氮化鎵(GaN)基功率半導體在功率轉換方面具有許多優(yōu)勢。它們在許多應用中的使用不斷增加，例如移動設備的電源適配器和數(shù)據中心的電源。橫向高電子遷移率晶體管 (HEMT) 是應用最廣泛的 GaN 器件。該器件的退化機制已被廣泛研究并被納入可靠性測試標準。

自動開關測試平臺

AccoTEST是中國北京華峰測控技術有限公司的子公司，是中國領先的自動化測試設備(ATE)供應商。他們的STS8200和STS8300測試平臺用于模擬和混合信號半導體測試，累計裝機容量超過7000個。STS8200旨在實現(xiàn)寬帶隙(WBG)半導體測試，例如GaN和SiC器件和模塊。它是一個高度可擴展的平臺，可用于高達 3600 V 的電壓和 12000 A 的動態(tài)電流，并具有 8 個并行測試站點。通過仔細控制環(huán)路電感等寄生效應，可以進行高頻測試。

在本研究中，STS8200 用于動態(tài)測試三個 p-GaN HEMT 器件。這些標有 A/B/C 的 650 V 額定器件來自不同制造商，典型室溫導通電阻 (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電阻負載來實現(xiàn)所需電流，在這些測試中為 2A。

圖 1：開關測試平臺的基本原理圖

該器件的漏極電壓 V DS設置為 600 V。柵極驅動器使用高壓隔離驅動器來控制被測 GaN 器件 (DUT) 的開啟和關閉。柵極驅動電流恒定為 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 器件能夠實現(xiàn)非?？焖俚拈_關，并且為了確保準確性和可重復性，測試電路針對低寄生環(huán)路電感進行了優(yōu)化。使用高速泰克 MSO58 示波器實時測量柵源 (GS) 和柵漏 (GD) 電壓。 K1 開關允許在確定的應力時間間隔內將高壓應力電壓連接至器件漏極，在這些測試中該時間間隔為 10 秒。使用 PicoScope 6824E 捕獲電應力前后的VGS、VDS 和 I DS波形。

為了測試測試平臺的重復性，在同一設備上連續(xù)進行了五次測試，測試間隔超過24小時。結果數(shù)據的差異<= 5%，證明了測試方法和平臺的準確性和穩(wěn)定性。

切換測試方法和結果

圖 2 中的波形描述了開關和應力施加過程。該方法涉及向器件施加 600 V 的預偏置，持續(xù)時間小于 1 ms。經檢查，這不會改變設備的開關屬性。

圖 2：顯示開關和應力波形以及相關的測量參數(shù)

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

表 1 總結了從三個 GaN DUT 中提取的開關時間參數(shù)。

表 1：三個 GaN DUT 的預應力和后應力開關參數(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)對應力時間的響應，作者進行了 100 毫秒至 10 秒的梯度電應力，應力之間至少有 24 小時的恢復期，以確保每個應力響應的獨立性。他們發(fā)現(xiàn)隨著壓力時間的增加呈現(xiàn)單調趨勢。

下一步是將這些開關參數(shù)變化與設備的物理參數(shù)(例如用于對設備建模的內部電容)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，作為對樣品 B 的結果的解釋，可以推測閾值電壓 V TH和米勒平臺電壓 V GP都隨著電應力而增加。這很可能來自器件層中帶負電的捕獲位點，這是 GaN HEMT 中的一種眾所周知的現(xiàn)象，已知會增加動態(tài) R DSON。開關壓力測試突出了不同供應商制造的設備之間的行為差異。

因此，器件和電源制造商都可以使用該測試來評估其 GaN HEMT 在高頻開關應用中的可靠性和性能。開關應力測試相對較快并且可以以高度并行的方式執(zhí)行，可以補充標準可靠性測試，例如動態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL) 和開關加速壽命 (SALT)，這些測試在 JEDEC 指南中概述氮化鎵功率器件。因此，可以對這些設備在其預期壽命期間的行為進行進一步的篩選和更大的信心。