測試、測量試驗，確認(rèn) GaN 技術(shù)的價值

通過測試和測量持久力來評估電子設(shè)備的質(zhì)量和耐用性。評估氮化鎵 (GaN)價值的測試勢在必行，因為它自誕生以來就具有巨大的潛力，可以實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換，作為電力電子應(yīng)用中的關(guān)鍵顛覆者?；?GaN 的開關(guān)的特性，例如高電子遷移率、寬帶隙、高擊穿場和低得多的導(dǎo)通電阻，鼓勵電源設(shè)計工程師開始考慮改進(jìn)電源轉(zhuǎn)換可以提供的無限可能性。然而，在電子領(lǐng)域，性能必須伴隨著穩(wěn)定性和可靠性，否則，它將永遠(yuǎn)是研究人員的夢想。

泰克和吉時利在應(yīng)對測試和測量挑戰(zhàn)方面經(jīng)驗豐富，從采用 GaN 半導(dǎo)體的早期階段開始，我們就一直面臨著測試 GaN 半導(dǎo)體的任務(wù)。我們的客戶開始在多個方面與我們合作，從材料表征到設(shè)備認(rèn)證規(guī)則咨詢。

最初的想法是檢查是否可以節(jié)省資金，并將已經(jīng)用于硅基晶體管、MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和超級結(jié) MOSFET 的設(shè)備用于 GaN 實(shí)驗室設(shè)備。

然而，很明顯，以前被認(rèn)為不相關(guān)的許多方面現(xiàn)在至關(guān)重要，并且可能影響測量。這需要對我們進(jìn)行電力電子測量的方式進(jìn)行修訂和重新發(fā)明。

下載我們的 GaN 和 SiC 技術(shù)電子書

需要合適的測試解決方案

一旦 GaN 開始成為電源轉(zhuǎn)換器（跨多個行業(yè)、應(yīng)用和轉(zhuǎn)換階段的先驅(qū)設(shè)計師）的首選半導(dǎo)體，對適當(dāng)測試解決方案的推動就變得更加強(qiáng)烈，同時對快速、可靠和具有成本效益的解決方案的需求也在增加。與其他半導(dǎo)體技術(shù)相比，GaN 性能更強(qiáng)的一些問題的快速概覽。關(guān)于這些寬帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)和特性的文獻(xiàn)已經(jīng)很多，所以我將直接關(guān)注測試和需求。

可靠性和制造工藝

新半導(dǎo)體技術(shù)的問題通常始于晶圓制造工藝級別。電壓應(yīng)力下的可靠性是我們在射頻功率 GaN 制造應(yīng)用中使用 GaN 技術(shù) WLR 進(jìn)行的第一項測試。這些器件可以具有更小的柵極寬度和長度以及更短的源極至漏極距離。要跟蹤的典型參數(shù)包括電壓應(yīng)力下柵極、漏極和源極的漏電流、應(yīng)力電流、最大擊穿電壓、閾值電壓和導(dǎo)通電阻。

設(shè)備輸出特性是在不同溫度下測量的，需要我們的參數(shù)分析儀進(jìn)行調(diào)整。在正式的資格審查程序發(fā)布之前，它已經(jīng)完成。因此，整個過程必須保持完全的適應(yīng)性和可編程性。我們還必須設(shè)計和開發(fā)新的 S540 系統(tǒng)，以克服該測試中包含高壓的問題。

我們必須克服的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括：

在使現(xiàn)有測試設(shè)備不足之前，柵極閾值電壓可以下降多少？

在意識到測量讀數(shù)產(chǎn)生巨大的不準(zhǔn)確度并影響可信度之前，開關(guān)轉(zhuǎn)換速度應(yīng)該有多快，死區(qū)時間控制有多嚴(yán)格？此外，高壓方面。這通常是“IGBT”團(tuán)隊會處理的事情，但是，我們必須了解如何處理這些模擬充電器的大電容器。

