魯金科， 趙 浩， 杜偉兮

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443000）

0 引 言

GaN 器件具有開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小、功率密度大等優(yōu)勢(shì)，已應(yīng)用于消費(fèi)電子、新能源汽車和航空航天等領(lǐng)域[1-2]。目前實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN 器件的主要方式有凹槽柵技術(shù)、氟離子注入技術(shù)、Cascode 技術(shù)和p-GaN 柵技術(shù)[3]。其中采用p-GaN 柵技術(shù)的器件具有較大的閾值電壓VTH和飽和電流[4]，且導(dǎo)通電阻小，較好地實(shí)現(xiàn)了器件性能、可靠性和生產(chǎn)成本之間的平衡，已成為實(shí)現(xiàn)商用增強(qiáng)型GaN 器件的主要形式[5]。但p-GaN 層的電勢(shì)易受電荷運(yùn)動(dòng)影響，導(dǎo)致器件VTH的漂移，帶來(lái)了柵極可靠性問(wèn)題。VTH的負(fù)漂移易引起器件誤導(dǎo)通，正漂移則會(huì)增大導(dǎo)通電阻和開(kāi)通時(shí)間，引起開(kāi)關(guān)損耗增加，給設(shè)備的安全高效運(yùn)行帶來(lái)潛在威脅[6]。因此，研究VTH漂移現(xiàn)象對(duì)深入了解GaN 器件的特性和提高柵極可靠性具有重要指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)VTH的漂移特性已進(jìn)行了一些研究。

文獻(xiàn)[7-9]研究了柵極電壓應(yīng)力對(duì)VTH的影響，但通過(guò)參數(shù)分析儀等設(shè)備對(duì)器件進(jìn)行柵極電壓掃描獲取轉(zhuǎn)移特性曲線，進(jìn)而提取VTH，測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，不具備在線監(jiān)測(cè)的能力。

文獻(xiàn)[10]則通過(guò)自制的脈沖測(cè)量電路研究柵極電壓應(yīng)力對(duì)VTH的影響，但測(cè)試仍通過(guò)對(duì)柵極進(jìn)行電壓掃描實(shí)現(xiàn)，研究中沒(méi)有考慮溫度影響。

文獻(xiàn)[11]研究的是溫度與柵極偏置共同作用下的VTH漂移，未實(shí)現(xiàn)兩個(gè)因素的解耦。研究中柵極電壓應(yīng)力作用時(shí)間普遍較短[12-13]，應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用對(duì)VTH漂移特性的影響尚不明確。

基于此，本文采用恒流注入法測(cè)量VTH，設(shè)計(jì)了測(cè)量所需恒流源電路和用于實(shí)現(xiàn)柵極加速老化的驅(qū)動(dòng)單元，通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)表明，本文方法測(cè)試簡(jiǎn)便，結(jié)果準(zhǔn)確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，擺脫了對(duì)測(cè)試設(shè)備的依賴，具有實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的潛力。其次，基于所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)研究了溫度和不同類型的柵極電壓應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用對(duì)VTH漂移特性的影響。

1 被測(cè)器件與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 被測(cè)器件

研究以GaN Systems 公司生產(chǎn)的商用p-GaN HEMT器件為被測(cè)器件（Device Under Test, DUT）。所選器件采用GaNpx 嵌入式封裝結(jié)構(gòu)，具有低電感、低熱阻和封裝體積小的優(yōu)點(diǎn)。器件的關(guān)鍵參數(shù)主要包括：額定電壓100 V，額定電流90 A，柵極電壓額定擺幅為-10～7 V，漏極電流為7 mA 時(shí)的閾值電壓典型值為1.7 V。根據(jù)上述器件參數(shù)，設(shè)計(jì)了用于測(cè)量閾值電壓的恒流源和用于加速老化的驅(qū)動(dòng)單元。

1.2 測(cè)試平臺(tái)與原理

閾值電壓測(cè)試系統(tǒng)由DUT、驅(qū)動(dòng)單元、微處理器、恒流源CCS、二極管D、開(kāi)關(guān)S1、S2和電阻R組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a）所示。

