合作案例 | 一文解開遠山氮化鎵功率器件耐高壓的秘密

引言

氮化鎵（GaN），作為一種具有獨特物理和化學(xué)性質(zhì)的半導(dǎo)體材料，近年來在電子領(lǐng)域大放異彩，其制成的氮化鎵功率芯片在功率轉(zhuǎn)換效率、開關(guān)速度及耐高溫等方面優(yōu)勢盡顯，在5G通信、新能源汽車、數(shù)據(jù)中心、消費電子等熱門領(lǐng)域，發(fā)揮重要的作用。

面向中高功率市場的氮化鎵半導(dǎo)體IDM

遠山半導(dǎo)體是一家第三代半導(dǎo)體研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè)，具備完整的“外延材料+芯片制造”自主核心技術(shù)與生產(chǎn)能力。公司以藍寶石基氮化鎵外延技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合獨有的PSJ芯片工藝，生產(chǎn)700V、1200V、1700V、3300V等多種規(guī)格的中高功率氮化鎵外延材料與功率器件。其產(chǎn)品具有強大的電流塌陷控制能力，達到了極高的耐壓等級，更好地服務(wù)于中高端功率市場，助推GaN市場規(guī)模高速增長。

攻克多樣技術(shù)難題，鑄就卓越技術(shù)品質(zhì)

針對遠山半導(dǎo)體D-Mode GaN HEMT器件的測試樣品，廣電計量完成了一系列靜態(tài)和動態(tài)的參數(shù)測試。測試結(jié)果顯示，遠山半導(dǎo)體DFN封裝形式的Gan HEMT器件通過了1200V高耐壓測試，并且展現(xiàn)出了極低的界面電容、優(yōu)良的熱阻和極快的開關(guān)速度，同時克服了氮化鎵器件容易發(fā)生的電流崩塌問題。各項性能指標均達到行業(yè)領(lǐng)先水平，意味著其產(chǎn)品在性能、質(zhì)量和可靠性方面具備優(yōu)勢，有更強的市場競爭力。

在靜態(tài)測試中，測試樣品處于關(guān)斷狀態(tài)且漏源電壓Vds達到1200V時，Idss僅為7.69*10-7A，靜態(tài)電阻Ron=78mΩ；動態(tài)測試的數(shù)據(jù)同樣優(yōu)秀，如下圖所示：

圖1 漏源關(guān)斷漏電流曲線圖

圖2 寄生電容與VDS電壓關(guān)系曲線

隨著功率增加熱阻上升是功率器件普遍面臨的問題。從本次瞬態(tài)熱阻測試（見圖3）可以看出該測試器件的表現(xiàn)與SiC產(chǎn)品相當，充分表明其在高功率工作條件下的熱管理性能出色。

圖3 瞬態(tài)熱阻曲線圖

圖4開通波形

圖5 關(guān)斷波形

圖6反向恢復(fù)波形

廣電計量針對GaN HEMT器件的特性，設(shè)計了適合其器件性能的驅(qū)動系統(tǒng)。加載測試條件：VDS=600V VGS=-6/3V Rg（on）=1Ω Rg(off)=1Ω L=100uH。實際的測試結(jié)果：器件的開啟延遲 Tdon 為 16.2ns，上升時間 Tr 為 9.8ns，關(guān)斷延遲為Tdoff為 15.3ns，下降時間 Tf 為 10.7ns。測試器件在高電壓大電流下實現(xiàn)了極高的開關(guān)響應(yīng)速度。

在動態(tài)電阻測試中，隨著電壓的上升，未出現(xiàn)快速的電阻升高，表明了本款氮化鎵器件在高壓下未出現(xiàn)電流崩塌現(xiàn)象。

需予以關(guān)注的是， GaN HEMT的開關(guān)速度明顯快于Si和SiC mosfet，具有非常低的寄生成分。GaN開關(guān)具有非常短的延遲，速度極快，頻率極高，且相較于等效的 Si 和 SiC 晶體管，具有更高的效率。倘若未加以注意，測試設(shè)備以及測量技術(shù)所引入的寄生元件，極有可能掩蓋 GaN 器件參數(shù)，進而導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。

