术与通讯电子技术领域，在电压转换、快速充电、高频通信等领域发挥着重要作用。大连理工大学赵程在硕士论文中对Cascode结构GaN基HEMT器件进行了功率循环温度可靠性方面的实验和仿真研究。
氮化镓 HEMT 器件结构及类型
氮化镓 HEMT 器件工作模式与硅MOSFET（金属氧化物场效应晶体管，Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）类似，都是由栅极控制源漏之间导通的三端器件。氮化镓HEMT器件的基本结构从下至上分别为：衬底层、氮化铝成核层、氮化镓缓冲层、AlGaN势垒层和钝化层。金属源极和漏极分别位于器件异质结沟道两端，栅极位于器件中间位置，如图1.2 所示。
Cascode结构器件具体的工作原理
Cascode结构器件具体的工作原理为：①在器件整体处于关断状态（Vg<Vth）时，当源漏两端施加较小的工作电压时（Vds小于氮化镓HEMT器件的阈值电压），硅MOSFET关断、氮化镓HEMT导通；当源漏两端施加大于HEMT阈值电压的工作电压时，硅MOSFET关断、氮化镓HEMT关断，从而利用了氮化镓高阻断电压的特点保证了硅管不会被大电压击穿；②当器件处于开启的状态时，硅管导通，从而图1.3（d）中的A点电压与S端电压（也就是氮化镓器件的栅极电压）相等，栅极压降为零，从而使得氮化镓管导通。从应用角度来说，目前比较成熟的技术是P-GaN结构器件以及共源共栅级联器件，国内外许多公司已有成熟的相关分立器件以及模块产品。大连理工大学赵程在论文中选用的测试器件为Cascode结构GaN基HEMT功率器件。
氮化镓功率器件常见封装类型
针对于大功率半导体器件主要有压接式封装、TO系列封装（Transistor Outline Package）DFN/QFN封装（Dual or Quad Flat-Pack No-Lead package）等。其中，压接式封装提供了优良的电接触界面。主要通过在封装过程中，引入外部应力形成电接触，如图1.8 (a)所示。芯片由阴极和阳极压块夹在中间位置，引线直接在压块上连接，外覆陶瓷管壳。相较于其他形式的封装，压接式封装的器件更适宜工作在高温潮湿等较为恶劣的环境中，其耐破坏性较高。并且由于采用双面散热，避免了很多自身高温带来的影响。缺点在于压接式封装体积较大，给电子器件系统的集成带来了不利影响。
TO系列封装是一种广泛应用于大功率晶体管、中小规模集成电路等系统中的常见直插式封装形式，其基本结构如图1.8 (b)所示。通常为单排直插，一般可以引出3、5、7个引脚，其中3引脚器件最为常见。具体型号有TO-252、TO-247、TO-220等。DFN/QFN封装是最新的一种分立式器件的封装工艺。主要分为双边或方形扁平无铅封装，如图1.8(c)所示。这一封装技术极大地缩小了器件的体积，提高了器件在模块应用中的集成度。并且DFN/QFN封装与最新的表面焊接贴装技术（SMT，Surface Mounted Technology）能够更紧密的相结合，减小体积的同时提高了各个功能部分焊接的稳定性和可靠性。DFN/QFN封装在满足分立式器件封装的同时，可以集成部分器件系统，实现更完整的电路系统功能。
器件封装工艺过程
半导体器件的封装工艺过程大致如图1.9所示，对于大晶元片，首先需要对衬底层进行相应的减薄处理，以减小最终器件封装的尺寸。对于减薄后的晶元片，按照器件划片操作，将每颗器件从整个晶片中分立出来；将分立器件通过银胶焊料粘贴在封装框架或基板上；固定好器件后，通过球型焊或楔形焊等焊接工艺，将键合线连接至器件电极；打线后对整体器件进行塑封处理，通常塑封材料可以选择环氧树脂等EMC材料；塑封硬化后，在器件的引脚部分进行电镀处理，电镀材料便于器件后续在特定电路中进行焊接；电镀完成后，由于引线金属框架是多颗器件连接在一起，因此需要进行切割。至此得到了封装完成后的单颗分立器件，最后进行参数测试合格后便可出厂。
论文首先针对 GaN 基 HEMT 器件的参数可靠性以及封装可靠性进行了广泛的调研分析。确定了影响 GaN 基 HEMT 器件内部参数可靠性的主要原因包括钝化层、势垒层、缓冲层以及金属接触层的陷阱效应、逆压电效应、热电子效应等。封装层面的可靠性体现在器件键合线、焊料层、塑封体等方面。本文提出通过功率循环实验来测试器件参数以及封装层面的可靠性问题。
