氮化鎵(GaN)基功率半導(dǎo)體在功率轉(zhuǎn)換方面具有許多優(yōu)勢。它們?cè)谠S多應(yīng)用中的使用不斷增加，例如移動(dòng)設(shè)備的電源適配器和數(shù)據(jù)中心的電源。橫向高電子遷移率晶體管 (HEMT) 是應(yīng)用最廣泛的 GaN 器件。該器件的退化機(jī)制已被廣泛研究并被納入可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)。

自動(dòng)開關(guān)測試平臺(tái)

AccoTEST是中國北京華峰測控技術(shù)有限公司的子公司，是中國領(lǐng)先的自動(dòng)化測試設(shè)備(ATE)供應(yīng)商。他們的STS8200和STS8300測試平臺(tái)用于模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體測試，累計(jì)裝機(jī)容量超過7000個(gè)。STS8200旨在實(shí)現(xiàn)寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體測試，例如GaN和SiC器件和模塊。它是一個(gè)高度可擴(kuò)展的平臺(tái)，可用于高達(dá) 3600 V 的電壓和 12000 A 的動(dòng)態(tài)電流，并具有 8 個(gè)并行測試站點(diǎn)。通過仔細(xì)控制環(huán)路電感等寄生效應(yīng)，可以進(jìn)行高頻測試。

在本研究中，STS8200 用于動(dòng)態(tài)測試三個(gè) p-GaN HEMT 器件。這些標(biāo)有 A/B/C 的 650 V 額定器件來自不同制造商，典型室溫導(dǎo)通電阻 (RDSON) 額定值分別為 240 mΩ、130 mΩ 和 40 mΩ。如圖 1 所示的測試電路使用可調(diào)電阻負(fù)載來實(shí)現(xiàn)所需電流，在這些測試中為 2A。

圖 1：開關(guān)測試平臺(tái)的基本原理圖

該器件的漏極電壓 V DS設(shè)置為 600 V。柵極驅(qū)動(dòng)器使用高壓隔離驅(qū)動(dòng)器來控制被測 GaN 器件 (DUT) 的開啟和關(guān)閉。柵極驅(qū)動(dòng)電流恒定為 10 mA，最大電壓為 6 V。通過檢測檢測電阻器 R2 兩端的電壓來監(jiān)控器件漏極電流 (I DS )。

GaN 器件能夠?qū)崿F(xiàn)非常快速的開關(guān)，并且為了確保準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，測試電路針對(duì)低寄生環(huán)路電感進(jìn)行了優(yōu)化。使用高速泰克 MSO58 示波器實(shí)時(shí)測量柵源 (GS) 和柵漏 (GD) 電壓。 K1 開關(guān)允許在確定的應(yīng)力時(shí)間間隔內(nèi)將高壓應(yīng)力電壓連接至器件漏極，在這些測試中該時(shí)間間隔為 10 秒。使用 PicoScope 6824E 捕獲電應(yīng)力前后的VGS、VDS 和 I DS波形。

為了測試測試平臺(tái)的重復(fù)性，在同一設(shè)備上連續(xù)進(jìn)行了五次測試，測試間隔超過24小時(shí)。結(jié)果數(shù)據(jù)的差異<= 5%，證明了測試方法和平臺(tái)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

切換測試方法和結(jié)果

圖 2 中的波形描述了開關(guān)和應(yīng)力施加過程。該方法涉及向器件施加 600 V 的預(yù)偏置，持續(xù)時(shí)間小于 1 ms。經(jīng)檢查，這不會(huì)改變?cè)O(shè)備的開關(guān)屬性。

圖 2：顯示開關(guān)和應(yīng)力波形以及相關(guān)的測量參數(shù)

在此預(yù)偏置之后，執(zhí)行 5 μs 預(yù)應(yīng)力切換。在波形中捕獲并隨后提取的相關(guān)開關(guān)參數(shù)，例如上升時(shí)間和下降時(shí)間 (t r、 t f ) 以及開啟和關(guān)閉延遲 (t don、 t doff )，如圖 2 所示。然后進(jìn)行 600 V、10 秒的漏極應(yīng)力，并隨后測量應(yīng)力后開關(guān)參數(shù)。 STS8200 的快速計(jì)算能力可以定量提取應(yīng)力前和應(yīng)力后的這些開關(guān)參數(shù)。

表 1 總結(jié)了從三個(gè) GaN DUT 中提取的開關(guān)時(shí)間參數(shù)。

表 1：三個(gè) GaN DUT 的預(yù)應(yīng)力和后應(yīng)力開關(guān)參數(shù)比較

可以看出，除了 t don減少之外，樣品 A 所提取的開關(guān)參數(shù)變化很小。相比之下，樣品 B 顯示 tr和t don均顯著增加，而 t doff顯著減少。樣品 C 的 t f有所增加，而其他參數(shù)幾乎沒有變化。

為了研究這些切換參數(shù)對(duì)應(yīng)力時(shí)間的響應(yīng)，作者進(jìn)行了 100 毫秒至 10 秒的梯度電應(yīng)力，應(yīng)力之間至少有 24 小時(shí)的恢復(fù)期，以確保每個(gè)應(yīng)力響應(yīng)的獨(dú)立性。他們發(fā)現(xiàn)隨著壓力時(shí)間的增加呈現(xiàn)單調(diào)趨勢。

下一步是將這些開關(guān)參數(shù)變化與設(shè)備的物理參數(shù)(例如用于對(duì)設(shè)備建模的內(nèi)部電容)聯(lián)系起來。 HEMT器件與其他晶體管一樣，具有輸入電容Ciss，它是柵源電容CGS和柵漏電容CGD之和。米勒電容Crss為CGD，而輸出電容Coss由漏源電容CDS和CGD之和組成。

因此，作為對(duì)樣品 B 的結(jié)果的解釋，可以推測閾值電壓 V TH和米勒平臺(tái)電壓 V GP都隨著電應(yīng)力而增加。這很可能來自器件層中帶負(fù)電的捕獲位點(diǎn)，這是 GaN HEMT 中的一種眾所周知的現(xiàn)象，已知會(huì)增加動(dòng)態(tài) R DSON。開關(guān)壓力測試突出了不同供應(yīng)商制造的設(shè)備之間的行為差異。

因此，器件和電源制造商都可以使用該測試來評(píng)估其 GaN HEMT 在高頻開關(guān)應(yīng)用中的可靠性和性能。開關(guān)應(yīng)力測試相對(duì)較快并且可以以高度并行的方式執(zhí)行，可以補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)可靠性測試，例如動(dòng)態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL) 和開關(guān)加速壽命 (SALT)，這些測試在 JEDEC 指南中概述氮化鎵功率器件。因此，可以對(duì)這些設(shè)備在其預(yù)期壽命期間的行為進(jìn)行進(jìn)一步的篩選和更大的信心。