GaN 器件阈值电压漂移特性的研究

鲁金科， 赵 浩， 杜伟兮

（三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443000）

0 引 言

GaN 器件具有开关速度快、导通电阻小、功率密度大等优势，已应用于消费电子、新能源汽车和航空航天等领域[1-2]。目前实现增强型GaN 器件的主要方式有凹槽栅技术、氟离子注入技术、Cascode 技术和p-GaN 栅技术[3]。其中采用p-GaN 栅技术的器件具有较大的阈值电压VTH和饱和电流[4]，且导通电阻小，较好地实现了器件性能、可靠性和生产成本之间的平衡，已成为实现商用增强型GaN 器件的主要形式[5]。但p-GaN 层的电势易受电荷运动影响，导致器件VTH的漂移，带来了栅极可靠性问题。VTH的负漂移易引起器件误导通，正漂移则会增大导通电阻和开通时间，引起开关损耗增加，给设备的安全高效运行带来潜在威胁[6]。因此，研究VTH漂移现象对深入了解GaN 器件的特性和提高栅极可靠性具有重要指导意义。

国内外学者针对VTH的漂移特性已进行了一些研究。

文献[7-9]研究了栅极电压应力对VTH的影响，但通过参数分析仪等设备对器件进行栅极电压扫描获取转移特性曲线，进而提取VTH，测试过程复杂，不具备在线监测的能力。

文献[10]则通过自制的脉冲测量电路研究栅极电压应力对VTH的影响，但测试仍通过对栅极进行电压扫描实现，研究中没有考虑温度影响。

文献[11]研究的是温度与栅极偏置共同作用下的VTH漂移，未实现两个因素的解耦。研究中栅极电压应力作用时间普遍较短[12-13]，应力长时间作用对VTH漂移特性的影响尚不明确。

基于此，本文采用恒流注入法测量VTH，设计了测量所需恒流源电路和用于实现栅极加速老化的驱动单元，通过微处理器实现数据采集。实验表明，本文方法测试简便，结果准确，系统结构简单、体积小，摆脱了对测试设备的依赖，具有实现在线监测的潜力。其次，基于所设计的测试系统研究了温度和不同类型的栅极电压应力长时间作用对VTH漂移特性的影响。

1 被测器件与实验平台

1.1 被测器件

研究以GaN Systems 公司生产的商用p-GaN HEMT器件为被测器件（Device Under Test, DUT）。所选器件采用GaNpx 嵌入式封装结构，具有低电感、低热阻和封装体积小的优点。器件的关键参数主要包括：额定电压100 V，额定电流90 A，栅极电压额定摆幅为-10～7 V，漏极电流为7 mA 时的阈值电压典型值为1.7 V。根据上述器件参数，设计了用于测量阈值电压的恒流源和用于加速老化的驱动单元。

1.2 测试平台与原理

阈值电压测试系统由DUT、驱动单元、微处理器、恒流源CCS、二极管D、开关S1、S2和电阻R组成，结构示意图如图1a）所示。

图1 阈值电压测试系统结构与工作时序

该系统通过驱动单元向栅极施加应力，微处理器实现阈值电压采集和驱动控制，恒流源提供测量电流，基于二极管D 和开关S1、S2组成的时序控制电路实现VTH测量与栅极老化的有序进行。此外，电阻R用于监测恒流源的输出电流，以确保测量条件一致。

电路工作时序如图1b）所示。测量时，开关S2关断，驱动单元不工作；开关S1闭合，允许恒流源输出注入电路。由于开始时器件处于关断状态，该注入电流首先经开关S1和二极管D 给器件栅源极电容充电，栅源极电压逐渐增大；之后器件导通，输入电流停止对栅源极电容的充电，此时栅源极电压将保持不变，注入电流则全部经漏源沟道返回，将此维持不变的栅源极电压作为器件阈值电压。老化时，开关S1关断，阻断恒流源的输入；开关S2闭合，应力直接施加在栅源极对器件进行老化。老化结束后S2断开，S1闭合，系统再次进入测量状态。整个测试过程以“测量-老化-测量”的序列循环进行。