其次，论文对于 Cascode 结构氮化镓 HEMT 器件的结温测试进行了研究。针对器件内部的两部分管芯热源，通过比较分析，提出了采用复合温敏电参数，排除了与硅MOSFET 串联的氮化镓管导通电阻的影响，进而快速精准测量器件结温。经过不同测试方法的对比，采用本文所提出的测试方法结温测试误差在 5%范围内，符合功率循环实验的需求。
随后，论文讨论了开关功耗负载与导通功耗负载两种负载加热电路。通过分析对比发现，两种负载电路均可以实现相应的升温功能，且各有优劣之处。开关负载电路可以保证每一颗器件的负载功率均为恒定值，导通负载电路相对开关负载电路结构更为简单，对电源要求较低。此外，由于开关负载电路中引入了较多的感性元件，导致整个功率回路的开关响应能力严重下降，负载功率较易达到饱和值。经过综合考虑各个影响因素，本文最终选择导通负载电路作为功率循环测试的负载加热电路。
接着，论文对实验样品进行了100℃和 150℃两组不同结温差值的功率循环老化测试。通过对比实验前后样品的导通电阻、阈值电压、关态漏电流以及栅极漏电流等参数，以导通电阻作为主要分析对象，选择出在老化实验后退化程度较高的器件进行解封实验。通过 COMSOL 热力学仿真软件对功率循环过程中引起的器件内部热力分布情况进行模拟，得到在器件的键合线两端焊点处以及键合点的线颈部应力分布最高；封装整体各部件边缘以及尖点处有明显的应力增强分布。且在固定芯片的银胶层两端出现断裂间隙，结合解封显微观察结果与热力学仿真结果，对失效现象进行了相应的解释。
最后，论文通过TCAD软件对功率循环变温条件下器件内部的参数变化情况进行了分析。分别讨论了器件同一部位不同的陷阱分布形式、不同部位的陷阱分布浓度在不同温度应力条件下对于器件的导通电阻、跨导、饱和电流、关态漏电水平等参数的影响，并解释了参数退化的原因和机理。
以下为论文节选
氮化镓 HEMT 器件的可靠性研究
从整体而言，半导体器件失效可以分为参数漂移失效和封装结构层面失效。参数漂移失效主要包括：阈值电压、导通电阻、漏电流、跨导等参数漂移，以及栅介质击穿，金属接触退化等。从机理上分析大多都是由高温高场的应力引起的内部晶格结构、载流子浓度和分布异常等原因引起的。封装层面失效包括芯片本身的失效、焊料层疲劳退化、键合线剥离、塑封体失效等。
参数漂移作为器件生产制备过程中贯穿始终的失效模式，在业内有比较多的测试研究。参数漂移失效主要可以分为三大类，如图 1.5 所示。
第一类是热电子诱导的劣化机制。包括在 SiN 钝化层或半导体材料中的电子捕获以及晶格缺陷的产生。在高场条件下，器件沟道内的载流子被高场加速，成为高能粒子。这些高能粒子会被势垒层、钝化层、缓冲层内的陷阱所捕获。除此之外，高能粒子还会在沟道内与晶格内的其它粒子碰撞，从而加剧了热电子的发射效应，引起器件阈值电压、导通电阻等参数的漂移。关于热电子相关效应的可靠性测试，业界通过电致发光效应可以较为准确的获得器件的失效位置。
第二类失效模式为影响 AlGaN/GaN 异质结结构性质的降解机制，即由于反偏压而导致的栅极边缘的劣化，以及由于高应力条件引起的陷阱现象。
第三类失效模式包括电极金属的金属互连的劣化，栅极金属的互联和钝化的分层等。Matteo Meneghini 等人从器件开关状态、参数变化情况总结了AlGaN/GaN HEMT可能存在的失效模式。在器件处于关态应力条件下，导通电阻的增加一方面可能是由于缓冲层陷阱、受主陷阱电离以及衬底电子注入导致，另一方面则可能由于钝化不良，电子从栅极注入到漏极导致表面俘获引起。阈值电压Vth的漂移可能是由栅区电子俘获和去俘获导致；如果器件的退化和失效与时间相关，则可能是器件体内产生了导电路径，栅极与沟道之间发生短路，衬底被击穿等。半开启状态下的退化有很多一部分原因是热电子效应以及晶格缺陷引起的；开态条件下的失效仍然主要是由陷阱运动产生参数的偏移。
器件封装结构失效
从应用角度来看，器件封装是不可避免的一个重要步骤。因此也是器件可靠性分析中的重要组成部分。图 1.6 所示是功率器件的常见封装形式的结构示意图。可以看出器件结构是由多种材料组成。主要包括基板、银胶、芯片、键合线、塑封体材料等。
赵程的硕士论文主要分析器件在功率循环测试中由结温变化引起的内部参数漂移失效以及外部封装失效两方面的可靠性问题。