針對此次動態(tài)性能測試所面臨的挑戰(zhàn)，廣電計量深入探究氮化鎵開關(guān)性能測試技術(shù)，對測試布局予以優(yōu)化，規(guī)避測試過程中長環(huán)路的引入，從高低側(cè)電壓測量以及電流傳感器選取等方面著力，成功攻克了本次測試的難點。在進行開通關(guān)斷能量測試時，需對真假損耗予以區(qū)分。在關(guān)斷階段，當柵源電壓（VGS）小于閾值電壓（VGS (th)）時，氮化鎵處于不導(dǎo)通狀態(tài)，負載電流（Iload）為 S2 的輸出電容（Coss）充電，由此產(chǎn)生的輸出電容儲能損耗（Eoss）為無功功率，不屬于真實損耗范疇。所測量的關(guān)斷能量（Eoff）包含了 Coss 的充電能量損失，而此部分并非關(guān)斷損耗的構(gòu)成部分。

圖7 漏電流路徑示意圖

遠山半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)負責(zé)人表示：“與廣電計量的合作是我們在氮化鎵功率芯片質(zhì)量管控道路上的一次重要突破。在我們的合作的過程中，廣電計量對檢測標準的嚴格把控和對細節(jié)的關(guān)注，讓我們對芯片的質(zhì)量有了十足的信心。通過他們的檢測服務(wù)，證明了我們的芯片在電氣參數(shù)穩(wěn)定性和高溫高壓環(huán)境下的可靠性方面都達到了行業(yè)領(lǐng)先水平。這不僅提升了我們客戶的滿意度，也為我們公司在市場上樹立了良好的品牌形象。我們衷心希望能與廣電計量保持長期合作關(guān)系，共同探索更多提升芯片質(zhì)量的方法和途徑，為行業(yè)發(fā)展貢獻力量?！?/p>

國內(nèi)覆蓋芯片種類最多、技術(shù)能力最全面的第三方檢測機構(gòu)

廣電計量檢測集團股份有限公司是一家國有第三方檢測機構(gòu)，下設(shè)集成電路測試與分析事業(yè)部。作為工信部、發(fā)改委及廣東省、江蘇省和上海市支持掛牌的集成電路公共服務(wù)平臺，廣電計量是國內(nèi)覆蓋芯片種類最多、技術(shù)能力最全面的第三方檢測機構(gòu)，更是集成電路解決方案定制化設(shè)計及落地的合作方。

1. · 針對 SiC 功率器件的高壓、高溫、大功率等特點，廣電計量采用全新的硬件設(shè)計方案及制板工藝成功實現(xiàn)高達 1000V 的 HV - HAST 和高達 225°C 的 HTXB 試驗?zāi)芰?，充分驗證 SiC 功率器件的極限工作穩(wěn)定性；與 Si 相比，SiC MOSFET 可靠性評價急需采取專門開發(fā)的解決方案來應(yīng)對挑戰(zhàn)，率先建立了超越 Si 器件標準的可靠性測試能力，包括 HTRB/RB、H3TRB、HTGB/GB、HTFB 及 AC - HTC；針對 GaN 仍存在一系列 Si 器件的可靠性評估及測試無法覆蓋的難題，廣電計量建立的 GaN 驗證平臺不僅涵蓋了標準鑒定能力，更重要具備對 GaN 器件內(nèi)在故障機制觸發(fā)方法的驗證能力。

• ·已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個型號的芯片驗證，并支持完成多款型號芯片的工程化和量產(chǎn)。

·為國內(nèi)三分之二的功率器件龍頭企業(yè)提供參數(shù)測試、可靠性試驗及失效分析。

·在第三代半導(dǎo)體檢測領(lǐng)域合作客戶超過80家,樣品數(shù)量三十余萬只。