CN109522617B - AlGaN/GaNHEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法 - Google Patents

AlGaN/GaNHEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法，其步骤包括：通过动态阻抗提取电路提取器件中的动态导通阻抗；拟合提取的动态导通阻抗曲线，提取拟合的曲线斜率；分别计算器件在开关电路中的导通损耗和开关损耗，并换算成器件工作时由损耗产生的温升；建立激活能与动态导通阻抗Rdson的关系模型；最后得到器件降级的平均激活能。本发明首次把AlGaN/GaNHEMT器件的动态导通阻抗与器件降级的平均激活能联系起来，而HEMT器件的动态导通阻抗可以通过搭建的电路来提取。该方法用来提取HEMT器件降级的平均激活能简单快捷，设备简易，还可以用来指导后续开关电路的设计来减少器件缺陷的影响。

Description

AlGaN/GaNHEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法
技术领域
本发明涉及一种AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法。
背景技术
AlGaN/GaN HEMT器件是继硅基和碳化硅基MOSFET之后的全新一代宽禁带半导体器件，拥有硅基无可比拟的优越性能，相比碳化硅基成本也更低。由于AlGaN、GaN材料具备宽禁带、极化效应和导带不连续性等特点，使得制备得到的AlGaN/GaN HEMT器件是具有高频、高耐压、大电流、高耐温、强抗干扰等优越电气性能的场效应晶体管。特别的，HEMT器件层间材料禁带宽、介电常数高，从而可以将结电容控制到非常低的水平，AlGaN/GaN HEMT器件的输入电容(Ciss)、输出电容(Coss)和反馈电容(Crss)通常分别在数十pF、数十pF、数pF量级，远低于硅基和碳化硅基MOSFET的上千pF、上百pF、上百pF量级，因而在高频性能方面表现卓越。
AlGaN/GaN材料自身的自发极化以及晶格常数差异所带来的压电极化和导带不连续性而形成天然的体密度高达1019量级的高浓度二维电子气，使得其导通阻抗非常低。然而不幸的是，AlGaN/GaN HEMT器件在连续工作时存在各种各样的可靠性问题，特别是在高关态电压和高开关频率工作条件下。当HEMT器件在高漏极电压和高开关频率的状态下工作时，高达数MV/cm的局部电场将激活AlGaN势垒层、GaN缓冲层以及AlGaN/GaN界面处、AlGaN表面处的缺陷，这些激活的缺陷将俘获沟道中二维电子气(2DEG)的部分电子，导致动态状态电阻(Rdson)出现不良的退化。
目前GaN、AlGaN材料生长产生的高密度缺陷仍继续困扰着该产业的发展，致使AlGaN/GaN HEMT器件存在的动态导通阻抗增加的问题不能被彻底消除。因而，除了基于物理的表征方法，我们同样需要发展基于应用的新的表征方法来研究动态导通阻抗增加的问题，并将其与深层次物理意义上的器件缺陷的激活能相关联，来发现器件缺陷的激活能与应用电路之间的关系，从而可以寻找基于后端应用的新的方法来规避动态导通阻抗增加的这个问题。
许多研究用不同的方法表征了AlGaN/GaN HEMT器件中存在的缺陷的激活能。例如Klein等人利用光猝灭测量法，利用缺陷的光谱依赖性研究了GaN基金属半导体场效应晶体管(MSFET)中的深能级缺陷并提取其激活能；Zhang等人用脉冲漏极电压测量法表征了AlGaN/GaN界面处的受主态缺陷。此外，通过高分辨率透射电镜、电容模式深能级瞬态光谱、深能级光谱学等方法也可以获得AlGaN/GaN HEMT器件中缺陷的激活能。虽然这些方法可以通过物理或数值分析得到准确的数值结果，但这些方法是基于晶圆级的测量，操作起来也非常复杂，仪器设备也非常昂贵。另外，这些方法无法直观地了解缺陷如何影响AlGaN/GaNHEMT器件在开关电源转换器的性能。因此，在实际的开关电路中测量HEMT器件的捕获效果是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法，其步骤包括：
(1)通过动态阻抗提取电路提取AlGaN/GaN HEMT器件中的动态导通阻抗Rdson；
