原创 GRGTEST | 一文解开远山氮化镓功率器件耐高压的秘密

 2024-11-12 16:27  124 0 分类: 汽车电子文集: 失效分析

引言

氮化镓（GaN），作为一种具有独特物理和化学性质的半导体材料，近年来在电子领域大放异彩，其制成的氮化镓功率芯片在功率转换效率、开关速度及耐高温等方面优势尽显，在5G通信、新能源汽车、数据中心、消费电子等热门领域，发挥重要的作用。

面向中高功率市场的氮化镓半导体IDM

远山半导体是一家第三代半导体研发与生产企业，具备完整的“外延材料+芯片制造”自主核心技术与生产能力。公司以蓝宝石基氮化镓外延技术为基础，结合独有的PSJ芯片工艺，生产700V、1200V、1700V、3300V等多种规格的中高功率氮化镓外延材料与功率器件。其产品具有强大的电流塌陷控制能力，达到了极高的耐压等级，更好地服务于中高端功率市场，助推GaN市场规模高速增长。

攻克多样技术难题，铸就卓越技术品质

针对远山半导体D-Mode GaN HEMT器件的测试样品，广电计量完成了一系列静态和动态的参数测试。测试结果显示，远山半导体DFN封装形式的Gan HEMT器件通过了1200V高耐压测试，并且展现出了极低的界面电容、优良的热阻和极快的开关速度，同时克服了氮化镓器件容易发生的电流崩塌问题。各项性能指标均达到行业领先水平，意味着其产品在性能、质量和可靠性方面具备优势，有更强的市场竞争力。

在静态测试中，测试样品处于关断状态且漏源电压Vds达到1200V时，Idss仅为7.69*10-7A，静态电阻Ron=78mΩ；动态测试的数据同样优秀，如下图所示：

图1 漏源关断漏电流曲线图

图2 寄生电容与VDS电压关系曲线

随着功率增加热阻上升是功率器件普遍面临的问题。从本次瞬态热阻测试（见图3）可以看出该测试器件的表现与SiC产品相当，充分表明其在高功率工作条件下的热管理性能出色。

图3 瞬态热阻曲线图

图4开通波形

图5 关断波形

图6反向恢复波形

广电计量针对GaN HEMT器件的特性，设计了适合其器件性能的驱动系统。加载测试条件：VDS=600V VGS=-6/3V Rg（on）=1Ω Rg(off)=1Ω L=100uH。实际的测试结果：器件的开启延迟 Tdon 为 16.2ns，上升时间 Tr 为 9.8ns，关断延迟为Tdoff为 15.3ns，下降时间 Tf 为 10.7ns。测试器件在高电压大电流下实现了极高的开关响应速度。

在动态电阻测试中，随着电压的上升，未出现快速的电阻升高，表明了本款氮化镓器件在高压下未出现电流崩塌现象。

需予以关注的是， GaN HEMT的开关速度明显快于Si和SiC mosfet，具有非常低的寄生成分。GaN开关具有非常短的延迟，速度极快，频率极高，且相较于等效的 Si 和 SiC 晶体管，具有更高的效率。倘若未加以注意，测试设备以及测量技术所引入的寄生元件，极有可能掩盖 GaN 器件参数，进而导致错误的测量结果。

针对此次动态性能测试所面临的挑战，广电计量深入探究氮化镓开关性能测试技术，对测试布局予以优化，规避测试过程中长环路的引入，从高低侧电压测量以及电流传感器选取等方面着力，成功攻克了本次测试的难点。在进行开通关断能量测试时，需对真假损耗予以区分。在关断阶段，当栅源电压（VGS）小于阈值电压（VGS (th)）时，氮化镓处于不导通状态，负载电流（Iload）为 S2 的输出电容（Coss）充电，由此产生的输出电容储能损耗（Eoss）为无功功率，不属于真实损耗范畴。所测量的关断能量（Eoff）包含了 Coss 的充电能量损失，而此部分并非关断损耗的构成部分。

图7 漏电流路径示意图

远山半导体相关技术负责人表示：“与广电计量的合作是我们在氮化镓功率芯片质量管控道路上的一次重要突破。在我们的合作的过程中，广电计量对检测标准的严格把控和对细节的关注，让我们对芯片的质量有了十足的信心。通过他们的检测服务，证明了我们的芯片在电气参数稳定性和高温高压环境下的可靠性方面都达到了行业领先水平。这不仅提升了我们客户的满意度，也为我们公司在市场上树立了良好的品牌形象。我们衷心希望能与广电计量保持长期合作关系，共同探索更多提升芯片质量的方法和途径，为行业发展贡献力量。”

国内覆盖芯片种类最多、技术能力最全面的第三方检测机构

广电计量检测集团股份有限公司是一家国有第三方检测机构，下设集成电路测试与分析事业部。作为工信部、发改委及广东省、江苏省和上海市支持挂牌的集成电路公共服务平台，广电计量是国内覆盖芯片种类最多、技术能力最全面的第三方检测机构，更是集成电路解决方案定制化设计及落地的合作方。

针对 SiC 功率器件的高压、高温、大功率等特点，广电计量采用全新的硬件设计方案及制板工艺成功实现高达 1000V 的 HV - HAST 和高达 225°C 的 HTXB 试验能力，充分验证 SiC 功率器件的极限工作稳定性；与 Si 相比，SiC MOSFET 可靠性评价急需采取专门开发的解决方案来应对挑战，率先建立了超越 Si 器件标准的可靠性测试能力，包括 HTRB/RB、H3TRB、HTGB/GB、HTFB 及 AC - HTC；针对 GaN 仍存在一系列 Si 器件的可靠性评估及测试无法覆盖的难题，广电计量建立的 GaN 验证平台不仅涵盖了标准鉴定能力，更重要具备对 GaN 器件内在故障机制触发方法的验证能力。