摘" 要： 氮化鎵（GaN）功率器件長(zhǎng)期在高功率密度工況下運(yùn)行，其柵極可靠性一直是關(guān)注的重點(diǎn)，柵極的退化會(huì)造成器件誤導(dǎo)通以及導(dǎo)通損耗增加等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)直流功率循環(huán)裝置，通過(guò)功率循環(huán)的方式加速器件老化。同時(shí)為了評(píng)估柵極可靠性，采用與柵極緊密相關(guān)的閾值電壓（VTH）以及柵極電容（CGS）作為特征參量，設(shè)計(jì)VTH與CGS監(jiān)測(cè)電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了器件柵極的溫度特性、恢復(fù)特性以及在100 000次功率循環(huán)后的退化情況。結(jié)果表明，隨著溫度的增加，VTH正向漂移，漂移量超過(guò)10%，CGS則與溫度解耦保持不變。器件在功率循環(huán)后VTH存在恢復(fù)現(xiàn)象，前10 min恢復(fù)超過(guò)70%，在3 h后保持穩(wěn)定，CGS不存在恢復(fù)特性。所選兩款GaN在100 000次功率循環(huán)后特征參量發(fā)生不同程度的變化，表明器件柵極在功率循環(huán)后發(fā)生了一定程度的退化。因此，有必要在設(shè)計(jì)器件及應(yīng)用時(shí)考慮溫度及熱應(yīng)力沖擊所造成的柵極性能退化，優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝以提高GaN器件的可靠性。

關(guān)鍵詞： GaN器件； 柵極可靠性； 功率循環(huán)； 閾值電壓； 柵極電容； 加速老化

中圖分類號(hào)： TN386?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2025）02?0041?05

Research on GaN device gate reliability under power cycling

GUO Shilong， XUE Bingjun， YAN Yanjin， WANG Wentao

（College of Electrical and New Energy， China Three Gorges University， Yichang 443000， China）

Abstract： Gallium nitride （GaN） power devices have been operating under high power density conditions for a long time， and the reliability of their gates has always been the focus of attention， and the degradation of the gates can cause problems such as device mis?conduction and increased conduction loss. A DC power cycling device is designed to accelerate the device aging by means of power cycling. In order to evaluate the reliability of the gate， the threshold voltage （VTH） and the gate capacitance （CGS） are used as the characteristic parameters to design the VTH and CGS monitoring circuits. The temperature characteristics， recovery characteristics， and the degradation of the gate after 100 000 power cycles are investigated experimentally. The results indicate that， as the temperature increases， VTH can drift forward， with a drift amount exceeding 10%， while CGS can remain decoupled from temperature and remains unchanged. After the power cycle， the VTH of the device can recover more than 70% in the first 10 min， and can remain stable after 3 h. CGS do not have recovery characteristics. The characteristic parameters of the two selected GaNs can change in different degrees after 100 000 power cycles， which indicates that the gate can degenerate to some extent after the power cycle. Therefore， it is necessary to consider the degradation of gate performance caused by temperature and thermal stress impacts when designing devices and applications， and optimize the design process to improve the reliability of GaN devices.

Keywords： GaN device; gate reliability; power cycling; threshold voltage; gate capacitance; accelerated aging

0" 引" 言

當(dāng)前硅（Si）基半導(dǎo)體器件性能已經(jīng)逼近其物理材料的極限，愈發(fā)難以滿足電力電子設(shè)備的發(fā)展需求。與硅基器件相比，GaN器件具有擊穿電壓高、熱穩(wěn)定性好、功率損耗低和開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)[1?2]，已被廣泛應(yīng)用于航天航空、新能源汽車、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域。但目前以增強(qiáng)型為主的GaN器件存在閾值電壓漂移和柵極電容變化等柵極可靠性問(wèn)題，限制了該器件的安全長(zhǎng)期應(yīng)用。器件工作需要承受高電壓和大電流應(yīng)力，工作頻率會(huì)高達(dá)幾百kHz甚至數(shù)MHz，在這種高功率密度工況下，器件會(huì)反復(fù)承受交變熱應(yīng)力沖擊，這會(huì)對(duì)器件柵極可靠性產(chǎn)生較大影響。