(2)拟合提取的动态导通阻抗曲线，提取拟合的曲线斜率；
(3)分别计算AlGaN/GaN HEMT器件在开关电路中的导通损耗PCON和开关损耗PSW；
(4)将导通损耗PCON和开关损耗PSW换算成AlGaN/GaN HEMT器件工作时由损耗产生的温升ΔT；
(5)建立激活能与动态导通阻抗Rdson的关系模型，得到AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能。
优选的，步骤(2)中对动态导通阻抗进行归一化处理再拟合曲线，归一化的方式为将被测AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗与其直流导通阻抗进行归一化。
优选的，步骤(3)中AlGaN/GaN HEMT器件在开关电路中的导通损耗PCON的计算方式为：
PCON＝KthKDIrms 2Rdson (1)
其中Rdson是导通阻抗，包括直流导通阻抗和动态导通阻抗，可以由本发明中图1提出的电路来进行精确提取，其值等于在AlGaN/GaN HEMT器件导通时的B点电压减去D1和D2的前向导通压降，再除以器件导通的电流Ids；kth是器件导通阻抗随温度变化的比例系数(相对于25℃条件下)；kD是动态导通阻抗相对于直流导通阻抗增加的比例系数；Irms是AlGaN/GaN HEMT器件导通电流的有效值，可通过示波器实际捕捉获得。
优选的，步骤(3)中AlGaN/GaN HEMT器件在开关电路中的开关损耗PSW换的计算方式为：
Figure BDA0001844796530000031
式中Ids是通过AlGaN/GaN HEMT器件的实时输出电流，Vds是加载在器件漏极的实时电压，dt分别包含开通时间ton和关断时间toff，该时间可通过示波器实际捕捉获得；Coss是AlGaN/GaN HEMT器件的输出电容；fs是AlGaN/GaN HEMT器件的工作频率。
优选的，温升ΔT的计算方式为：
ΔT＝(1+k)Irms 2RdsonRθJA (3)
其中k＝Psw/PCON (4)
式中k是开关损耗折算成导通损耗的比例，RθJA是器件的结到空气的热阻。
优选的，步骤(5)中激活能与动态导通阻抗Rdson的关系模型为:
Figure BDA0001844796530000032
式中γ1和γ2分别是AlGaN势垒层和GaN缓冲层的电场加速因子，E是电场，kB是玻尔兹曼常数，T是器件的结温。slope是关系物理变量的变化率，这里采用的关系物理变量为归一化动态导通阻抗，因此slope转变成slope(Rdson)。Ea是器件中缺陷的激活能。
本发明有益效果如下：
(1)本发明首次把AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗与器件降级的平均激活能联系起来，而HEMT器件的动态导通阻抗可以通过搭建的电路来提取，提取方法简单快捷，设备简易。
(2)该方法可以提取封装前的晶圆级AlGaN/GaN HEMT器件和封装后的成品器件降级的平均激活能。
(3)该方法可以用来解释AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗随器件漏极电压的变化趋势的原因，指导后续开关电路的设计来减少器件缺陷的影响。
(4)通过该方法，可以提出更有利于AlGaN/GaN HEMT器件在高频电路中应用的工作模式，从而可以减小动态导通阻抗增大的问题。通过本发明的方法发现，在特定工作频率和输入电压的情况下，要想减小动态导通阻抗增大的问题，可以尽量增加工作占空比，从而降低关态高压的影响。另外，临界断续工作模式(QRM)或者其它可以降低关态时电压值的软开关工作方式都有利于减小动态导通阻抗增大的问题。
附图说明
图1为AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法的流程框图。
图2为本发明实施例1采用的AlGaN/GaN HEMT器件动态导通阻抗提取电路图。
图3为归一化动态导通阻抗测试结果及曲线拟合图。
具体实施方式
实施例1
本AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法，其步骤包括：
