Los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de GaN están ganando terreno en la industria de los semiconductores debido a su excepcional tolerancia a altas temperaturas y altas densidades de potencia. Como tal, estos dispositivos pueden existir en condiciones más duras para aplicaciones aeroespaciales y militares. Pero estas industrias requieren estrictos estándares de calidad y confiabilidad para cualquier dispositivo de energía, silicio o GaN, y ahí es donde los HEMT de GaN tienen problemas.


Una comparación de las características eléctricas básicas de un HEMT de nitruro de galio frente a un MOSFET de silicio. Imagen utilizada por cortesía de Fujitsu

Si bien existen más de 50 años de métodos de prueba de garantía de calidad estandarizados para dispositivos de potencia de silicio, no existen pruebas estandarizadas para dispositivos de potencia de nitruro de galio (GaN) comparables.
¿Por qué no se pueden reutilizar los mismos métodos de prueba para el silicio para GaN para garantizar su confiabilidad? Para responder a esta pregunta, primero podríamos mirar dos consejos enfocados en pruebas de confiabilidad de alta calidad: JEDEC y AEC.

Estándares de prueba actuales: JEDEC y AEC

El Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) es responsable de establecer un extenso conjunto de estándares de memoria para circuitos semiconductores y dispositivos de almacenamiento. Durante más de cinco décadas, JEDEC ha creado estándares abiertos para microelectrónica que van desde la memoria principal como DDR4 hasta semiconductores con brecha de banda ancha.
Si bien los dispositivos de GaN están incluidos en el grupo de semiconductores de banda ancha ancha, y JEDEC proporcionó un documento para los dispositivos de conversión de energía de GaN en febrero de este año, solo establece métodos de prueba para la confiabilidad de conmutación de estos dispositivos.

Las características de conmutación de los MOSFET de silicio frente a los HEMT de nitruro de galio
Las características de conmutación de los MOSFET de silicio frente a los HEMT de nitruro de galio. Imagen utilizada por cortesía de Fujitsu

El Consejo de Electrónica Automotriz (AEC) fue formado en la década de 1990 por Chrysler, Ford y General Motors para establecer la calidad común de las piezas de los sistemas automotrices estandarizados. Los fabricantes confían en gran medida en las pautas de AEC debido a sus estándares explícitos de confiabilidad para transistores, diodos y otros semiconductores discretos. Quizás AEC sea más conocido por los diseñadores electrónicos por su estándar AEC-Q100, que proporciona pautas para probar mecanismos de falla en circuitos integrados.
Aunque AEC proporciona pautas para aplicaciones automotrices, de defensa y aeroespaciales, no aborda las tecnologías en desarrollo que están cambiando cada vez más a dispositivos de energía de GaN, como las estaciones base de comunicación.

¿Qué son los GaN HEMT?

Los HEMT de GaN son transistores de efecto de campo (FET) que pueden cambiar más rápido que los transistores de potencia de silicio. Esta característica, combinada con el tamaño reducido de los HEMT de GaN, permite que los dispositivos sean más eficientes energéticamente al tiempo que crean más espacio para los componentes externos. Estos dispositivos también pueden operar en voltajes más altos.

Estructura de GaN HEMT simplificada
Estructura de GaN HEMT simplificada. Captura de pantalla utilizada por cortesía de NovaTCAD

Pero debido a que no existe un camino claro para probar la confiabilidad de los dispositivos GaN, es difícil determinar la vida útil del dispositivo, las tasas de falla y la relevancia de la aplicación.
El profesor Roberto Menozzi de la Universidad de Parma en Italia ha discutido la falta de pruebas de confiabilidad para los dispositivos HEMT basados ​​en GaN. "Si uno mira la literatura científica, la base de datos de conocimiento sobre la confiabilidad de HEMT basada en GaN parece estar caracterizada por algunas características que indican que el objetivo de madurez todavía está algo lejos".
Si la metodología de prueba estandarizada para la confiabilidad de HEMT basada en GaN está muy lejos en el horizonte, ¿qué están haciendo los fabricantes para ayudar a entregar dispositivos de GaN de calidad mientras tanto?

Las empresas crean pruebas internas de confiabilidad de GaN HEMT

Para garantizar la fiabilidad de los HEMT de GaN, muchos fabricantes de semiconductores han creado sus propios procedimientos de prueba internos. Aquí hay un vistazo a cómo se ven algunos de esos estándares específicos de la empresa.

Instrumentos Texas
Sandeep R. Bahl, gerente de modelado y dispositivos de Texas Instruments para la confiabilidad de GaN, comparte un breve desglose de la metodología de TI para calificar los productos de GaN.
Primero, una prueba de esfuerzo acelera la temperatura durante un cierto período de tiempo en el dispositivo. Para el silicio, el factor de aceleración calculado es de aproximadamente 0,7 eV de energía de activación; sin embargo, para los dispositivos de GaN, el factor puede oscilar entre 1,05 eV y 2,5 eV. Este rango puede conducir a entornos impredecibles, lo que dificulta la determinación de tiempos de vida precisos y modos de falla exactos.

