功率循環(huán)下GaN器件柵極可靠性研究

摘" 要： 氮化鎵（GaN）功率器件長期在高功率密度工況下運行，其柵極可靠性一直是關(guān)注的重點，柵極的退化會造成器件誤導(dǎo)通以及導(dǎo)通損耗增加等問題。為此，設(shè)計一個直流功率循環(huán)裝置，通過功率循環(huán)的方式加速器件老化。同時為了評估柵極可靠性，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VTH與CGS監(jiān)測電路。通過實驗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)計器件及應(yīng)用時考慮溫度及熱應(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： TN386?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 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、功率損耗低和開關(guān)速度快等優(yōu)點[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題，限制了該器件的安全長期應(yīng)用。器件工作需要承受高電壓和大電流應(yīng)力，工作頻率會高達幾百kHz甚至數(shù)MHz，在這種高功率密度工況下，器件會反復(fù)承受交變熱應(yīng)力沖擊，這會對器件柵極可靠性產(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題。閾值電壓正漂會增大導(dǎo)通電阻，造成更大的開關(guān)損耗；負漂則易造成器件誤導(dǎo)通，給設(shè)備帶來安全隱患[3?4]。柵極電容的變化會對器件的開關(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。

國內(nèi)外學者對GaN器件的柵極可靠性已進行了一些研究。文獻[5]研究了p?GaN由長期正向柵極應(yīng)力引起的柵極退化，隨著柵極應(yīng)力作用時間增加，會導(dǎo)致柵極擊穿。文獻[6]通過高溫環(huán)境下的柵極應(yīng)力實驗，驗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[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)力的常見方式，文獻[8]通過大電流注入進行分時老化，研究了在直流功率循環(huán)下p?GaN的退化情況。文獻[9]在器件導(dǎo)通時注入不同等級電流進行功率循環(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現(xiàn)大電流下單個器件老化，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，通過對被測器件進行功率循環(huán)老化，探究在交變熱應(yīng)力作用下GaN柵極的退化情況。同時對于電參量的監(jiān)測不再依賴于半導(dǎo)體分析儀等昂貴設(shè)備，而是采用恒流注入法測量閾值電壓與柵極電容。

1" 功率循環(huán)平臺

1.1" 被測器件選擇

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，其沒有引線和芯片的鏈接，也就避免了封裝方面的常見故障，包括鍵合線斷裂、封裝焊料層分層等。其中GS61008P有開爾文源極（Kelvin?Source），起到了增加開關(guān)導(dǎo)通速度、減小開關(guān)損耗的作用。

1.2" 功率循環(huán)電路及原理

功率循環(huán)測試通常用于加速老化，通過結(jié)溫波動、剪切應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)不匹配等問題觸發(fā)各種故障機制[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DUT相互獨立，可以實現(xiàn)小電流下DUT的同時老化，具有高效率及可擴展性。

反饋控制電路框圖如圖2所示，由儀表放大器和運算放大器構(gòu)成。通過積分電路調(diào)節(jié)柵源極電壓VGS，此時GaN的溝道電阻僅受VGS控制，DS間相當于一個受電壓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是儀表運放的放大倍數(shù)。

熱電偶貼于器件下表面采集DUT殼溫，通過殼溫來控制器件加熱或冷卻。被測器件溫度波動與負載電流導(dǎo)通時序圖如圖3所示。

2" 測試平臺及原理

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

2.1" 閾值電壓測量電路及原理

閾值電壓（VTH）測量電路如圖4a）所示，由被測器件DUT、恒流源、二極管D1和D2、采樣電阻R1、開關(guān)管S1和S2以及微處理器MCU等構(gòu)成。該系統(tǒng)通過恒流源注入電流實現(xiàn)VTH測量。MCU負責VTH采集和電路工作時序控制，電阻R1用于驗證恒流源大小是否與設(shè)定一致。

測量時，導(dǎo)通S1、S2，恒流源輸出電流經(jīng)過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，當柵極電壓增大到VTH時DUT導(dǎo)通，輸入電流通過DUT漏源溝道流過，此時柵極電壓將會維持不變，采集該電壓值作為VTH。

2.2" 柵極電容測量電路及原理

柵極電容（CGS）測量電路系統(tǒng)框圖如圖5所示，包括恒微電流源、信號比較單元、信號運算單元、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及對應(yīng)的充電時間Δt，即可推出電容值。

[C=IdtduC=IΔtΔuC] （2）

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

3" 實驗分析

3.1" 溫度對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合，溫度波動大，可能會對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。通過加熱臺控制DUT溫度，待器件達到熱穩(wěn)態(tài)后進行測量，測量結(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個被測器件VTH分別正向漂移了9.88%、12.77%、11.99%、12.21%；對于CGS，在30～120 ℃內(nèi)不隨溫度變化，電容值與溫度無關(guān)。

VTH的變化與p?GaN層中的電荷存儲效應(yīng)及柵極堆疊中的電荷捕獲過程有關(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，從而引起凈負電荷增加，使得柵氧化層內(nèi)原有的電場減弱，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DUT進行2 000次功率循環(huán)，待DUT恢復(fù)室溫后測量VTH與CGS，恢復(fù)特性曲線如圖7所示。由圖7可知，4個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70%，在3 h后基本保持穩(wěn)定。CGS循環(huán)后的值不隨著時間而恢復(fù)。

VTH的恢復(fù)現(xiàn)象表明存在載流子的去捕獲過程。功率循環(huán)過程中存在熱激發(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)及測試平臺實物圖如圖8所示。通過兩款器件數(shù)據(jù)手冊給出的連續(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)的殼溫波動范圍為35～120 ℃。本文對兩款GaN進行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次后測量VTH和CGS。由于閾值電壓存在恢復(fù)特性，每次測量前使器件靜置12 h，減小因恢復(fù)特性而帶來的誤差。柵極電參量退化曲線見圖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GS61004B器件分別在70 000、90 000次時發(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下降超過失效標準[14]20%，認為器件失效停止老化；VTH與CGS的同時陡降說明被測器件發(fā)生了不可逆的退化，器件隨時有損壞風險。2個GS61008P器件的VTH也呈下降趨勢，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)電場增強，造成了閾值電壓的負方向漂移。

4" 結(jié)" 論

本文設(shè)計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測量電路?；谠O(shè)計的功率循環(huán)及測量平臺，研究了兩款GaN器件在功率循環(huán)下的柵極可靠性。實驗結(jié)果表明，溫度增加會引起VTH正向漂移，CGS則不隨溫度變化。功率循環(huán)中會因為存在熱激發(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程出現(xiàn)恢復(fù)現(xiàn)象。功率循環(huán)測試結(jié)果表明，柵極會因交變熱應(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，增加了器件損壞風險，從而使得整個電路都會產(chǎn)生危險。本文研究有助于更好地了解和預(yù)測GaN器件柵極在應(yīng)用中的老化行為，為其可靠性評估提供依據(jù)。

注：本文通訊作者為郭世龍。

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