GaN器件阈值电压漂移特性的研究.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueDec.2023Vol.46 No.242023年12月15日第46卷第24期0 引 言GaN 器件具有开关速度快、导通电阻小、功率密度大等优势，已应用于消费电子、新能源汽车和航空航天等领域12。目前实现增强型 GaN器件的主要方式有凹槽栅技术、氟离子注入技术、Cascode技术和pGaN栅技术3。其中采用pGaN栅技术的器件具有较大的阈值电压 VTH和饱和电流4，且导通电阻小，较好地实现了器件性能、可靠性和生产成本之间的平衡，已成为实现商用增强型GaN器件的主要形式5。但pGaN层的电势易受电荷运动影响，导致器件VTH的漂移，带来了栅极可靠性问题。VTH的负漂移易引起器件误导通，正漂移则会增大导通电阻和开通时间，引起开关损耗增加，给设备的安全高效运行带来潜在威胁6。因此，研究VTH漂移现象对深入了解 GaN器件的特性和提高栅极可靠性具有重要指导意义。DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.24.004引用格式：鲁金科，赵浩，杜伟兮.GaN器件阈值电压漂移特性的研究J.现代电子技术，2023，46（24）：1923.GaN器件阈值电压漂移特性的研究鲁金科，赵 浩，杜伟兮（三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443000）摘 要：氮化镓（GaN）器件的阈值电压VTH漂移是栅极可靠性问题之一，但常用的栅极电压扫描测试方法复杂，应力长期作用下的VTH漂移特性尚不明确。文中基于恒流注入法测量VTH，设计测量所需的mA级恒流源，使用微处理器采集数据，设计输出幅值可调的驱动电路用于GaN器件栅极加速老化；研究温度和不同类型的栅极电压应力长时间作用时VTH的漂移特性。结果表明：随着器件温度的升高，VTH仅表现出正向漂移，温度由25 增加至125，增量为100 引起的漂移量可达0.22 V；恒压应力下，VTH的漂移方向与应力幅值 VG_Stress有关，3 VVG_Stress5 V时，VTH正漂移，5 VVG_Stress7 V时，VTH负漂移，VG_Stress=7 V时漂移量达到-0.39 V；动态应力下，VTH仅表现出负漂移，较低频率f的应力引起的漂移更为显著，f=100 kHz时的漂移量达到-0.4 V。GaN器件VTH漂移现象显著，因此有必要通过优化芯片设计与制造工艺等手段抑制VTH漂移，提高GaN功率器件栅极可靠性。关键词：氮化镓器件；阈值电压；恒流源；漂移特性；栅极可靠性；恒压应力；动态应力 中图分类号：TN38634 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）24001905Research on threshold voltage drift characteristics of GaN devicesLU Jinke,ZHAO Hao,DU Weixi(College of Electrical Engineering&New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443000,China)Abstract：The threshold voltage VTH drift of gallium nitride(GaN)devices is one of the gate reliability issues.The commonly used gate voltage scanning testing method is complicated and the VTH drift characteristics under stress longterm effects are not yet clear.Based on the constant current injection method for measuring VTH,a mA level constant current source is designed for measurement.A microprocessor is used to collect data,and a driving circuit with adjustable output amplitude is designed for accelerating gate aging of