氮化鎵(GaN)，作為一種具有物理和化學性質的半導體材料，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勢盡顯，在5G通信、新能源汽車、數據中心、消費電子等熱門領域，發揮重要的作用。
 

　　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與生產企業，具備完整的“外延材料+芯片制造”自主核心技術與生產能力。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700V、1200V、1700V、3300V等多種規格的中高功率氮化鎵外延材料與功率器件。其產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市場規模高速增長。
 

　　攻克多樣技術難題，鑄就技術品質
 

　　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和動態的參數測試。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，并且展現出了極低的界面電容、優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生的電流崩塌問題。各項性能指標均達到行業水平，意味著其產品在性能、質量和可靠性方面具備優勢，有更強的市場競爭力。
 

　　在靜態測試中，測試樣品處于關斷狀態且漏源電壓Vds達到1200V時，Idss僅為7.69*10-7A，靜態電阻Ron=78mΩ；動態測試的數據同樣優秀，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。從本次瞬態熱阻測試(見圖3)可以看出該測試器件的表現與SiC產品相當，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。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了很高的開關響應速度。
 

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

　　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，進而導致錯誤的測量結果。
 

　　針對此次動態性能測試所面臨的挑戰，廣電計量深入探究氮化鎵開關性能測試技術，對測試布局予以優化，規避測試過程中長環路的引入，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，負載電流(Iload)為 S2 的輸出電容(Coss)充電，由此產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的關注，讓我們對芯片的質量有了十足的信心。通過他們的檢測服務，證明了我們的芯片在電氣參數穩定性和高溫高壓環境下的可靠性方面都達到了行業水平。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量的方法和途徑，為行業發展貢獻力量。”