电子展|SiC和GaN：新一代半导体能否实现长期可靠性?

近期，电力电子技术领域正经历着从硅向碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的显著转型。在刚刚过去的十年里，SiC和GaN半导体已经崛起为推动电气化进程和构建强大未来的关键力量。凭借其天生的物理特性，这些宽禁带半导体正在逐步替代众多电力应用中的硅基器件。尽管硅长期以来以其卓越的可靠性确立了其时代，但现在是时候检验这两种新型半导体是否能够在长期使用中延续同样的安全记录，以及它们是否能够成为未来设计师们值得信赖的选择。

如今，应用的需求日益增长，要求能够管理更高电压、频率和温度的能源和电力，同时保持效率和可靠性。电子展了解到，新材料碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为宽带隙半导体，展现出广阔的前景，并在电力电子应用中相较于传统硅材料提供了显著的优势。然而，尽管目前新材料的应用越来越广泛，其长期可靠性仍然是大规模采用的持续研究主题。随着这项技术逐渐成熟，关于其长期可靠性的疑虑也自然随之而来。

宽带隙半导体在极端电力应用中的使用必须伴随对设备可靠性的仔细评估和分析。毫无疑问，新的SiC和GaN设备相比于硅具有更优越的特性，包括更高的Vds电压、更低的Rds(ON)电阻以及更高的开关速度。这些特性使得可以构建具有更高功率密度、降低损耗和更好整体效率的系统和电路。然而，SiC和GaN独特的属性也带来了新的可靠性挑战。

设计师和企业必须更加关注的一个主要参数是设备的长期稳定性，尤其是在高电压和高温操作条件下。电子展了解到，高电场和热应力可能导致栅氧化层的降解、通道迁移率的降低以及与封装本身相关的故障。这种情况尤其发生在MOS设备的栅极受到热和电的压力时。此外，材料中新缺陷的形成也可能对这些设备的可靠性产生负面影响。

然而，与研究并行，针对进一步提升SiC和GaN设备可靠性的研究也在进行中，通过改善材料质量、设备设计和封装技术，以增强它们的韧性和使用寿命。企业和制造商在实验室和实际操作环境中执行加速老化程序和极端条件下的测试，以评估长期性能并识别潜在的故障模式。加速测试可以在确定加速应力寿命后，用于预测在正常最终使用条件下产品的使用寿命。这些评估在电力设备的测试中起着至关重要的作用，使操作员能够评估和分类满足温度和电气应力要求的产品。

电子展了解到，测试重点在于监测设备在极端工作温度下的性能，以及在DS通道上反复施加的高电流。这些测试包括连续和周期性的电气与热力评估，并能够提供详尽的测试结果报告。众所周知，高温是电子元件的头号大敌。如图1所示，SiC MOSFET的电流和功率变化趋势图，其工作温度范围从-60°C延伸至+200°C（在特定负载和供电电压下的电路模拟中）。尽管电流大致保持恒定，并随温度上升略有下降，但功率损耗却在整个温度范围内显著增加（增幅甚至超过500%）。这暗示了长期运行中可能出现的多种问题，可能会减少设备的使用寿命。

文章来源：浮思特无微不智