GaN器件柵極退化可能導(dǎo)致閾值電壓漂移和柵極電容退化等問(wèn)題。閾值電壓正漂會(huì)增大導(dǎo)通電阻，造成更大的開(kāi)關(guān)損耗；負(fù)漂則易造成器件誤導(dǎo)通，給設(shè)備帶來(lái)安全隱患[3?4]。柵極電容的變化會(huì)對(duì)器件的開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度造成影響，因此，研究功率循環(huán)加速老化下的柵極退化現(xiàn)象，對(duì)于了解柵極參數(shù)變化特性和器件可靠性具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)GaN器件的柵極可靠性已進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)[5]研究了p?GaN由長(zhǎng)期正向柵極應(yīng)力引起的柵極退化，隨著柵極應(yīng)力作用時(shí)間增加，會(huì)導(dǎo)致柵極擊穿。文獻(xiàn)[6]通過(guò)高溫環(huán)境下的柵極應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了溫度與柵極電壓偏置是影響器件柵極擊穿的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果表明，柵極電容在電壓應(yīng)力下具有明顯的變化現(xiàn)象，但是大部分只考慮了電壓應(yīng)力對(duì)柵極的影響，忽略了熱應(yīng)力。功率循環(huán)是施加熱應(yīng)力的常見(jiàn)方式，文獻(xiàn)[8]通過(guò)大電流注入進(jìn)行分時(shí)老化，研究了在直流功率循環(huán)下p?GaN的退化情況。文獻(xiàn)[9]在器件導(dǎo)通時(shí)注入不同等級(jí)電流進(jìn)行功率循環(huán)，探究不同電流及循環(huán)溫度下的退化結(jié)果。以上加速老化方案只能實(shí)現(xiàn)大電流下單個(gè)器件老化，效率低下。

基于以上研究，本文提出了一種高效率直流功率循環(huán)電路，通過(guò)對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行功率循環(huán)老化，探究在交變熱應(yīng)力作用下GaN柵極的退化情況。同時(shí)對(duì)于電參量的監(jiān)測(cè)不再依賴于半導(dǎo)體分析儀等昂貴設(shè)備，而是采用恒流注入法測(cè)量閾值電壓與柵極電容。

1" 功率循環(huán)平臺(tái)

1.1" 被測(cè)器件選擇

本文選用GaN System公司生產(chǎn)的GS61008P、GS61004B兩款商用100 V GaN作為被測(cè)器件（Device Under Test， DUT）。器件采用GaNpx嵌入式封裝結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鍵合線工藝相比，其沒(méi)有引線和芯片的鏈接，也就避免了封裝方面的常見(jiàn)故障，包括鍵合線斷裂、封裝焊料層分層等。其中GS61008P有開(kāi)爾文源極（Kelvin?Source），起到了增加開(kāi)關(guān)導(dǎo)通速度、減小開(kāi)關(guān)損耗的作用。

1.2" 功率循環(huán)電路及原理

功率循環(huán)測(cè)試通常用于加速老化，通過(guò)結(jié)溫波動(dòng)、剪切應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)不匹配等問(wèn)題觸發(fā)各種故障機(jī)制[10]。

本文所搭建的功率循環(huán)電路框圖如圖1所示。該電路由恒壓源、DUT、反饋控制電路、熱電偶以及采樣電阻Rf等組成，其中器件加熱所需的功率由恒壓源提供。此裝置中各個(gè)DUT相互獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)小電流下DUT的同時(shí)老化，具有高效率及可擴(kuò)展性。

反饋控制電路框圖如圖2所示，由儀表放大器和運(yùn)算放大器構(gòu)成。通過(guò)積分電路調(diào)節(jié)柵源極電壓VGS，此時(shí)GaN的溝道電阻僅受VGS控制，DS間相當(dāng)于一個(gè)受電壓VGS控制的可變電阻。采集Rf兩端的電壓，經(jīng)放大后輸入給積分電路調(diào)節(jié)DUT的VGS，從而調(diào)節(jié)ISet。當(dāng)ISet調(diào)節(jié)到設(shè)定值，VGS保持穩(wěn)定。

