GaN器件阈值电压漂移特性的研究.pdf
《GaN器件阈值电压漂移特性的研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《GaN器件阈值电压漂移特性的研究.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、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
2、,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
3、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-
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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 negati
9、ve 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 r
10、eliability 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
11、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
12、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
13、、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
14、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
15、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R
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- GaN 器件 阈值 电压 漂移 特性 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。