(1)通过动态阻抗提取电路提取AlGaN/GaN HEMT器件中的动态导通阻抗Rdson；
(2)将被测AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗与其直流导通阻抗进行归一化后，拟合提取的动态导通阻抗曲线，提取拟合的曲线斜率，拟合的曲线如图2所示，图2中X轴：被测AlGaN/GaN HEMT器件的漏极加载电压，Y轴：归一化动态导通阻抗，其归一化的方式为将被测AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗与其直流导通阻抗进行归一化；测试条件：工作频率为100kHz，占空比为80％，漏极加载电压从50V到600V；拟合曲线显示在200V漏极加载电压时存在一个拐点，这个拐点发生的原因可以用不同激活能的能级水平来解释；
(3)分别计算AlGaN/GaN HEMT器件在开关电路中的导通损耗PCON和开关损耗PSW；
PCON＝KthKDIrms 2Rdson (1)
Figure BDA0001844796530000051
式(1)中Irms是AlGaN/GaN HEMT器件导通电流的有效值，Rdson是导通阻抗，式(2)中式中Ids是通过AlGaN/GaN HEMT器件的实时输出电流，Vds是加载在器件漏极的实时电压，dt分别包含开通时间ton和关断时间toff，Coss是AlGaN/GaN HEMT器件的输出电容，fs是AlGaN/GaN HEMT器件的工作频率。
(4)将导通损耗PCON和开关损耗PSW换算成AlGaN/GaN HEMT器件工作时由损耗产生的温升ΔT；
ΔT＝(1+k)Irms 2RdsonRθJA (3)
k＝Psw/PCON (4)
式(3)中k是开关损耗折算成导通损耗的比例，RθJA是器件的结到空气的热阻。
(5)建立激活能与动态导通阻抗Rdson的关系模型，得到AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能。
建模过程如下：
a：标准的阿伦尼乌斯定理：
Figure BDA0001844796530000053
式中A是指数前因子,kB是玻尔兹曼常数,Ea是器件中缺陷的激活能，T是器件的结温。
b：将阿伦尼乌斯等式根据经时击穿原理转换为：
Figure BDA0001844796530000052
式中γ是电场加速因子，E是电场，slope是关系物理变量的变化率
c、计算AlGaN/GaN HEMT器件的导通损耗和开关损耗并按比例折算成导通损耗：
Trise＝(PCON+PSW)RθJA＝(1+k)Irms 2RdsonRθJA
式中Trise是温升，PCON是AlGaN/GaN HEMT器件的导通损耗,PSW是AlGaN/GaN HEMT器件的开关损耗,k是开关损耗折算成导通损耗的比例。Irms是器件导通电流的有效值，Rdson是导通阻抗，RθJA是器件的结到空气的热阻。
d、将折算后导通损耗转换成温升：
ΔT＝(1+k)Irms 2ΔRdsonRθJA
e、得到激活能与动态导通阻抗的关系模型：
Figure BDA0001844796530000061
式中，γ1和γ2分别是AlGaN势垒层和GaN缓冲层的电场加速因子；因为slope是关系物理变量的变化率，此处采用的关系物理变量为归一化动态导通阻抗，因此slope转变成slope(Rdson)。
本实施例中采用的AlGaN/GaN HEMT器件动态阻抗提取电路，包括：待测的AlGaN/GaN HEMT器件、待测的AlGaN/GaN HEMT器件的供电输入单元VBulk、阻性负载RLOAD、恒流单元I1、恒流单元I1的供电输入单元VCC、隔离二极管D1和D2、续流二极管D3、防反向二极管D5、钳位和续流二极管ZD1、驱动单元、阻尼电阻R1和R2、负载电阻Rt,所述供电输入单元V Bulk给AlGaN/GaN HEMT器件的漏级供电，在VBulk与AlGaN/GaN HEMT器件的漏级之间还串连有阻性负载RLOAD，AlGaN/GaN HEMT器件的源极接地，驱动单元为AlGaN/GaN HEMT器件提供所需的驱动输入控制信号，供电输入单元VCC与防反向二极管D5的正极连接，防反向二极管D5的负极与恒流单元I1的正极连接，恒流单元I1的负极连接到D2的正极，D2的负极连接到D1的正极，D1的负极连接到AlGaN/GaN HEMT器件的漏级，Rt一端与D2的正极连接，另一端接地，D3的负极与D2的正极连接，D3的正极与R2连接，R2另一端接地，ZD1的负极与D1的正极连接，ZD1的正极与R1连接，R1另一端接地。