另外，當(dāng)電壓達(dá)到千伏范圍時會發(fā)生什么變化？

工程師們正在努力解決各種問題，例如：

這個怎么聯(lián)系？

如何給它加電？

測試設(shè)備對測量有什么影響嗎？

幸運(yùn)的是，他們意識到與測試和測量專家保持持續(xù)溝通的重要性，并且能夠在足夠的支持下比其他人更接近故障排除結(jié)論。

氮化鎵二極管擊穿電壓和漏電流測試

GaN 快速二極管的供應(yīng)商聯(lián)系了我們，要求改進(jìn)他們正在使用的現(xiàn)有曲線示蹤劑。連接擊穿電壓和泄漏電流等測試，因為用戶通常需要在提供偏置電壓的同時監(jiān)控泄漏電流，直到達(dá)到 DUT 擊穿為止。

然后我們設(shè)計了一個像新的 2470 這樣的高壓 SMU，以小步長掃描偏置電壓直到 1.1kV，同時以足夠的精度測量泄漏電流。我們還必須提供 SMU 以在柵極外傾斜，電壓水平準(zhǔn)確且穩(wěn)定，以便在測量柵極泄漏時報告。使用新的入口介電絕緣體將泄漏電流降至比以前低得多的水平（10 的 nA 范圍），因此需要（10 的 fA）分辨率。

2470 探針臺

尋找 GaN 器件的最佳“版本”嚴(yán)格依賴于柵極界面的介電材料選擇。研究需要追求最低的漏電流（如上所述），同時控制半導(dǎo)體界面的密度并仔細(xì)監(jiān)測電介質(zhì)和基板之間的充電行為。所有這些都需要精確的 CV（電容電壓）測量，以確定平帶電壓、閾值電壓、固定電荷和介電半導(dǎo)體界面陷阱電荷，C-V 特性與 IV 特性一樣重要。

當(dāng)準(zhǔn)確勾勒出 GaN 的固有特性時，我們必須優(yōu)化我們的參數(shù)分析儀。

例如，我們必須改進(jìn)我們的 C-V 特性追蹤能力，以顯示適當(dāng)?shù)暮谋M深度剖面并推斷高電子遷移率的正確行為。

我們的 Keithley 業(yè)務(wù)部門努力開發(fā)用作精密交流阻抗計的解決方案，采用我們的 4200A 半導(dǎo)體表征系統(tǒng)來測試動態(tài)能量崩潰和陷阱密度/行為。

切換時的挑戰(zhàn)

我們必須證明 GaN 對操作方面的影響。GaN 器件不僅調(diào)整速度快，而且恢復(fù)時間幾乎為零，在大多數(shù)情況下與溫度無關(guān)。通過提供與 DUT 的正確連接，特別是與測量點(diǎn)的連接，在示波器屏幕上清楚地看到這一點(diǎn)至關(guān)重要。

我們必須通過確保高開關(guān)時間和規(guī)格要求的低損耗來為功率模塊的非侵入性測試提供解決方案，以便在半導(dǎo)體元件供應(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計者之間發(fā)生爭執(zhí)時得到證明。

評估印刷電路板 (PCB) 設(shè)計的布局時，開關(guān)期間的典型測量包括上升和下降時間、峰值過沖、下沖和預(yù)期的開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升沿振鈴頻率。由于 GaN 將工作頻率移得更高，典型電源設(shè)計實(shí)驗室中使用的示波器的 300-500MHz 帶寬是第一個造成瓶頸的地方。由于使用中的高壓差分探頭具有更低的帶寬（最大 200MHz），情況進(jìn)一步惡化。眾所周知，測量系統(tǒng)的實(shí)際帶寬是示波器+探頭特性的組合。一旦接受了上移到 GHz 帶寬空間的需求，我們就必須應(yīng)對探測技術(shù)的影響。

電源工程師意識到探頭輸入電容、接地回路和寄生效應(yīng)的影響。然而，他們并沒有想象在轉(zhuǎn)移到 GaN 開關(guān)頻率空間時這些會發(fā)揮多大作用。更不用說地線本身的電感經(jīng)常迫使他們解決由測量系統(tǒng)產(chǎn)生的鬼影造成的不存在的問題。

