CN116034280A - 用于动态地评估半导体装置的退化的系统、方法和非暂时性计算机可读媒体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于动态地评估半导体装置的退化的方法。所述方法包括：确定所述半导体装置的阈值电压；基于所确定的阈值电压计算泄漏电流限值；测量所述半导体装置的泄漏电流；以及将测得的泄漏电流与计算出的泄漏电流限值进行比较以评估所述半导体装置的退化。通过将不同幅度的亚阈值驱动脉冲序列插入施加到所述装置的驱动信号来确定所述阈值电压Vth，使得所述装置在所述亚阈值驱动脉冲期间在亚阈值区中操作。可在监测所述泄漏电流时考虑动态阈值电压和变化的工作温度。可在不影响正常操作的情况下获得更好的保护和对系统故障的更有效预防。
Description
技术领域
本发明总体来说涉及评估半导体装置的可靠性，且更具体地说，涉及用于动态地评估氮化镓(GaN)半导体装置的可靠性的系统、方法和非暂时性计算机可读媒体。
背景技术
由于低功率损耗和快速切换速度，基于GaN的开关装置已广泛用于高频电能转换系统。组件退化评估是防止系统故障的一个重要措施。检测晶体管的退化的一种方式为监测其栅极-源极泄漏电流Igss且将测得值与预设限值进行比较。当测得值超出限值时，晶体管被视为退化。例如动态阈值电压和变化的工作温度等因素可影响泄漏电流的测量。
来自不同生产批次的装置可具有不同阈值电压，从而使栅极源极泄漏电流产生较大变化。
预设栅极源极泄漏电流限值可能过高而无法提供足够的保护以用于防止系统故障。
因此，对于领域中的某些应用，期望基于动态阈值电压和变化的工作温度动态地监测栅极源极泄漏电流。此外，由于退化为长期过程，因此期望偶尔沿着装置的操作寿命执行栅极源极泄漏电流的监测，而不会对正常操作造成任何影响。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供一种用于动态地评估基于氮化镓(GaN)的半导体装置的退化的系统。所述系统包括：驱动器电路，其配置成将驱动信号施加到DUT；控制器，其配置成控制驱动器将不同幅度的亚阈值驱动脉冲序列插入驱动信号，使得DUT在亚阈值驱动脉冲期间在亚阈值区中操作；第一电流感测电路，其配置成针对亚阈值驱动脉冲中的每一个测量装置的漏极-源极电流Ids，以获得对应于亚阈值驱动脉冲序列的测得漏极-源极电流序列；第二电流感测电路，其配置成测量装置的泄漏电流。控制器进一步配置成：针对亚阈值驱动脉冲中的每一个测量装置的栅极-源极电压Vgs，以获得对应于亚阈值驱动脉冲序列的测得栅极-源极电压序列；从第一电流感测电路接收测得漏极-源极电流序列；基于测得栅极-源极电压序列和测得漏极-源极电流序列确定装置的阈值电压Vth；基于所确定的阈值电压计算泄漏电流限值；从第二电流感测电路接收测得的泄漏电流；以及将测得的泄漏电流与计算出的泄漏电流限值进行比较以评估装置的退化。
系统进一步包括温度感测电路，所述温度感测电路配置成测量装置的工作温度；并且其中控制器进一步配置成：从温度感测电路接收测得的工作温度；基于测得的工作温度调整计算出的泄漏电流限值；以及将测得的泄漏电流与调整后的泄漏电流限值进行比较以评估装置的退化。
根据本公开的第二方面，提供一种用于动态地评估基于氮化镓(GaN)的半导体装置的退化的方法。方法包括：确定装置的阈值电压Vth；基于所确定的阈值电压计算泄漏电流限值；测量装置的泄漏电流；以及将测得的泄漏电流与计算出的泄漏电流限值进行比较以评估装置的退化。通过以下操作确定阈值电压Vth：将不同幅度的亚阈值驱动脉冲序列插入施加到装置的驱动信号，使得装置在亚阈值驱动脉冲期间在亚阈值区中操作；针对亚阈值驱动脉冲中的每一个感测装置的栅极-源极电压Vgs，以获得对应于亚阈值驱动脉冲序列的栅极-源极电压序列；针对亚阈值驱动脉冲中的每一个感测装置的漏极-源极电流Ids，以获得对应于亚阈值驱动脉冲序列的漏极-源极电流序列；以及基于所感测的栅极-源极电压序列和所感测的漏极-源极电流序列确定开关元件的阈值电压Vth。方法进一步包括：测量装置的工作温度；基于测得的工作温度调整计算出的泄漏电流限值；