圖1 閾值電壓測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作時(shí)序

該系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元向柵極施加應(yīng)力，微處理器實(shí)現(xiàn)閾值電壓采集和驅(qū)動(dòng)控制，恒流源提供測(cè)量電流，基于二極管D 和開(kāi)關(guān)S1、S2組成的時(shí)序控制電路實(shí)現(xiàn)VTH測(cè)量與柵極老化的有序進(jìn)行。此外，電阻R用于監(jiān)測(cè)恒流源的輸出電流，以確保測(cè)量條件一致。

電路工作時(shí)序如圖1b）所示。測(cè)量時(shí)，開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)單元不工作；開(kāi)關(guān)S1閉合，允許恒流源輸出注入電路。由于開(kāi)始時(shí)器件處于關(guān)斷狀態(tài)，該注入電流首先經(jīng)開(kāi)關(guān)S1和二極管D 給器件柵源極電容充電，柵源極電壓逐漸增大；之后器件導(dǎo)通，輸入電流停止對(duì)柵源極電容的充電，此時(shí)柵源極電壓將保持不變，注入電流則全部經(jīng)漏源溝道返回，將此維持不變的柵源極電壓作為器件閾值電壓。老化時(shí)，開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，阻斷恒流源的輸入；開(kāi)關(guān)S2閉合，應(yīng)力直接施加在柵源極對(duì)器件進(jìn)行老化。老化結(jié)束后S2斷開(kāi)，S1閉合，系統(tǒng)再次進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。整個(gè)測(cè)試過(guò)程以“測(cè)量-老化-測(cè)量”的序列循環(huán)進(jìn)行。

1.3 恒流源設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款10 mA 的恒流源用于閾值電壓測(cè)量，電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該電路通過(guò)負(fù)反饋確保輸出電流恒定。

圖2 恒流源電路

電路中運(yùn)算放大器A1和電阻R1～R4構(gòu)成差分放大電路，用于輸入信號(hào)VREF與反饋信號(hào)VF的差分放大；運(yùn)算放大器A2、電阻R5、R6以及電容C構(gòu)成反向積分電路，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓uO2實(shí)現(xiàn)電流調(diào)整；運(yùn)算放大器A3和電阻R7～R10也構(gòu)成差分放大電路，通過(guò)獲取電阻RSet上的電壓檢測(cè)輸出電流，并將結(jié)果反饋至運(yùn)算放大器A1進(jìn)行調(diào)節(jié)。

運(yùn)算放大器A3構(gòu)成的差分放大電路參數(shù)對(duì)稱設(shè)計(jì)，即滿足：R7=R8=R9=R10。在此條件下，根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短虛斷”的工作特性，電路穩(wěn)態(tài)時(shí)具有的關(guān)系可表示為：

故輸出電流ISet可表示為：

本文中恒流源輸出電流ISet設(shè)計(jì)為10 mA，使用輸出3.3 V 的參考電壓芯片提供VREF，保證輸出電流的精確性，對(duì)應(yīng)RSet取值為330 Ω。

1.4 驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

圖3 所示為驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)，所用驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為Si8271。

圖3 驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)

圖中VGS,H、VGS,L為驅(qū)動(dòng)電路的兩路電壓信號(hào)，用于偏置器件柵極，使其處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)。這兩路輸出信號(hào)的幅值獨(dú)立可調(diào)，可以滿足應(yīng)力幅值對(duì)VTH漂移特性影響的研究需求。In 為驅(qū)動(dòng)單元的控制輸入，由微處理器提供，控制驅(qū)動(dòng)單元輸出恒壓應(yīng)力或動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 溫度對(duì)閾值電壓的影響

GaN 器件在電路中一般作為開(kāi)關(guān)元件，開(kāi)關(guān)損耗與工作環(huán)境引起的器件溫度變化可能會(huì)影響閾值電壓VTH。本文研究了25～125 ℃范圍內(nèi)溫度對(duì)VTH的影響，測(cè)試通過(guò)恒溫加熱臺(tái)控制DUT 溫度，間隔1 h 進(jìn)行VTH測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 溫度對(duì)閾值電壓的影響