我們泰克必須提出一種完全革命性的連接和測試點(diǎn)選擇方法。

我們確保測量點(diǎn)盡可能靠近電源設(shè)備，并允許探頭在同一時間連接到超微型設(shè)備。引線被縮短，正好與探針尖端呈現(xiàn)的相同寄生問題形成對比。

然而，GaN 測量的主要挑戰(zhàn)是需要對非接地參考點(diǎn)進(jìn)行高頻測量。事實(shí)證明，所有用于確保差分測量的現(xiàn)有技術(shù)對于 GaN 都是不準(zhǔn)確的。選擇是在接受測量結(jié)果的巨大誤差和最終通過設(shè)計一個共模抑制比 (CMRR) 可以在高頻下保持足夠高的系統(tǒng)來解決這個問題。再一次，市場上沒有這種東西。

泰克開發(fā)了一項專利，可以對存在大共模電壓和快速邊沿速率信號以及大輸入阻抗和低輸入電容的電路進(jìn)行隔離測量。高 CMRR 隔離測量系統(tǒng)終于成為可能。

解決的最后一個方面是 GaN 閾值電壓，它很小，即使在抑制共模噪聲之后，我們也必須確定如何在具有足夠動態(tài)分辨率的龐大共模電流之上查看它們。

重新設(shè)計了示波器的前端。典型電力電子示波器 ADC 的 8 位分辨率對于 GaN 技術(shù)來說太有限了。示波器市場接受了升級到具有高達(dá) 12 位分辨率的更高分辨率 ADC 以及超低噪聲前端的需求。由于 GaN 器件導(dǎo)通電阻測量的大幅減少，因此很有必要。用戶現(xiàn)在可以有效地證明他們的實(shí)驗室可以在不同的開關(guān)和芯片尺寸上測量亞毫歐。

IsoVu Lazer_3

其他方面

出于多種原因，設(shè)備應(yīng)正確接地，但安全是最重要的一個。保護(hù)是實(shí)驗室和工程團(tuán)隊主管表達(dá)的第一個問題。當(dāng)操作員需要調(diào)整任何連接時，安全聯(lián)鎖是 GaN 器件高壓特性分析的一項重要要求，以斷開任何高壓電源。隨測試系統(tǒng)提供的電纜還必須滿足不同于低壓空間的安全標(biāo)準(zhǔn)。

在我們的高壓示波器探頭中采用光電隔離也支持了這一方面，因為不再需要使用隔離變壓器來為機(jī)器供電。然而，光電壓轉(zhuǎn)換器阻止了任何危險的電氣路徑，并允許使用很長的引線（幾米長的光纖，如有必要）以遠(yuǎn)離潛在危險的 DUT。

把這一切放在一起

采用寬帶隙半導(dǎo)體一直是一個挑戰(zhàn)，但對于電源轉(zhuǎn)換器市場來說，滿足前所未有的能效要求是一個巨大的機(jī)會。

從電機(jī)驅(qū)動到汽車轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)中心的多個應(yīng)用的設(shè)計方面都受到了積極的影響和轉(zhuǎn)變。

在系統(tǒng)設(shè)計層面，電力電子設(shè)備的這些顛覆性改進(jìn)可能會影響設(shè)計實(shí)驗室和測試實(shí)驗室工具的擁有成本。規(guī)格的轉(zhuǎn)變需要工程師更新他們的一些實(shí)驗室測試設(shè)備，這也是一個需要考慮的成本項目，作為遷移到 GaN 的決定的一部分。

總之，這導(dǎo)致了電力電子測試領(lǐng)域的一場革命。泰克和吉時利決定以客戶為中心來應(yīng)對電力電子技術(shù)的轉(zhuǎn)型變革。我們設(shè)定的目標(biāo)是彌合新的和現(xiàn)有的實(shí)驗室設(shè)備解決方案、新的和現(xiàn)有的計量基礎(chǔ)知識以及有效管理當(dāng)前投資和資金之間的差距。我們希望成為下一次革命不可或缺的一部分。

審核編輯 黃昊宇