加熱電流ISet可表示為：

[ISet=VREFRf·G] （1）

式中：[VREF]是參考電壓；[Rf]是采樣電阻；G是儀表運(yùn)放的放大倍數(shù)。

熱電偶貼于器件下表面采集DUT殼溫，通過(guò)殼溫來(lái)控制器件加熱或冷卻。被測(cè)器件溫度波動(dòng)與負(fù)載電流導(dǎo)通時(shí)序圖如圖3所示。

2" 測(cè)試平臺(tái)及原理

目前，GaN可靠性研究中的參數(shù)測(cè)量過(guò)度依賴于半導(dǎo)體分析儀等大型設(shè)備，成本高昂且體積巨大。本文針對(duì)柵極電參量，采用恒流注入法分別設(shè)計(jì)了閾值電壓與柵極電容測(cè)量電路。

2.1" 閾值電壓測(cè)量電路及原理

閾值電壓（VTH）測(cè)量電路如圖4a）所示，由被測(cè)器件DUT、恒流源、二極管D1和D2、采樣電阻R1、開(kāi)關(guān)管S1和S2以及微處理器MCU等構(gòu)成。該系統(tǒng)通過(guò)恒流源注入電流實(shí)現(xiàn)VTH測(cè)量。MCU負(fù)責(zé)VTH采集和電路工作時(shí)序控制，電阻R1用于驗(yàn)證恒流源大小是否與設(shè)定一致。

測(cè)量時(shí)，導(dǎo)通S1、S2，恒流源輸出電流經(jīng)過(guò)S1、S2和D1、D2給DUT柵極電容充電。VGS充電波形如圖4b）所示，柵極電壓在電流注入下逐漸增大，當(dāng)柵極電壓增大到VTH時(shí)DUT導(dǎo)通，輸入電流通過(guò)DUT漏源溝道流過(guò)，此時(shí)柵極電壓將會(huì)維持不變，采集該電壓值作為VTH。

2.2" 柵極電容測(cè)量電路及原理

柵極電容（CGS）測(cè)量電路系統(tǒng)框圖如圖5所示，包括恒微電流源、信號(hào)比較單元、信號(hào)運(yùn)算單元、微處理器、GaN功率器件和隔離電源單元。由電容的電壓、電流約束關(guān)系可得式（2），可知在恒流源I作用下只要確定電容電壓變化范圍ΔuC及對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間Δt，即可推出電容值。

[C=IdtduC=IΔtΔuC] （2）

由于GaN器件的CGS為pF級(jí)，充電電流取值過(guò)大可能難以監(jiān)測(cè)出CGS的微小變化，為此，本文選擇μA級(jí)恒流源對(duì)CGS充電。

3" 實(shí)驗(yàn)分析

3.1" 溫度對(duì)閾值電壓與柵極電容的影響

GaN器件常工作于高功率密度場(chǎng)合，溫度波動(dòng)大，可能會(huì)對(duì)器件柵極特性造成影響。本文研究了VTH和CGS在30～120 ℃內(nèi)的溫度特性。通過(guò)加熱臺(tái)控制DUT溫度，待器件達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。隨著溫度增加，VTH呈現(xiàn)正向漂移。研究中4個(gè)被測(cè)器件VTH分別正向漂移了9.88%、12.77%、11.99%、12.21%；對(duì)于CGS，在30～120 ℃內(nèi)不隨溫度變化，電容值與溫度無(wú)關(guān)。

VTH的變化與p?GaN層中的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)及柵極堆疊中的電荷捕獲過(guò)程有關(guān)[11]。二維電子氣（2DEG）中的載流子在熱激發(fā)下溢出AlGaN勢(shì)壘層，與p?GaN中的空穴結(jié)合，或被AlGaN與p?GaN界面處產(chǎn)生的缺陷所捕獲，從而引起凈負(fù)電荷增加，使得柵氧化層內(nèi)原有的電場(chǎng)減弱，導(dǎo)致VTH正偏[12]。