1.3 恒流源设计

本文设计了一款10 mA 的恒流源用于阈值电压测量，电路结构如图2 所示。该电路通过负反馈确保输出电流恒定。

图2 恒流源电路

电路中运算放大器A1和电阻R1～R4构成差分放大电路，用于输入信号VREF与反馈信号VF的差分放大；运算放大器A2、电阻R5、R6以及电容C构成反向积分电路，通过调节输出电压uO2实现电流调整；运算放大器A3和电阻R7～R10也构成差分放大电路，通过获取电阻RSet上的电压检测输出电流，并将结果反馈至运算放大器A1进行调节。

运算放大器A3构成的差分放大电路参数对称设计，即满足：R7=R8=R9=R10。在此条件下，根据运算放大器“虚短虚断”的工作特性，电路稳态时具有的关系可表示为：

故输出电流ISet可表示为：

本文中恒流源输出电流ISet设计为10 mA，使用输出3.3 V 的参考电压芯片提供VREF，保证输出电流的精确性，对应RSet取值为330 Ω。

1.4 驱动单元设计

图3 所示为驱动单元结构，所用驱动芯片型号为Si8271。

图3 驱动单元结构

图中VGS,H、VGS,L为驱动电路的两路电压信号，用于偏置器件栅极，使其处于导通或关断状态。这两路输出信号的幅值独立可调，可以满足应力幅值对VTH漂移特性影响的研究需求。In 为驱动单元的控制输入，由微处理器提供，控制驱动单元输出恒压应力或动态应力。

2 实验结果

2.1 温度对阈值电压的影响

GaN 器件在电路中一般作为开关元件，开关损耗与工作环境引起的器件温度变化可能会影响阈值电压VTH。本文研究了25～125 ℃范围内温度对VTH的影响，测试通过恒温加热台控制DUT 温度，间隔1 h 进行VTH测量，实验结果如图4 所示。

图4 温度对阈值电压的影响

与25 ℃时的VTH相比，温度增加过程中VTH仅表现出正漂移，温度增加100 ℃所引起的漂移量| ΔVTH|为0.22 V 左右。温度由100 ℃增加至125 ℃引起的| ΔVTH|明显小于前几个阶段，表明VTH漂移趋势在减弱。可以发现25 ℃时，VTH较为稳定，基本不随时间变化，其余温度下VTH也仅在前1～2 h 内有几个mV 的变化。

2.2 栅极恒压应力对阈值电压的影响

恒压应力是器件加速老化测试中最常用的一种应力形式，此应力作用下器件一直处于导通或关断状态，引起的退化效果相对明显。本文使用恒压应力研究了正栅极电压应力幅值VG_Stress和作用时间对VTH的影响。研究中所需恒压应力由驱动单元提供，应力幅值分别为3 V、4 V、5 V、6 V 以及7 V，作用时间为12 h，且每隔1 h 进行VTH测量。为排除温度变化的影响，测试过程中使用恒温加热台将器件温度控制在25 ℃。恒压应力对阈值电压的影响如图5 所示。

图5 恒压应力VG_Stress对阈值电压的影响

由图5 可知，恒压应力作用下VTH的漂移方向与应力的幅值有关。3 V≤VG_Stress＜5 V 时，VTH正向漂移，漂移量| ΔVTH|随VG_Stress增大而减小；当5 V≤VG_Stress＜7 V 时，VTH负向漂移，| ΔVTH|则随VG_Stress增大而增大；VG_Stress=7 V 时，|ΔVTH|达到最大值，为0.39 V 左右。栅极恒压应力作用时间对VTH的影响则主要集中在前1 h，5 组测试数据表明VTH的漂移在第一个小时内随时间增大并达到峰值，后续的11 个小时中漂移量| ΔVTH|基本稳定，可以认为VTH的漂移达到了饱和状态。