GaN devices.The drift characteristics of VTH are studied when temperature and different types of gate voltage stresses are applied for a long time.The results show that:with the increase of device temperature,VTH only shows positive drift,and the drift caused by a 100 increment from 25 to 125 in temperature can reach 0.22 V;under constant voltage stress,the drift direction of VTH is related to the stress amplitude VG_Stress,and VTH drifts positively when 3 VVG_Stress5 V,negatively when 5 VVG_Stress7 V,and drifts up to-0.39 V at VG_Stress=7 V.VTH only shows negative drift under dynamic stress,and the drift caused by stress at lower frequency f is more significant,reaching-0.4 V at f=100 kHz.GaN device VTH drift phenomenon is significant,so it is necessary to suppress VTH drift by means of optimizing chip design and manufacturing process to improve the gate reliability of GaN power devices.Keywords：gallium nitride devices;threshold voltage;constantcurrent source;drift characteristics;gate reliability;constant pressure stress;dynamic stress收稿日期：20230613 修回日期：202307201919现代电子技术2023年第46卷国内外学者针对 VTH的漂移特性已进行了一些研究。文献79研究了栅极电压应力对 VTH的影响，但通过参数分析仪等设备对器件进行栅极电压扫描获取转移特性曲线，进而提取 VTH，测试过程复杂，不具备在线监测的能力。文献10则通过自制的脉冲测量电路研究栅极电压应力对 VTH的影响，但测试仍通过对栅极进行电压扫描实现，研究中没有考虑温度影响。文献11研究的是温度与栅极偏置共同作用下的VTH漂移，未实现两个因素的解耦。研究中栅极电压应力作用时间普遍较短1213，应力长时间作用对VTH漂移特性的影响尚不明确。基于此，本文采用恒流注入法测量VTH，设计了测量所需恒流源电路和用于实现栅极加速老化的驱动单元，通过微处理器实现数据采集。实验表明，本文方法测试简便，结果准确，系统结构简单、体积小，摆脱了对测试设备的依赖，具有实现在线监测的潜力。其次，基于所设计的测试系统研究了温度和不同类型的栅极电压应力长时间作用对VTH漂移特性的影响。1 被测器件与实验平台1.1 被测器件研究以 GaN Systems公司生产的商用 pGaN HEMT器件为被测器件（Device Under Test,DUT）。所选器件采用 GaNpx嵌入式封装结构，具有低电感、低热阻和封装体积小的优点。器件的关键参数主要包括：额定电压100 V，额定电流 90 A，栅极电压额定摆幅为-107 V，漏极电流为 7 mA 时的阈值电压典型值为 1.7 V。根据上述器件参数，设计了用于测量阈值电压的恒流源和用于加速老化的驱动单元。1.2 测试平台与原理阈值电压测试系统由DUT、驱动单元、微处理器、恒流源 CCS、二极管 D、开关 S1、S2和电阻 R组成，结构示意图如图1a）所示。该系统通过驱动单元向栅极施加应力，微处理器实现阈值电压采集和驱动控制，恒流源提供测量电流，基于二极管D和开关S1、S2组成的时序控制电路实现VTH测量与栅极老化的有序进行。此外，电阻R用于监测恒流源的输出电流，以确保测量条件一致。电路工作时序如图 1b）所示。