3.2" 閾值電壓與柵極電容的恢復(fù)特性

由上述GaN器件的溫度特性研究可知，溫度對(duì)VTH是有影響的，所以需要明確VTH和CGS在功率循環(huán)后是否存在漂移恢復(fù)現(xiàn)象。本文首先對(duì)DUT進(jìn)行2 000次功率循環(huán)，待DUT恢復(fù)室溫后測(cè)量VTH與CGS，恢復(fù)特性曲線如圖7所示。由圖7可知，4個(gè)DUT的VTH均存在明顯恢復(fù)現(xiàn)象，分別恢復(fù)了144 mV、142 mV、87 mV、83 mV，其中前10 min恢復(fù)超過(guò)70%，在3 h后基本保持穩(wěn)定。CGS循環(huán)后的值不隨著時(shí)間而恢復(fù)。

VTH的恢復(fù)現(xiàn)象表明存在載流子的去捕獲過(guò)程。功率循環(huán)過(guò)程中存在熱激發(fā)效應(yīng)，形成陷阱態(tài)，導(dǎo)致載流子在其中積累[13]；功率循環(huán)結(jié)束后，這些電荷逐漸被釋放，從而表現(xiàn)出VTH的恢復(fù)現(xiàn)象。

3.3" 功率循環(huán)下閾值電壓與柵極電容的退化特性

搭建的GaN功率循環(huán)及測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖如圖8所示。通過(guò)兩款器件數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型（Cauer模型）和最大結(jié)溫，確定功率循環(huán)的殼溫波動(dòng)范圍為35～120 ℃。本文對(duì)兩款GaN進(jìn)行100 000次功率循環(huán)，探究其柵極特性退化情況，每循環(huán)10 000次后測(cè)量VTH和CGS。由于閾值電壓存在恢復(fù)特性，每次測(cè)量前使器件靜置12 h，減小因恢復(fù)特性而帶來(lái)的誤差。柵極電參量退化曲線見(jiàn)圖9。

在交變熱應(yīng)力沖擊下，兩款GaN器件柵極出現(xiàn)了不同程度的退化。兩個(gè)GS61004B器件分別在70 000、90 000次時(shí)發(fā)生了較為明顯的退化，VTH與CGS呈現(xiàn)不同程度的陡降且不存在恢復(fù)。GS61004B1的VTH下降11.68%，CGS下降46%，GS61004B2的VTH下降33.56%，CGS下降44%，其中GS61004B2的VTH下降超過(guò)失效標(biāo)準(zhǔn)[14]20%，認(rèn)為器件失效停止老化；VTH與CGS的同時(shí)陡降說(shuō)明被測(cè)器件發(fā)生了不可逆的退化，器件隨時(shí)有損壞風(fēng)險(xiǎn)。2個(gè)GS61008P器件的VTH也呈下降趨勢(shì)，但程度較小，分別下降2.5%、2.8%，CGS則保持穩(wěn)定。100 000次功率循環(huán)后GS61008P沒(méi)有發(fā)生明顯老化，其VTH的下降可能是由于柵極內(nèi)的可移動(dòng)電子受交變熱應(yīng)力影響，在空間位置上發(fā)生漂移，使得柵氧化層內(nèi)原有的內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，造成了閾值電壓的負(fù)方向漂移。