2.3 栅极动态应力对阈值电压的影响

GaN 器件工作时栅极施加的通常为频率较高的动态方波应力，因此本文还研究了动态应力的频率对器件阈值电压的影响。测试使用的6 组动态方波应力，频率依次为100 kHz、400 kHz、750 kHz、1 MHz、1.2 MHz 和1.5 MHz，同时固定应力幅值为±6 V，占空比为50%，测试过程中仍使用恒温加热台控制器件温度为25 ℃。

动态应力对阈值电压的影响如图6 所示。动态应力下VTH的漂移方向没有随频率f改变，仅表现为负漂移。在应力频率100 kHz≤f≤750 kHz 时，| |ΔVTH随f增加而减小，f=100 kHz 时，VTH漂移最为显著，达到-0.4 V。值得注意的是，f=1 MHz 时，VTH的漂移不再减小，反而有较为明显的增加，| |ΔVTH超过了750 kHz 时。随着f的进一步增大，VTH的漂移又缓慢减小。动态应力作用时间对VTH的影响与恒压应力类似，漂移在第一个小时内随时间增大并达到峰值，之后基本处于饱和状态。

图6 动态应力的频率对阈值电压的影响

3 阈值电压漂移现象分析

温度和栅极电压应力引起的VTH漂移现象与栅极堆栈中的电荷存储/释放机制有关[14]。

二维电子气中的部分电子在温度或电场作用下可能溢出AlGaN 势垒层，这部分电子或与非耗尽的p-GaN区域中的空穴发生重组，消耗结构中的正电荷；或被AlGaN 势垒层与耗尽的p-GaN 区域的陷阱捕获，直接引起结构中负电荷增加[15]。上述过程使得栅极结构中的正电荷减少，负电荷增加，从而导致了VTH的正漂移。而来自栅极金属的空穴注入向AlGaN 势垒层方向移动，在p-GaN/AlGaN 界面积累[16]，引起了栅极结构中的正电荷增加，负电荷减少，导致了VTH的负漂移。

简而言之，VTH的漂移方向是由栅极结构中的电子俘获与空穴注入作用共同决定的，电子俘获突出时VTH正漂移，空穴注入突出时VTH负漂移。温度作用下，器件VTH表现为持续的正漂移，说明温度对电子俘获的促进作用更明显。恒压应力作用下，3 V≤VG_Stress＜5 V 时，VTH正漂，5 V≤VG_Stress≤7 V 时，VTH负漂，说明在恒压应力较小时，栅极结构中的电子捕获现象更为突出，电压增大后空穴注入明显增强，改变了原有的负漂移趋势。但在动态应力作用下，VTH仅表现出负漂移特性，表明这种应力作用下空穴注入作用始终占主导地位。电压幅值和频率不同引起的漂移程度的差异是由电子俘获或空穴注入的强度差异决定的。

4 结 论

本文使用恒流注入法实现了GaN 器件阈值电压的测量，设计了测量所需的恒流源电路，使用驱动单元实现栅极加速老化，使用微处理器实现数据精确采集，摆脱了传统栅极电压扫描方式测量设备依赖性大的问题，测试方案具有实现在线监测的潜力。基于设计的测试系统研究了温度和不同类型的栅极电压应力长期作用时的阈值电压漂移特性。

实验结果表明，温度作用主要引起阈值电压的正漂移；栅极恒压应力引起的阈值电压漂移存在正负两个方向，与应力的幅值有关；动态应力下的阈值电压仅表现出负漂移；阈值电压漂移在栅极电压应力作用的第一个小时中随时间增加并达到峰值，之后基本饱和。

该研究对了解p-GaN HEMT 器件的栅极特性具有参考价值，对进一步提高GaN 器件的栅极可靠性具有指导意义。

注：本文通讯作者为鲁金科。