以及将测得的泄漏电流与调整后的泄漏电流限值进行比较以评估装置的退化。
根据本公开的第三方面，提供一种存储程序的非暂时性计算机可读媒体，所述程序使计算机执行上述用于动态地评估基于氮化镓(GaN)的半导体装置的退化的方法。
借助于由本发明提供的系统、方法和非易失性计算机可读存储媒体，可在监测泄漏电流时考虑动态阈值电压和变化的工作温度。因此，可获得更好的保护和对系统故障的更有效预防。此外，由于亚阈值驱动脉冲可被设置成具有比正常驱动信号脉冲短得多的脉冲宽度，因此评估过程对正常操作造成的影响可忽略不计。
附图说明
通过参考附图从以下详细描述可以容易地理解本公开的各方面。图示可能未必按比例绘制。也就是说，为了论述清楚起见，各种特征的尺寸可任意增大或减小。由于制造过程和公差，本公开中的工艺再现与实际系统之间可能存在区别。可在整个附图和实施方式中使用共同参考数字来指示相同或相似组件。
图1展示根据本公开的示范性实施例的用于动态地评估半导体装置的退化的系统的框图。
图2展示根据本公开的示范性实施例的用于动态地评估半导体装置的退化的系统的电路图。
图3A至3C为根据本公开的示范性实施例的在动态地评估半导体装置的退化时使用的驱动信号脉冲的示范性波形。
图4展示根据本公开的另一示范性实施例的用于动态地评估半导体装置的退化的系统的框图。
图5展示根据本公开的另一示范性实施例的用于动态地评估半导体装置的退化的系统的电路图。
图6展示根据本公开的一个实施例的用于动态地评估半导体装置的退化的方法的流程图。
图7展示根据本公开的一个实施例的确定阈值电压的步骤的流程图。
图8展示根据本公开的另一示范性实施例的用于动态地评估半导体装置的退化的计算机可读存储媒体与系统之间的连接状态的示意图。
具体实施方式
在以下描述中，将阐述本公开的优选实例作为应被视为说明性而非限制性的实施例。
可以省略特定细节以免使本公开模糊不清；然而，编写本公开是为了使所属领域的技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。
应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例，且可作出结构性改变。并且，应当理解，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应当被视为是限制性的。本文中使用“包含”、“包括”或“具有”及其变体意在涵盖其后列出的项目及其等效物以及额外项目。除非另有限制，否则术语“连接”、“耦合”和“安装”及其在本文中的变体是广义上使用的并且涵盖直接和间接连接、耦合和安装。
图1和2展示根据本公开的示范性实施例的用于动态地评估半导体装置110的退化的系统100的框图和电路图。参看图1，系统100可包含驱动器电路120、第一电流感测电路130、第二电流感测电路140、控制器150和温度感测电路160。
半导体装置110可为包含源极端子S、栅极端子G和漏极端子D的GaN晶体管。在一些实施例中，GaN晶体管为高电子迁移率晶体管(HEMT)。在一些实施例中，GaN晶体管为增强型晶体管。在一些实施例中，GaN开关装置为耗尽型晶体管。在一些实施例中，半导体装置为高压垂直型GaN开关装置，因此本公开中使用的半导体装置110的类型不限于此。
驱动器电路120具有电耦合到控制器150的驱动器控制节点1501的输入端子和通过第一电流感测电路130电耦合到装置110的输出端子。
第一电流感测电路130具有电耦合到驱动器电路120的输出端子的第一导电端子；电耦合到装置110的栅极端子G的第二导电端子；以及电耦合到控制器150的泄漏电流感测节点1502的第三导电端子。
控制器150进一步具有电耦合到装置110的栅极端子的栅极-源极电压感测节点1503。
第二电流感测电路140具有电耦合到装置110的源极端子S的第一导电端子和电耦合到控制器150的漏极-源极电流感测节点1504的第二导电端子。