Diagrama de un vehículo de prueba para una prueba de aplicación de conmutación inductiva.
Diagrama de un vehículo de prueba para una prueba de aplicación de conmutación inductiva. Imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments

TI informa pocos problemas al probar dispositivos GaN gracias a la amplia banda prohibida, que permite que el dispositivo funcione a temperaturas más altas que el silicio. Si bien TI se adhiere a JEDEC y AEC para las pruebas de confiabilidad que implican la realización de descargas electrostáticas (ESD), efectos de paquete y reacciones de dispositivos en entornos de uso real, Sandeep comenta que para GaN, "queda en manos del fabricante definir las pruebas".

Sistemas GaN
Al igual que TI, GaN Systems también ve el valor de simular condiciones severas para las pruebas de estrés con el fin de calificar los productos de GaN y encontrar mecanismos de falla. GaN Systems ha encontrado formas de modificar las pruebas que alguna vez se usaron en dispositivos de potencia de silicio para determinar la confiabilidad de GaN. Los elementos clave de GaN Systems para las pruebas son identificar modos de falla, garantizar el desgaste a largo plazo y simular aplicaciones del mundo real.
Para probar fallas mínimas o nulas, GaN Systems realiza un análisis robusto del modo de falla, que prueba en modos de falla de alto riesgo y también lleva a cabo una sesión de retroalimentación colaborativa con socios confiables. Durante el análisis, los dispositivos se someten a voltaje, temperatura y humedad acelerados durante un período de tiempo prolongado.
Con JEDEC y AEC-Q101 como base para sus métodos de prueba, GaN Systems puede identificar fallas extrínsecas e intrínsecas.

MACOM
Desde 2006, MACOM ha realizado pruebas en la tecnología GaN-on-Si para aplicaciones militares y de defensa para infraestructuras de estaciones base inalámbricas. Las pruebas giran en torno al funcionamiento en temperaturas extremas, humedad y variaciones de voltaje.
La primera prueba de MACOM se denomina prueba de esfuerzo altamente acelerada (HAST), que simula una vida útil del sistema de 20 años en 96 horas de pruebas de esfuerzo intensivas utilizando procedimientos JEDEC.

El sistema de prueba de confiabilidad acelerado automatizado de MACOM puede realizar hasta 60 dispositivos.
El sistema de prueba de confiabilidad acelerado automatizado de MACOM puede realizar hasta 60 dispositivos. Imagen (captura de pantalla) utilizada por cortesía de MACOM

El siguiente paso en la fase de prueba es el examen de vida operativa a alta temperatura (HTOL), que requiere cero fallas mientras opera a las temperaturas hipotéticas fuera de las especificaciones de la hoja de datos. El mismo plan pasa al estado "apagado" para ver el comportamiento de avería del dispositivo.
La prueba de confiabilidad final es el examen de estrés de vida acelerada (ALT). Esta prueba observa la degradación y falla del dispositivo para determinar su vida útil.

Infineon
Infineon Technologies ha desarrollado un proceso de cuatro partes que califica su tecnología y productos CoolGaN 600V.
La primera fase requiere que los desarrolladores creen un perfil de aplicación para el dispositivo GaN de acuerdo con las pautas JEDEC y AEC-Q101. Este perfil incluye una lista de posibles factores de estrés que el dispositivo puede encontrar durante el funcionamiento.
La segunda fase es establecer un perfil de requisitos de calidad, que evalúa el objetivo del cliente final para el dispositivo: su vida útil prevista, la tasa máxima de fallas permitida, los límites de clasificación de ESD y los requisitos de humedad de funcionamiento.
La tercera fase conduce críticamente una investigación de confiabilidad para buscar modos de falla intrínsecos y extrínsecos. Si ocurre una falla cuando el dispositivo se desgasta o ciertos materiales se deterioran, la prueba produce una falla intrínseca.

La curva de confiabilidad de la bañera de Infineon permite la observación de los mecanismos de falla a lo largo del tiempo
La curva de confiabilidad de la bañera de Infineon permite la observación de los mecanismos de falla a lo largo del tiempo. Imagen utilizada por cortesía de Infineon Technologies

La fase final implica la creación de modelos de degradación de fallas clave en dispositivos de GaN, como la "curva de confiabilidad de la bañera". Esta curva muestra tres regímenes de falla: la vida temprana, la constante y la región de desgaste.

¿Por qué los fabricantes tienen sus propios métodos de prueba?

La respuesta es simple: mantener una ventaja competitiva. El deseo de mantenerse a la vanguardia es la razón principal por la que la industria no ha creado colectivamente una prueba estandarizada de confiabilidad y calificación para GaN HEMT. Cada empresa tiene su propio IP GaN especializado y elabora pruebas de fiabilidad para sus propios dispositivos.
Crear un estándar para toda la industria requeriría que varios fabricantes combinen sus conocimientos y acuerden una prueba en todos los ámbitos durante las próximas décadas.

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