GaN 器件閾值電壓漂移特性的研究

魯金科， 趙 浩， 杜偉兮

（三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443000）

0 引 言

GaN 器件具有開關(guān)速度快、導通電阻小、功率密度大等優(yōu)勢，已應(yīng)用于消費電子、新能源汽車和航空航天等領(lǐng)域[1-2]。目前實現(xiàn)增強型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]，且導通電阻小，較好地實現(xiàn)了器件性能、可靠性和生產(chǎn)成本之間的平衡，已成為實現(xiàn)商用增強型GaN 器件的主要形式[5]。但p-GaN 層的電勢易受電荷運動影響，導致器件VTH的漂移，帶來了柵極可靠性問題。VTH的負漂移易引起器件誤導通，正漂移則會增大導通電阻和開通時間，引起開關(guān)損耗增加，給設(shè)備的安全高效運行帶來潛在威脅[6]。因此，研究VTH漂移現(xiàn)象對深入了解GaN 器件的特性和提高柵極可靠性具有重要指導意義。

國內(nèi)外學者針對VTH的漂移特性已進行了一些研究。

文獻[7-9]研究了柵極電壓應(yīng)力對VTH的影響，但通過參數(shù)分析儀等設(shè)備對器件進行柵極電壓掃描獲取轉(zhuǎn)移特性曲線，進而提取VTH，測試過程復雜，不具備在線監(jiān)測的能力。

文獻[10]則通過自制的脈沖測量電路研究柵極電壓應(yīng)力對VTH的影響，但測試仍通過對柵極進行電壓掃描實現(xiàn)，研究中沒有考慮溫度影響。

文獻[11]研究的是溫度與柵極偏置共同作用下的VTH漂移，未實現(xiàn)兩個因素的解耦。研究中柵極電壓應(yīng)力作用時間普遍較短[12-13]，應(yīng)力長時間作用對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量VTH，設(shè)計了測量所需恒流源電路和用于實現(xiàn)柵極加速老化的驅(qū)動單元，通過微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。實驗表明，本文方法測試簡便，結(jié)果準確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小，擺脫了對測試設(shè)備的依賴，具有實現(xiàn)在線監(jiān)測的潛力。其次，基于所設(shè)計的測試系統(tǒng)研究了溫度和不同類型的柵極電壓應(yīng)力長時間作用對VTH漂移特性的影響。

1 被測器件與實驗平臺

1.1 被測器件

研究以GaN Systems 公司生產(chǎn)的商用p-GaN HEMT器件為被測器件（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。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)計了用于測量閾值電壓的恒流源和用于加速老化的驅(qū)動單元。

1.2 測試平臺與原理

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

圖1 閾值電壓測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作時序

該系統(tǒng)通過驅(qū)動單元向柵極施加應(yīng)力，微處理器實現(xiàn)閾值電壓采集和驅(qū)動控制，恒流源提供測量電流，基于二極管D 和開關(guān)S1、S2組成的時序控制電路實現(xiàn)VTH測量與柵極老化的有序進行。此外，電阻R用于監(jiān)測恒流源的輸出電流，以確保測量條件一致。

電路工作時序如圖1b）所示。測量時，開關(guān)S2關(guān)斷，驅(qū)動單元不工作；開關(guān)S1閉合，允許恒流源輸出注入電路。由于開始時器件處于關(guān)斷狀態(tài)，該注入電流首先經(jīng)開關(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；之后器件導通，輸入電流停止對柵源極電容的充電，此時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，開關(guān)S1關(guān)斷，阻斷恒流源的輸入；開關(guān)S2閉合，應(yīng)力直接施加在柵源極對器件進行老化。老化結(jié)束后S2斷開，S1閉合，系統(tǒng)再次進入測量狀態(tài)。整個測試過程以“測量-老化-測量”的序列循環(huán)進行。

1.3 恒流源設(shè)計

本文設(shè)計了一款10 mA 的恒流源用于閾值電壓測量，電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該電路通過負反饋確保輸出電流恒定。

圖2 恒流源電路

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

運算放大器A3構(gòu)成的差分放大電路參數(shù)對稱設(shè)計，即滿足：R7=R8=R9=R10。在此條件下，根據(jù)運算放大器“虛短虛斷”的工作特性，電路穩(wěn)態(tài)時具有的關(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，對應(yīng)RSet取值為330 Ω。

1.4 驅(qū)動單元設(shè)計

圖3 所示為驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)，所用驅(qū)動芯片型號為Si8271。

圖3 驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)

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

2 實驗結(jié)果

2.1 溫度對閾值電壓的影響

GaN 器件在電路中一般作為開關(guān)元件，開關(guān)損耗與工作環(huán)境引起的器件溫度變化可能會影響閾值電壓VTH。本文研究了25～125 ℃范圍內(nèi)溫度對VTH的影響，測試通過恒溫加熱臺控制DUT 溫度，間隔1 h 進行VTH測量，實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 溫度對閾值電壓的影響

與25 ℃時的VTH相比，溫度增加過程中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|明顯小于前幾個階段，表明VTH漂移趨勢在減弱。可以發(fā)現(xiàn)25 ℃時，VTH較為穩(wěn)定，基本不隨時間變化，其余溫度下VTH也僅在前1～2 h 內(nèi)有幾個mV 的變化。