温度感测电路160具有电耦合到控制器150的温度感测节点1505的导电端子。
为了动态地评估半导体装置110的退化，控制器150可配置成产生控制信号Vctrl以控制驱动器电路120将不同幅度的亚阈值驱动脉冲序列Vsubth插入由驱动器电路120施加到装置110的驱动信号Vdrv，使得装置110在亚阈值驱动脉冲期间在亚阈值区中操作。
第一电流感测电路130可配置成针对亚阈值驱动脉冲中的每一个测量装置110的漏极
-源极电流Ids，以获得对应于亚阈值驱动脉冲序列的测得漏极-源极电流序列。
第二电流感测电路140可配置成测量装置110的泄漏电流Igss。在一些实施例中，第二电流感测电路140可配置成在装置110在标准工作电压(例如6伏)下操作时测量泄漏电流Igss。
控制器150可进一步配置成针对亚阈值驱动脉冲中的每一个测量装置110的栅极-源极电压Vgs，以获得对应于亚阈值驱动脉冲序列的测得栅极-源极电压序列；从第一电流感测电路130接收测得漏极-源极电流序列；以及基于测得栅极-源极电压序列和测得漏极
-源极电流序列确定装置110的阈值电压Vth。
在一些实施例中，控制器150可进一步配置成基于所确定的阈值电压计算泄漏电流限值；从第二电流感测电路140接收测得的泄漏电流；以及比较测得的泄漏电流与计算出的泄漏电流限值以评估装置110的退化。
温度感测电路160可配置成测量装置110的工作温度。
在一些实施例中，控制器150可进一步配置成从温度感测电路160接收测得的工作温度；基于测得的工作温度调整计算出的泄漏电流限值；以及将测得的泄漏电流与调整后的泄漏电流限值进行比较以评估装置110的退化。
参考图2。驱动器电路120可包含第一晶体管Q1，所述第一晶体管具有电连接到电压源VCC的漏极、电连接到驱动器电路的输出端子的源极以及电连接到驱动器电路的输入端子的栅极。驱动器电路可进一步包含第二晶体管Q2，所述第二晶体管具有电连接到驱动器电路的输出端子的漏极、电连接到地的源极以及电连接到驱动器电路的输入端子的栅极。
第一电流感测电路130可包含第一电流感测电阻器R1，所述第一电流感测电阻器具有电连接到第一电流感测电路130的第一导电端子的第一端和电连接到第一电流感测电路130的第二导电端子的第二端。第一电流感测电路130可进一步包含第一限流电阻器R2，所述第一限流电阻器具有电连接到第一电流感测电阻器R1的第一端的第一端。第一电流感测电路130可进一步包含第二限流电阻器R3，所述第二限流电阻器具有电连接到第一电流感测电阻器R1的第二端的第一端。第一电流感测电路130可进一步包含运算放大器A1，所述运算放大器具有电连接到第一限流电阻器R2的第二端的非反相端子、电连接到第二限流电阻器R3的第二端的反相端子以及电连接到第一电流感测电路130的第三导电端子的输出端子。第一电流感测电路130可进一步包含反馈电阻器R4，所述反馈电阻器具有电连接到运算放大器的反相端子的第一端和电连接到运算放大器的输出端子的第二端。
第二电流感测电路140可包含第二电流感测电阻器R5，所述第二电流感测电阻器具有电连接到第二电流感测电路140的第一导电端子的第一端和电连接到第二电流感测电路140的第二导电端子的第二端。
优选地，亚阈值驱动脉冲中的每一个具有比驱动信号的脉冲宽度短得多的脉冲宽度。
举例来说，亚阈值驱动脉冲的脉冲宽度可在驱动信号的脉冲宽度的1/1000到1/10的范围内。
图3A至3C为根据本公开的示范性实施例的在动态地评估半导体装置的退化时使用的驱动信号脉冲的示范性波形。参看图3A，亚阈值驱动脉冲中的每一个位于驱动信号脉冲的上升沿。参看图3B，亚阈值驱动脉冲中的每一个位于驱动信号脉冲的下降沿。参看图3C，亚阈值驱动脉冲中的每一个位于两个驱动信号脉冲之间。
图4和5展示根据本公开的另一示范性实施例的用于动态地评估半导体装置110的退化的系统200的框图和电路图。系统200类似于系统100，不同之处在于具有不同的第一电流感测电路230。出于简洁性，图1和图4中的相同元件给出相同参考数字，且将不进一步详细描述。