與25 ℃時(shí)的VTH相比，溫度增加過(guò)程中VTH僅表現(xiàn)出正漂移，溫度增加100 ℃所引起的漂移量| ΔVTH|為0.22 V 左右。溫度由100 ℃增加至125 ℃引起的| ΔVTH|明顯小于前幾個(gè)階段，表明VTH漂移趨勢(shì)在減弱?？梢园l(fā)現(xiàn)25 ℃時(shí)，VTH較為穩(wěn)定，基本不隨時(shí)間變化，其余溫度下VTH也僅在前1～2 h 內(nèi)有幾個(gè)mV 的變化。

2.2 柵極恒壓應(yīng)力對(duì)閾值電壓的影響

恒壓應(yīng)力是器件加速老化測(cè)試中最常用的一種應(yīng)力形式，此應(yīng)力作用下器件一直處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)，引起的退化效果相對(duì)明顯。本文使用恒壓應(yīng)力研究了正柵極電壓應(yīng)力幅值VG_Stress和作用時(shí)間對(duì)VTH的影響。研究中所需恒壓應(yīng)力由驅(qū)動(dòng)單元提供，應(yīng)力幅值分別為3 V、4 V、5 V、6 V 以及7 V，作用時(shí)間為12 h，且每隔1 h 進(jìn)行VTH測(cè)量。為排除溫度變化的影響，測(cè)試過(guò)程中使用恒溫加熱臺(tái)將器件溫度控制在25 ℃。恒壓應(yīng)力對(duì)閾值電壓的影響如圖5 所示。

圖5 恒壓應(yīng)力VG_Stress對(duì)閾值電壓的影響

由圖5 可知，恒壓應(yīng)力作用下VTH的漂移方向與應(yīng)力的幅值有關(guān)。3 V≤VG_Stress＜5 V 時(shí)，VTH正向漂移，漂移量| ΔVTH|隨VG_Stress增大而減??；當(dāng)5 V≤VG_Stress＜7 V 時(shí)，VTH負(fù)向漂移，| ΔVTH|則隨VG_Stress增大而增大；VG_Stress=7 V 時(shí)，|ΔVTH|達(dá)到最大值，為0.39 V 左右。柵極恒壓應(yīng)力作用時(shí)間對(duì)VTH的影響則主要集中在前1 h，5 組測(cè)試數(shù)據(jù)表明VTH的漂移在第一個(gè)小時(shí)內(nèi)隨時(shí)間增大并達(dá)到峰值，后續(xù)的11 個(gè)小時(shí)中漂移量| ΔVTH|基本穩(wěn)定，可以認(rèn)為VTH的漂移達(dá)到了飽和狀態(tài)。

2.3 柵極動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)閾值電壓的影響

GaN 器件工作時(shí)柵極施加的通常為頻率較高的動(dòng)態(tài)方波應(yīng)力，因此本文還研究了動(dòng)態(tài)應(yīng)力的頻率對(duì)器件閾值電壓的影響。測(cè)試使用的6 組動(dòng)態(tài)方波應(yīng)力，頻率依次為100 kHz、400 kHz、750 kHz、1 MHz、1.2 MHz 和1.5 MHz，同時(shí)固定應(yīng)力幅值為±6 V，占空比為50%，測(cè)試過(guò)程中仍使用恒溫加熱臺(tái)控制器件溫度為25 ℃。

動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)閾值電壓的影響如圖6 所示。動(dòng)態(tài)應(yīng)力下VTH的漂移方向沒(méi)有隨頻率f改變，僅表現(xiàn)為負(fù)漂移。在應(yīng)力頻率100 kHz≤f≤750 kHz 時(shí)，| |ΔVTH隨f增加而減小，f=100 kHz 時(shí)，VTH漂移最為顯著，達(dá)到-0.4 V。值得注意的是，f=1 MHz 時(shí)，VTH的漂移不再減小，反而有較為明顯的增加，| |ΔVTH超過(guò)了750 kHz 時(shí)。隨著f的進(jìn)一步增大，VTH的漂移又緩慢減小。動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用時(shí)間對(duì)VTH的影響與恒壓應(yīng)力類似，漂移在第一個(gè)小時(shí)內(nèi)隨時(shí)間增大并達(dá)到峰值，之后基本處于飽和狀態(tài)。

