一文解開遠山氮化鎵功率器件耐高壓的秘密

　　氮化鎵(GaN)，作為一種具有物理和化學性質(zhì)的半導體材料，近年來在電子領域大放異彩，其制成的氮化鎵功率芯片在功率轉換效率、開關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、消費電子等熱門領域，發(fā)揮重要的作用。
 

　　面向中高功率市場的氮化鎵半導體IDM
 

　　遠山半導體是一家第三代半導體研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè)，具備完整的“外延材料+芯片制造”自主核心技術與生產(chǎn)能力。公司以藍寶石基氮化鎵外延技術為基礎，結合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，達到了很高的耐壓等級，更好地服務于功率市場，助推GaN市場規(guī)模高速增長。
 

　　攻克多樣技術難題，鑄就技術品質(zhì)
 

　　針對遠山半導體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。測試結果顯示，遠山半導體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)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 漏源關斷漏電流曲線圖
 

圖2 寄生電容與VDS電壓關系曲線
 

　　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 關斷波形
 

圖6反向恢復波形
 

　　廣電計量針對GaN HEMT器件的特性，設計了適合其器件性能的驅動系統(tǒng)。加載測試條件：VDS=600V  VGS=-6/3V Rg(on)=1Ω  Rg(off)=1Ω  L=100uH。實際的測試結果：器件的開啟延遲 Tdon 為 16.2ns，上升時間 Tr 為 9.8ns，關斷延遲為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)了很高的開關響應速度。
 

　　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。
 

　　需予以關注的是， GaN HEMT的開關速度明顯快于Si和SiC mosfet，具有非常低的寄生成分。GaN開關具有非常短的延遲，速度極快，頻率很高，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，測試設備以及測量技術所引入的寄生元件，極有可能掩蓋 GaN 器件參數(shù)，進而導致錯誤的測量結果。
 

　　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性能測試技術，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。在進行開通關斷能量測試時，需對真假損耗予以區(qū)分。在關斷階段，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。所測量的關斷能量(Eoff)包含了 Coss 的充電能量損失，而此部分并非關斷損耗的構成部分。
 

圖7 漏電流路徑示意圖
 

　　遠山半導體相關技術負責人表示：“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，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)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。”