如图4中所示，第一电流感测电路230具有电耦合到驱动器电路120的输出端子和装置110的栅极端子的第一导电端子。也就是说，驱动器电路120的输出端子直接耦合到装置110。第一电流感测电路230进一步具有电耦合到控制器150的泄漏电流感测节点1502的第二导电端子；以及电耦合到控制器150的驱动器控制节点1501的控制端子。
参看图5，第一电流感测电路230可具有第三晶体管Q3，所述第三晶体管具有电连接到电压源VCC的漏极、电连接到第一电流感测电路230的第二导电端子的源极以及电连接到第一电流感测电路230的控制端子的栅极。第一电流感测电路230可进一步具有第一电流感测电阻器R6，所述第一电流感测电阻器具有电连接到第一电流感测电路230的第一导电端子的第一端和电连接到第一电流感测电路230的第二导电端子的第二端。
图6展示用于根据本公开的一个实施例的用于动态地评估半导体装置的退化的方法的流程图。方法可包含以下步骤：
S602：确定装置的阈值电压Vth；
S604：基于所确定的阈值电压计算泄漏电流限值；
S606：测量装置的泄漏电流；以及
S608：将测得的泄漏电流与计算出的泄漏电流限值进行比较以评估装置的退化。
参看图7，在步骤S602中，通过以下操作确定阈值电压Vth：
S6022：将不同幅度的亚阈值驱动脉冲序列插入施加到装置的驱动信号，使得装置在亚阈值驱动脉冲期间在亚阈值区中操作；
S6024：针对亚阈值驱动脉冲中的每一个感测装置的栅极-源极电压Vgs，以获得对应于亚阈值驱动脉冲序列的栅极-源极电压序列；
S6026：针对亚阈值驱动脉冲中的每一个感测装置的漏极-源极电流Ids，以获得对应于亚阈值驱动脉冲序列的漏极-源极电流序列；以及
S6028：基于所感测的栅极-源极电压序列和所感测的漏极-源极电流序列确定开关元件的阈值电压Vth。
返回参看图6。任选地，方法可进一步包含以下步骤：
S610：测量装置的工作温度；
S612：基于测得的工作温度调整计算出的泄漏电流限值；以及
S614：将测得的泄漏电流与调整后的泄漏电流限值进行比较以评估装置的退化。
参看图8，本申请的实施方案进一步提供包含计算机程序801的非暂时性计算机可读存储媒体800。在一些实施例中，计算机程序801在由系统100/200中的控制器150执行时使得系统100/200执行以上用于动态地评估半导体装置的退化的方法。
选择和描述实施例以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使得所属领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适合于所预期的特定用途的各种修改。虽然本文中所公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作加以描述，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下对这些操作进行组合、细分或重新排序以形成等效方法。因此，除非在本文中具体指示，否则操作的次序及分组不受限制。虽然本文中公开的系统已参考特定结构、形状、材料、物质组成和关系等加以描述，但这些描述和说明并非限制性的。可作出修改以使特定情形适用于本公开的目标、精神和范围。所有此类修改旨在处于所附权利要求的范围内。
Claims (25)
1.一种用于动态地评估基于氮化镓(GaN)的半导体装置的退化的系统，其特征在于，包括：
驱动器电路，其配置成将驱动信号施加到所述装置；
控制器，其配置成控制所述驱动器电路将不同幅度的亚阈值驱动脉冲序列插入所述驱动信号，使得所述装置在所述亚阈值驱动脉冲期间在亚阈值区中操作；
第一电流感测电路，其配置成针对所述亚阈值驱动脉冲中的每一个测量所述装置的漏极-源极电流Ids，以获得对应于所述亚阈值驱动脉冲序列的测得漏极-源极电流序列；
第二电流感测电路，其配置成测量所述装置的泄漏电流；
其中所述控制器进一步配置成：