该电路采用双二极管隔离(DDI)方法获得较高的测量精度。特别地，该电路中的所有功能型器件均采用了低寄生电容的器件，改善了高频响应。比如，双隔离二极管D1和D2选择UF4007(1A/1000V)，其寄生电容在10V以下电压应力时不到40pF，而他其反向恢复时间(trr)低于100ns。与此同时，钳位和续流二极管D3和ZD1选择1N4148(150mA/100V)和一般齐纳二极管(5V/0.5W)，其寄生电容在10V以下电压应力时仅为0.9pF，而其trr均小于5ns。另外，恒流I1由一个5V恒压源和一个3mA或更低的恒流二极管组成。恒流二极管实际上是栅源短路的结型晶体管，因此能够实现在较宽电压范围下的电流恒定。
也可以采用其他已公开的电路来提取AlGaN/GaN HEMT器件中的动态导通阻抗。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法，其步骤包括：
(1)通过动态阻抗提取电路提取AlGaN/GaN HEMT器件中的动态导通阻抗Rdson；
(2)拟合提取的动态导通阻抗曲线，提取拟合的曲线斜率；
(3)分别计算AlGaN/GaN HEMT器件在开关电路中的导通损耗PCON和开关损耗PSW；
(4)将导通损耗PCON和开关损耗PSW换算成AlGaN/GaN HEMT器件工作时由损耗产生的温升ΔT；
(5)建立激活能与动态导通阻抗Rdson的关系模型，得到AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能；其中
步骤(3)中AlGaN/GaN HEMT器件在开关电路中的导通损耗PCON的计算方式为：
PCON＝KthKDIrms 2Rdson (1)
其中Rdson是导通阻抗，包括直流导通阻抗和动态导通阻抗；kth是器件导通阻抗随温度变化的比例系数；kD是动态导通阻抗相对于直流导通阻抗增加的比例系数；Irms是AlGaN/GaN HEMT器件导通电流的有效值，可通过示波器实际捕捉获得；
步骤(3)中AlGaN/GaN HEMT器件在开关电路中的开关损耗PSW换的计算方式为：
Figure FDA0003960601140000011
式中Ids是通过AlGaN/GaN HEMT器件的实时输出电流，Vds是加载在器件漏极的实时电压，dt分别包含开通时间ton和关断时间toff，该时间通过示波器实际捕捉获得；Coss是AlGaN/GaN HEMT器件的输出电容；fs是AlGaN/GaN HEMT器件的工作频率。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法，其特征在于：步骤(2)中对动态导通阻抗进行归一化处理再拟合曲线，归一化的方式为将被测AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗与其直流导通阻抗进行归一化。
3.根据权利要求2所述的AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法，其特征在于：温升ΔT的计算方式为：
ΔT＝(1+k)Irms 2RdsonRθJA (3)
其中k＝Psw/PCON (4)
式中k是开关损耗折算成导通损耗的比例，RθJA是器件的结到空气的热阻。
4.根据权利要求3所述的AlGaN/GaN HEMT器件降级的平均激活能的新型提取方法，其特征在于：步骤(5)中激活能与动态导通阻抗Rdson的关系模型为:
Figure FDA0003960601140000021
式中γ1和γ2分别是AlGaN势垒层和GaN缓冲层的电场加速因子，E是电场，kB是玻尔兹曼常数，T是器件的结温，slope是关系物理变量的变化率，采用的关系物理变量为归一化动态导通阻抗，因此slope转变成slope(Rdson)，Ea是器件中缺陷的激活能。
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