通过自动动态开关测试研究 p-GaN HEMT 上的电应力

氮化镓(GaN)基功率半导体在功率转换方面具有许多优势。它们在许多应用中的使用不断增加，例如移动设备的电源适配器和数据中心的电源。横向高电子迁移率晶体管 (HEMT) 是应用最广泛的 GaN 器件。该器件的退化机制已被广泛研究并被纳入可靠性测试标准。

自动开关测试平台

AccoTEST是中国北京华峰测控技术有限公司的子公司，是中国领先的自动化测试设备(ATE)供应商。他们的STS8200和STS8300测试平台用于模拟和混合信号半导体测试，累计装机容量超过7000个。STS8200旨在实现宽带隙(WBG)半导体测试，例如GaN和SiC器件和模块。它是一个高度可扩展的平台，可用于高达 3600 V 的电压和 12000 A 的动态电流，并具有 8 个并行测试站点。通过仔细控制环路电感等寄生效应，可以进行高频测试。

在本研究中，STS8200 用于动态测试三个 p-GaN HEMT 器件。这些标有 A/B/C 的 650 V 额定器件来自不同制造商，典型室温导通电阻 (RDSON) 额定值分别为 240 mΩ、130 mΩ 和 40 mΩ。如图 1 所示的测试电路使用可调电阻负载来实现所需电流，在这些测试中为 2A。

图 1：开关测试平台的基本原理图

该器件的漏极电压 V DS设置为 600 V。栅极驱动器使用高压隔离驱动器来控制被测 GaN 器件 (DUT) 的开启和关闭。栅极驱动电流恒定为 10 mA，最大电压为 6 V。通过检测检测电阻器 R2 两端的电压来监控器件漏极电流 (I DS )。

GaN 器件能够实现非常快速的开关，并且为了确保准确性和可重复性，测试电路针对低寄生环路电感进行了优化。使用高速泰克 MSO58 示波器实时测量栅源 (GS) 和栅漏 (GD) 电压。 K1 开关允许在确定的应力时间间隔内将高压应力电压连接至器件漏极，在这些测试中该时间间隔为 10 秒。使用 PicoScope 6824E 捕获电应力前后的VGS、VDS 和 I DS波形。

为了测试测试平台的重复性，在同一设备上连续进行了五次测试，测试间隔超过24小时。结果数据的差异<= 5%，证明了测试方法和平台的准确性和稳定性。

切换测试方法和结果

图 2 中的波形描述了开关和应力施加过程。该方法涉及向器件施加 600 V 的预偏置，持续时间小于 1 ms。经检查，这不会改变设备的开关属性。

图 2：显示开关和应力波形以及相关的测量参数

在此预偏置之后，执行 5 µs 预应力切换。在波形中捕获并随后提取的相关开关参数，例如上升时间和下降时间 (t r、 t f ) 以及开启和关闭延迟 (t don、 t doff )，如图 2 所示。然后进行 600 V、10 秒的漏极应力，并随后测量应力后开关参数。 STS8200 的快速计算能力可以定量提取应力前和应力后的这些开关参数。

表 1 总结了从三个 GaN DUT 中提取的开关时间参数。

表 1：三个 GaN DUT 的预应力和后应力开关参数比较

可以看出，除了 t don减少之外，样品 A 所提取的开关参数变化很小。相比之下，样品 B 显示 tr和t don均显着增加，而 t doff显着减少。样品 C 的 t f有所增加，而其他参数几乎没有变化。

为了研究这些切换参数对应力时间的响应，作者进行了 100 毫秒至 10 秒的梯度电应力，应力之间至少有 24 小时的恢复期，以确保每个应力响应的独立性。他们发现随着压力时间的增加呈现单调趋势。

下一步是将这些开关参数变化与设备的物理参数(例如用于对设备建模的内部电容)联系起来。 HEMT器件与其他晶体管一样，具有输入电容Ciss，它是栅源电容CGS和栅漏电容CGD之和。米勒电容Crss为CGD，而输出电容Coss由漏源电容CDS和CGD之和组成。

因此，作为对样品 B 的结果的解释，可以推测阈值电压 V TH和米勒平台电压 V GP都随着电应力而增加。这很可能来自器件层中带负电的捕获位点，这是 GaN HEMT 中的一种众所周知的现象，已知会增加动态 R DSON。开关压力测试突出了不同供应商制造的设备之间的行为差异。

因此，器件和电源制造商都可以使用该测试来评估其 GaN HEMT 在高频开关应用中的可靠性和性能。开关应力测试相对较快并且可以以高度并行的方式执行，可以补充标准可靠性测试，例如动态高温工作寿命 (DHTOL) 和开关加速寿命 (SALT)，这些测试在 JEDEC 指南中概述氮化镓功率器件。因此，可以对这些设备在其预期寿命期间的行为进行进一步的筛选和更大的信心。