测量时，开关 S2关断，驱动单元不工作；开关S1闭合，允许恒流源输出注入电路。由于开始时器件处于关断状态，该注入电流首先经开关S1和二极管D给器件栅源极电容充电，栅源极电压逐渐增大；之后器件导通，输入电流停止对栅源极电容的充电，此时栅源极电压将保持不变，注入电流则全部经漏源沟道返回，将此维持不变的栅源极电压作为器件阈值电压。老化时，开关S1关断，阻断恒流源的输入；开关 S2闭合，应力直接施加在栅源极对器件进行老化。老化结束后 S2断开，S1闭合，系统再次进入测量状态。整个测试过程以“测量老化测量”的序列循环进行。图1 阈值电压测试系统结构与工作时序1.3 恒流源设计本文设计了一款 10 mA 的恒流源用于阈值电压测量，电路结构如图2所示。该电路通过负反馈确保输出电流恒定。图2 恒流源电路电路中运算放大器 A1和电阻 R1R4构成差分放大电路，用于输入信号 VREF与反馈信号 VF的差分放大；运算放大器A2、电阻R5、R6以及电容C构成反向积分电路，20第24期通过调节输出电压 uO2实现电流调整；运算放大器 A3和电阻 R7R10也构成差分放大电路，通过获取电阻 RSet上的电压检测输出电流，并将结果反馈至运算放大器 A1进行调节。运算放大器 A3构成的差分放大电路参数对称设计，即满足：R7=R8=R9=R10。在此条件下，根据运算放大器“虚短虚断”的工作特性，电路稳态时具有的关系可表示为：VREF=VF=ISetRSet（1）故输出电流ISet可表示为：ISet=VREFRSet（2）本文中恒流源输出电流ISet设计为10 mA，使用输出3.3 V 的参考电压芯片提供 VREF，保证输出电流的精确性，对应RSet取值为330。1.4 驱动单元设计图 3 所示为驱动单元结构，所用驱动芯片型号为Si8271。图3 驱动单元结构图中VGS,H、VGS,L为驱动电路的两路电压信号，用于偏置器件栅极，使其处于导通或关断状态。这两路输出信号的幅值独立可调，可以满足应力幅值对 VTH漂移特性影响的研究需求。In为驱动单元的控制输入，由微处理器提供，控制驱动单元输出恒压应力或动态应力。2 实验结果2.1 温度对阈值电压的影响GaN器件在电路中一般作为开关元件，开关损耗与工作环境引起的器件温度变化可能会影响阈值电压VTH。本文研究了25125 范围内温度对VTH的影响，测试通过恒温加热台控制 DUT 温度，间隔 1 h 进行 VTH测量，实验结果如图4所示。与 25 时的 VTH相比，温度增加过程中 VTH仅表现出正漂移，温度增加 100 所引起的漂移量|VTH为0.22 V左右。温度由 100 增加至 125 引起的|VTH明显小于前几个阶段，表明 VTH漂移趋势在减弱。可以发现 25 时，VTH较为稳定，基本不随时间变化，其余温度下VTH也仅在前12 h内有几个mV的变化。图4 温度对阈值电压的影响2.2 栅极恒压应力对阈值电压的影响恒压应力是器件加速老化测试中最常用的一种应力形式，此应力作用下器件一直处于导通或关断状态，引起的退化效果相对明显。本文使用恒压应力研究了正栅极电压应力幅值 VG_Stress和作用时间对 VTH的影响。研究中所需恒压应力由驱动单元提供，应力幅值分别为3 V、4 V、5 V、6 V 以及 7 V，作用时间为 12 h，且每隔1 h进行VTH测量。为排除温度变化的影响，测试过程中使用恒温加热台将器件温度控制在25。恒压应力对阈值电压的影响如图5所示。图5 恒压应力VG_Stress对阈值电压的影响由图 5 可知，恒压应力作用下 VTH的漂移方向与应力的幅值有关。3 VVG_Stress5 V 时，VTH正向漂移，漂移量|VTH随VG_Stress增大而减小；当5 VVG_Stress7 V时，VTH负向漂移，|VTH则随VG_Stress增大而增大；VG_Stress=7 V时，|VTH达到最大值，为 0.39 V左右。栅极恒压应力作用时间对 VTH的影响则主要集中在前 1 h，5组测试数据表明 VTH的漂移在第一个小时内随时间增大并达到峰值，后续的 11 个小时中漂移量|VTH基本稳定，可以认为VTH的漂移达到了饱和状态。2.3 栅极动态应力对阈值电压的影响GaN 器件工作时栅极施加的通常为频率较高的动鲁金科，等：GaN器件阈值电压漂移特性的研究21现代电子技术2023年第46卷态方波应力，因此本文还研究了动态应力的频率对器件阈值电压的影响。测试使用的6组动态方波应力，频率依次为 100 kHz、400 kHz、750 kHz、1 MHz、1.2 MHz 和1.5 MHz，同时固定应力幅值为6 V，占空比为 50%，测试过程中仍使用恒温加热台控制器件温度为25。