2.2 柵極恒壓應(yīng)力對閾值電壓的影響

恒壓應(yīng)力是器件加速老化測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通或關(guān)斷狀態(tài)，引起的退化效果相對明顯。本文使用恒壓應(yīng)力研究了正柵極電壓應(yīng)力幅值VG_Stress和作用時間對VTH的影響。研究中所需恒壓應(yīng)力由驅(qū)動單元提供，應(yīng)力幅值分別為3 V、4 V、5 V、6 V 以及7 V，作用時間為12 h，且每隔1 h 進行VTH測量。為排除溫度變化的影響，測試過程中使用恒溫加熱臺將器件溫度控制在25 ℃。恒壓應(yīng)力對閾值電壓的影響如圖5 所示。

圖5 恒壓應(yīng)力VG_Stress對閾值電壓的影響

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，VTH正向漂移，漂移量| ΔVTH|隨VG_Stress增大而減小；當5 V≤VG_Stress＜7 V 時，VTH負向漂移，| ΔVTH|則隨VG_Stress增大而增大；VG_Stress=7 V 時，|ΔVTH|達到最大值，為0.39 V 左右。柵極恒壓應(yīng)力作用時間對VTH的影響則主要集中在前1 h，5 組測試數(shù)據(jù)表明VTH的漂移在第一個小時內(nèi)隨時間增大并達到峰值，后續(xù)的11 個小時中漂移量| ΔVTH|基本穩(wěn)定，可以認為VTH的漂移達到了飽和狀態(tài)。

2.3 柵極動態(tài)應(yīng)力對閾值電壓的影響

GaN 器件工作時柵極施加的通常為頻率較高的動態(tài)方波應(yīng)力，因此本文還研究了動態(tài)應(yīng)力的頻率對器件閾值電壓的影響。測試使用的6 組動態(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，同時固定應(yīng)力幅值為±6 V，占空比為50%，測試過程中仍使用恒溫加熱臺控制器件溫度為25 ℃。

動態(tài)應(yīng)力對閾值電壓的影響如圖6 所示。動態(tài)應(yīng)力下VTH的漂移方向沒有隨頻率f改變，僅表現(xiàn)為負漂移。在應(yīng)力頻率100 kHz≤f≤750 kHz 時，| |ΔVTH隨f增加而減小，f=100 kHz 時，VTH漂移最為顯著，達到-0.4 V。值得注意的是，f=1 MHz 時，VTH的漂移不再減小，反而有較為明顯的增加，| |ΔVTH超過了750 kHz 時。隨著f的進一步增大，VTH的漂移又緩慢減小。動態(tài)應(yīng)力作用時間對VTH的影響與恒壓應(yīng)力類似，漂移在第一個小時內(nèi)隨時間增大并達到峰值，之后基本處于飽和狀態(tài)。

圖6 動態(tài)應(yīng)力的頻率對閾值電壓的影響

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/釋放機制有關(guān)[14]。

二維電子氣中的部分電子在溫度或電場作用下可能溢出AlGaN 勢壘層，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)中負電荷增加[15]。上述過程使得柵極結(jié)構(gòu)中的正電荷減少，負電荷增加，從而導致了VTH的正漂移。而來自柵極金屬的空穴注入向AlGaN 勢壘層方向移動，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，負電荷減少，導致了VTH的負漂移。

簡而言之，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VTH正漂移，空穴注入突出時VTH負漂移。溫度作用下，器件VTH表現(xiàn)為持續(xù)的正漂移，說明溫度對電子俘獲的促進作用更明顯。恒壓應(yīng)力作用下，3 V≤VG_Stress＜5 V 時，VTH正漂，5 V≤VG_Stress≤7 V 時，VTH負漂，說明在恒壓應(yīng)力較小時，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，改變了原有的負漂移趨勢。但在動態(tài)應(yīng)力作用下，VTH僅表現(xiàn)出負漂移特性，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度差異決定的。

4 結(jié) 論

本文使用恒流注入法實現(xiàn)了GaN 器件閾值電壓的測量，設(shè)計了測量所需的恒流源電路，使用驅(qū)動單元實現(xiàn)柵極加速老化，使用微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)精確采集，擺脫了傳統(tǒng)柵極電壓掃描方式測量設(shè)備依賴性大的問題，測試方案具有實現(xiàn)在線監(jiān)測的潛力。基于設(shè)計的測試系統(tǒng)研究了溫度和不同類型的柵極電壓應(yīng)力長期作用時的閾值電壓漂移特性。

實驗結(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兩個方向，與應(yīng)力的幅值有關(guān)；動態(tài)應(yīng)力下的閾值電壓僅表現(xiàn)出負漂移；閾值電壓漂移在柵極電壓應(yīng)力作用的第一個小時中隨時間增加并達到峰值，之后基本飽和。

該研究對了解p-GaN HEMT 器件的柵極特性具有參考價值，對進一步提高GaN 器件的柵極可靠性具有指導意義。

注：本文通訊作者為魯金科。