针对所述亚阈值驱动脉冲中的每一个测量所述装置的栅极-源极电压Vgs，以获得对应于所述亚阈值驱动脉冲序列的测得栅极-源极电压序列；
从所述第一电流感测电路接收所述测得漏极-源极电流序列；
基于所述测得栅极-源极电压序列和所述测得漏极-源极电流序列确定所述装置的阈值电压Vth；
基于所确定的阈值电压计算泄漏电流限值；从所述第二电流感测电路接收测得的泄漏电流；以及
将所述测得的泄漏电流与计算出的泄漏电流限值进行比较以评估所述装置的退化。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括温度感测电路，所述温度感测电路配置成测量所述装置的工作温度；并且其中所述控制器进一步配置成：
从所述温度感测电路接收测得的工作温度；
基于所述测得的工作温度调整所述计算出的泄漏电流限值；以及
将所述测得的泄漏电流与调整后的泄漏电流限值进行比较以评估所述装置的退化。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲中的每一个位于驱动信号脉冲的上升沿。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲中的每一个位于驱动信号脉冲的下降沿。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲中的每一个位于两个驱动信号脉冲之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述驱动器电路具有电耦合到所述控制器的驱动器控制节点的输入端子和电耦合到所述第一电流感测电路的输出端子。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述驱动器电路包含：
第一晶体管，其具有电连接到电压源的漏极、电连接到所述驱动器电路的所述输出端子的源极以及电连接到所述驱动器电路的所述输入端子的栅极；以及
第二晶体管，其具有电连接到所述驱动器电路的所述输出端子的漏极、电连接到地的源极以及电连接到所述驱动器电路的所述输入端子的栅极。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一电流感测电路具有电耦合到所述驱动器电路的所述输出端子的第一导电端子；电耦合到所述装置的栅极端子的第二导电端子；以及电耦合到所述控制器的泄漏电流感测节点的第三导电端子。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一电流感测电路包含：
第一电流感测电阻器，其具有电连接到所述第一电流感测电路的所述第一导电端子的第一端和电连接到所述第一电流感测电路的所述第二导电端子的第二端；
第一限流电阻器，其具有电连接到所述第一电流感测电阻器的所述第一端的第一端；
第二限流电阻器，其具有电连接到所述第一电流感测电阻器的所述第二端的第一端；
运算放大器，其具有电连接到所述第一限流电阻器的第二端的非反相端子、电连接到所述第二限流电阻器的第二端的反相端子以及电连接到所述第一电流感测电路的所述第三导电端子的输出端子；以及
反馈电阻器，其具有电连接到所述运算放大器的所述反相端子的第一端和电连接到所述运算放大器的所述输出端子的第二端。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一电流感测电路具有电耦合到所述驱动器电路的所述输出端子和所述装置的栅极端子的第一导电端子；电耦合到所述控制器的泄漏电流感测节点的第二导电端子；以及电耦合到所述控制器的所述驱动器控制节点的控制端子。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一电流感测电路包含：
第三晶体管，其具有电连接到所述电压源的漏极、电连接到所述第一电流感测电路的所述第二导电端子的源极以及电连接到所述第一电流感测电路的所述控制端子的栅极；以及