动态应力对阈值电压的影响如图 6 所示。动态应力下 VTH的漂移方向没有随频率 f 改变，仅表现为负漂移。在应力频率 100 kHzf750 kHz时，|VTH随 f增加而减小，f=100 kHz 时，VTH漂移最为显著，达到-0.4 V。值得注意的是，f=1 MHz时，VTH的漂移不再减小，反而有较为明显的增加，|VTH超过了750 kHz时。随着f的进一步增大，VTH的漂移又缓慢减小。动态应力作用时间对 VTH的影响与恒压应力类似，漂移在第一个小时内随时间增大并达到峰值，之后基本处于饱和状态。图6 动态应力的频率对阈值电压的影响3 阈值电压漂移现象分析温度和栅极电压应力引起的VTH漂移现象与栅极堆栈中的电荷存储/释放机制有关14。二维电子气中的部分电子在温度或电场作用下可能溢出 AlGaN势垒层，这部分电子或与非耗尽的 pGaN区域中的空穴发生重组，消耗结构中的正电荷；或被AlGaN势垒层与耗尽的 pGaN区域的陷阱捕获，直接引起结构中负电荷增加15。上述过程使得栅极结构中的正电荷减少，负电荷增加，从而导致了VTH的正漂移。而来自栅极金属的空穴注入向AlGaN势垒层方向移动，在pGaN/AlGaN 界面积累16，引起了栅极结构中的正电荷增加，负电荷减少，导致了VTH的负漂移。简而言之，VTH的漂移方向是由栅极结构中的电子俘获与空穴注入作用共同决定的，电子俘获突出时 VTH正漂移，空穴注入突出时VTH负漂移。温度作用下，器件VTH表现为持续的正漂移，说明温度对电子俘获的促进作用更明显。恒压应力作用下，3 VVG_Stress5 V 时，VTH正漂，5 VVG_Stress7 V时，VTH负漂，说明在恒压应力较小时，栅极结构中的电子捕获现象更为突出，电压增大后空穴注入明显增强，改变了原有的负漂移趋势。但在动态应力作用下，VTH仅表现出负漂移特性，表明这种应力作用下空穴注入作用始终占主导地位。电压幅值和频率不同引起的漂移程度的差异是由电子俘获或空穴注入的强度差异决定的。4 结 论本文使用恒流注入法实现了 GaN器件阈值电压的测量，设计了测量所需的恒流源电路，使用驱动单元实现栅极加速老化，使用微处理器实现数据精确采集，摆脱了传统栅极电压扫描方式测量设备依赖性大的问题，测试方案具有实现在线监测的潜力。基于设计的测试系统研究了温度和不同类型的栅极电压应力长期作用时的阈值电压漂移特性。实验结果表明，温度作用主要引起阈值电压的正漂移；栅极恒压应力引起的阈值电压漂移存在正负两个方向，与应力的幅值有关；动态应力下的阈值电压仅表现出负漂移；阈值电压漂移在栅极电压应力作用的第一个小时中随时间增加并达到峰值，之后基本饱和。该研究对了解 pGaN HEMT 器件的栅极特性具有参考价值，对进一步提高GaN器件的栅极可靠性具有指导意义。注：本文通讯作者为鲁金科。参考文献1 高圣伟，贺琛.基于 PFM 控制的高效 GaN 全桥 LLC 谐振变换器设计J.现代电子技术，2021，44（2）：2732.2 YANG F,XU C,AKIN B.Characterization of threshold voltage instability under offstate drain stress and its impact on pGaN HEMT performance J.IEEE journal of emerging and selected topics in power electronics,2020,9(4):40264035.3 秦海鸿，荀倩，张英，等.氮化镓电力电子器件原理与应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2020.4 杨凯.开态应力下P型栅GaN HEMTs可靠性研究D.成都：电子科技大学，2022.5 TALLARICO A N,STOFFELS S,POSTHUMA N,et al.Threshold voltage instability in GaN HEMTs with ptype gate:Mg doping compensation J.IEEE electron device letters,2019,40(4):518521.6 SAYADI L,IANNACCONE G,SICRE S,et al.Threshold voltage instability in pGaN gate AlGaN/GaN HFETs J.IEEE 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