4" 結(jié)" 論

本文設(shè)計(jì)了一種高效率直流功率循環(huán)電路以及采用恒流注入的VTH與CGS測(cè)量電路?；谠O(shè)計(jì)的功率循環(huán)及測(cè)量平臺(tái)，研究了兩款GaN器件在功率循環(huán)下的柵極可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度增加會(huì)引起VTH正向漂移，CGS則不隨溫度變化。功率循環(huán)中會(huì)因?yàn)榇嬖跓峒ぐl(fā)效應(yīng)而造成VTH短暫正向漂移，之后隨著載流子的去捕獲過(guò)程出現(xiàn)恢復(fù)現(xiàn)象。功率循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明，柵極會(huì)因交變熱應(yīng)力沖擊發(fā)生一定程度的退化，研究中GS61004B的VTH與CGS都表現(xiàn)出不可逆的明顯變化，說(shuō)明器件柵極可能發(fā)生了較大程度的退化，增加了器件損壞風(fēng)險(xiǎn)，從而使得整個(gè)電路都會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。本文研究有助于更好地了解和預(yù)測(cè)GaN器件柵極在應(yīng)用中的老化行為，為其可靠性評(píng)估提供依據(jù)。

注：本文通訊作者為郭世龍。

參考文獻(xiàn)

[1] KOZAK J P， ZHANG R， PORTER M， et al. Stability， reliability， and robustness of GaN power devices： a review [J]. IEEE transactions on power electronics， 2023， 38（7）： 8442?8471.

[2] NAUTIYAL P， PANDE P， KUNDU V S， et al. Trap?assisted degradation mechanisms in E?mode p?GaN power HEMT： a review [J]. Microelectronics reliability， 2022， 139： 114800.

[3] TALLARICO A N， STOFFELS S， POSTHUMA N， et al. Threshold voltage instability in GaN HEMTs with p?Type gate： Mg doping compensation [J]. IEEE electron device letters， 2019， 40（4）： 518?521.

[4] WU H， FU X， GUO J， et al. Time?resolved threshold voltage instability of 650?V schottky type p?GaN gate HEMT under temperature?dependent forward and reverse gate bias conditions [J]. IEEE transactions on electron devices， 2022， 69（2）： 531?535.

[5] TALLARICO A N， STOFFELS S， POSTHUMA N， et al. Gate reliability of p?GaN HEMT with gate metal retraction [J]. IEEE transactions on electron devices， 2019， 66（11）： 4829?4835.

[6] MILLESIMO M， FIEGNA C， POSTHUMA N， et al. High?temperature time?dependent gate breakdown of p?GaN HEMTs [J]. IEEE transactions on electron devices， 2021， 68（11）： 5701?5706.

[7] LAI Y C， ZHONG Y N， TSAI M Y， et al. Gate capacitance and off?state characteristics of E?Mode p?GaN gate AlGaN/GaN high?electron?mobility transistors after gate stress bias [J]. Journal of electronic materials， 2021， 50（3）： 1162?1166.

[8] XU C， UGUR E， YANG F， et al. Investigation of performance degradation in enhancement?mode GaN HEMTs under accelerated aging [C]// Proceedings of the 2018 IEEE 6th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications. Atlanta， GA， USA： IEEE， 2018： 98?102.

[9] NAYDIN Y， JAHDI S， YU R， et al. Electrothermal power cycling of GaN and SiC cascode devices [J]. Microelectronics reliability， 2023， 150： 115117.

[10] 唐伯晗.GaN HEMT功率循環(huán)參數(shù)退化的測(cè)量與分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2019.

[11] ZHONG K， XU H， ZHENG Z， et al. Characterization of dynamic threshold voltage in schottky?type p?GaN gate HEMT under high?frequency switching [J]. IEEE electronic device letters， 2021， 42（4）： 501?504.

[12] WEI J， XIE R， XU H， et al. Charge storage mechanism of drain induced dynamic threshold voltage shift in p?GaN gate HEMTs [J]. IEEE electron device letters， 2019， 40（4）： 526?529.

[13] 維哲，周琦，陳佳瑞，等.自熱效應(yīng)下P?GaN HEMT的閾值漂移機(jī)理[J].電子與封裝，2022，22（8）：68?73.

[14] EMPIAK C， LINDEMANN A. A method for the measurement of the threshold?voltage shift of SiC MOSFETs during power cycling tests [J]. IEEE transactions on power electronics， 2021， 36（6）： 6203?6207.