第一电流感测电阻器，其具有电连接到所述第一电流感测电路的所述第一导电端子的第一端和电连接到所述第一电流感测电路的所述第二导电端子的第二端。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器具有电耦合到所述装置的栅极端子的栅极-源极电压感测节点。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的系统，其特征在于，所述第二电流感测电路具有电耦合到所述装置的源极端子的第一导电端子和电耦合到所述控制器的漏极-源极电流感测节点的第二导电端子。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第二电流感测电路包含第二电流感测电阻器，所述第二电流感测电阻器具有电连接到所述第二电流感测电路的所述第一导电端子的第一端和电连接到所述第二电流感测电路的所述第二导电端子的第二端。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统，其特征在于，所述温度感测电路具有电耦合到所述控制器的温度感测节点的导电端子。
16.一种用于动态地评估基于氮化镓(GaN)的半导体装置的退化的方法，其特征在于，包括：
确定所述装置的阈值电压Vth；
基于所确定的阈值电压计算泄漏电流限值；
测量所述装置的泄漏电流；以及
将测得的泄漏电流与计算出的泄漏电流限值进行比较以评估所述装置的退化；
其中通过以下操作确定所述阈值电压Vth：
将不同幅度的亚阈值驱动脉冲序列插入施加到所述装置的驱动信号，使得所述装置在所述亚阈值驱动脉冲期间在亚阈值区中操作；
针对所述亚阈值驱动脉冲中的每一个感测所述装置的栅极-源极电压Vgs，以获得对应于所述亚阈值驱动脉冲序列的栅极-源极电压序列；
针对所述亚阈值驱动脉冲中的每一个感测所述装置的漏极-源极电流Ids，以获得对应于所述亚阈值驱动脉冲序列的漏极-源极电流序列；以及
基于所感测的栅极-源极电压序列和所感测的漏极-源极电流序列确定开关元件的所述阈值电压Vth。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括
测量所述装置的工作温度；
基于测得的工作温度调整所述计算出的泄漏电流限值；以及
将所述测得的泄漏电流与调整后的泄漏电流限值进行比较以评估所述装置的退化。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲序列分别插入在驱动信号脉冲序列的上升沿处。
19.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲序列分别插入在驱动信号脉冲序列的下降沿处。
20.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲序列分别插入在驱动信号脉冲序列之间的时间间隙处。
21.一种存储使计算机执行根据权利要求16所述的方法的程序的非暂时性计算机可读媒体。
22.根据权利要求21所述的非暂时性计算机可读媒体，其特征在于，所述方法进一步包括：
测量所述装置的工作温度；
基于所述测得的工作温度调整所述计算出的泄漏电流限值；以及
将所述测得的泄漏电流与所述调整后的泄漏电流限值进行比较以评估所述装置的退化。
23.根据权利要求21或22所述的非暂时性计算机可读媒体，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲序列分别插入在驱动信号脉冲序列的上升沿处。
24.根据权利要求21或22所述的非暂时性计算机可读媒体，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲序列分别插入在驱动信号脉冲序列的下降沿处。
25.根据权利要求21或22所述的非暂时性计算机可读媒体，其特征在于，所述亚阈值驱动脉冲序列分别插入在驱动信号脉冲序列之间的时间间隙处。
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