圖6 動(dòng)態(tài)應(yīng)力的頻率對(duì)閾值電壓的影響

3 閾值電壓漂移現(xiàn)象分析

溫度和柵極電壓應(yīng)力引起的VTH漂移現(xiàn)象與柵極堆棧中的電荷存儲(chǔ)/釋放機(jī)制有關(guān)[14]。

二維電子氣中的部分電子在溫度或電場(chǎng)作用下可能溢出AlGaN 勢(shì)壘層，這部分電子或與非耗盡的p-GaN區(qū)域中的空穴發(fā)生重組，消耗結(jié)構(gòu)中的正電荷；或被AlGaN 勢(shì)壘層與耗盡的p-GaN 區(qū)域的陷阱捕獲，直接引起結(jié)構(gòu)中負(fù)電荷增加[15]。上述過(guò)程使得柵極結(jié)構(gòu)中的正電荷減少，負(fù)電荷增加，從而導(dǎo)致了VTH的正漂移。而來(lái)自柵極金屬的空穴注入向AlGaN 勢(shì)壘層方向移動(dòng)，在p-GaN/AlGaN 界面積累[16]，引起了柵極結(jié)構(gòu)中的正電荷增加，負(fù)電荷減少，導(dǎo)致了VTH的負(fù)漂移。

簡(jiǎn)而言之，VTH的漂移方向是由柵極結(jié)構(gòu)中的電子俘獲與空穴注入作用共同決定的，電子俘獲突出時(shí)VTH正漂移，空穴注入突出時(shí)VTH負(fù)漂移。溫度作用下，器件VTH表現(xiàn)為持續(xù)的正漂移，說(shuō)明溫度對(duì)電子俘獲的促進(jìn)作用更明顯。恒壓應(yīng)力作用下，3 V≤VG_Stress＜5 V 時(shí)，VTH正漂，5 V≤VG_Stress≤7 V 時(shí)，VTH負(fù)漂，說(shuō)明在恒壓應(yīng)力較小時(shí)，柵極結(jié)構(gòu)中的電子捕獲現(xiàn)象更為突出，電壓增大后空穴注入明顯增強(qiáng)，改變了原有的負(fù)漂移趨勢(shì)。但在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下，VTH僅表現(xiàn)出負(fù)漂移特性，表明這種應(yīng)力作用下空穴注入作用始終占主導(dǎo)地位。電壓幅值和頻率不同引起的漂移程度的差異是由電子俘獲或空穴注入的強(qiáng)度差異決定的。

4 結(jié) 論

本文使用恒流注入法實(shí)現(xiàn)了GaN 器件閾值電壓的測(cè)量，設(shè)計(jì)了測(cè)量所需的恒流源電路，使用驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)柵極加速老化，使用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精確采集，擺脫了傳統(tǒng)柵極電壓掃描方式測(cè)量設(shè)備依賴性大的問(wèn)題，測(cè)試方案具有實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的潛力?；谠O(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)研究了溫度和不同類型的柵極電壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用時(shí)的閾值電壓漂移特性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度作用主要引起閾值電壓的正漂移；柵極恒壓應(yīng)力引起的閾值電壓漂移存在正負(fù)兩個(gè)方向，與應(yīng)力的幅值有關(guān)；動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的閾值電壓僅表現(xiàn)出負(fù)漂移；閾值電壓漂移在柵極電壓應(yīng)力作用的第一個(gè)小時(shí)中隨時(shí)間增加并達(dá)到峰值，之后基本飽和。

該研究對(duì)了解p-GaN HEMT 器件的柵極特性具有參考價(jià)值，對(duì)進(jìn)一步提高GaN 器件的柵極可靠性具有指導(dǎo)意義。

注：本文通訊作者為魯金科。