CN116165504A - 一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法。通过对氮化镓晶体管进行脉冲测试，模拟其在电路中动态开关的工作情况，根据脉冲测试得到的动态转移曲线，标定出氮化镓晶体管阈值电压随着驱动电压应力值、应力时间等条件的漂移情况；定量分析出阈值电压漂移导致的动态电阻、栅极电荷等关键物理量的变化；在驱动端动态调整栅极驱动电压，修正氮化镓晶体管导通电阻、栅极电荷等物理量因阈值漂移导致的退化，提升氮化镓晶体管导通电阻稳定性。该发明方法可以有效抑制氮化镓晶体管性能在动态开关过程中的阈值电压漂移，提升氮化镓晶体管在高速开关工作中的稳定性和可靠性。

Description

一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法
技术领域
本发明属于半导体器件领域，涉及一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法。
背景技术
氮化镓功率器件凭借其高频、高压、耐高温的优势已经广泛应用于功率变换电路。目前有两种商用的常关型氮化镓高电子迁移率晶体管，分别是共源共栅结构(Cascodeswitch)和p型氮化镓栅极高电子迁移率晶体管结构(p-GaN gate HEMT)，其中p型氮化镓栅极高电子迁移率晶体管结构(p-GaN gate HEMT)寄生电感较小，应用较为广泛。
阈值电压是半导体开关器件的重要参数，通常将传输特性曲线中输出电流随输入电压改变而急剧变化转折区的中点对应的输入电压称为阈值电压，根据具体实验关注的侧重点，有时也可提取转移曲线中电流到达某一水平时的栅极电压作为阈值电压。目前半导体开关器件的数据表提及的阈值电压基本为静态阈值电压。一般测试静态转移(特性)曲线时漏极应力较小，栅极信号从0开始递增。此时测试的静态转移曲线没有考虑器件关断时漏极高电压应力及器件开启时栅极开启应力对于阈值电压的影响，也没有考虑半导体器件开关状态切换时器件稳定性及阈值电压的变化。已有相关报道指出漏极应力、栅极应力、应力时间、器件温度等因素都会影响半导体开关器件工作稳定性及阈值电压。因此在静态转移曲线基础上还应该进一步分析器件的动态特性。
以氮化镓晶体管为例，在开关切换时，栅极介质层(p-GaN层)当中较高的缺陷密度会俘获电子和空穴，导致氮化镓晶体管阈值电压不稳定。阈值电压的负向漂移会增大氮化镓晶体管误开启的几率。阈值电压的正向漂移将导致氮化镓晶体管开通时的导通电阻增大，同时阈值电压正向漂移还将伴随栅极电荷Qg的增大，使得氮化镓晶体管开通关断的时间增长，这一影响对于在高频领域工作的氮化镓晶体管尤为不利。因此分析电路中氮化镓晶体管受到的电压应力以及该应力下氮化镓晶体管阈值电压的漂移情况对于氮化镓晶体管的应用、电路设计是有必要的。与此同时，若能有效抑制氮化镓晶体管阈值电压漂移导致的导通电阻退化、栅极电荷不稳定等问题将有助于氮化镓晶体管在高精密度领域的推广应用。
发明内容
本发明针对氮化镓晶体管阈值电压不稳定的现象，公开了一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，其为能够监测氮化镓晶体管阈值电压漂移情况并从栅极驱动端进行修正的方法。该发明方法可以有效抑制氮化镓晶体管阈值电压漂移问题，阻止器件性能退化，提升器件在高频电路中工作时的稳定、可靠性。
本发明为解决技术问题，采用的具体技术方案如下：
一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，包括检测方法和修正方法；
所述检测方法包括：采样得到氮化镓晶体管在实际电路中工作时栅极、漏极所受电压应力值及应力时间的数据，根据采样得到的数据设置漏极电压和不同栅极电压脉冲波形，在测试平台中施加设置的脉冲信号得到氮化镓晶体管的动态转移曲线，从所述动态转移曲线提取氮化镓晶体管实际阈值电压，得到氮化镓晶体管实际阈值电压随栅极、漏极电压应力值及应力时间的漂移情况；
所述修正方法包括：根据测得的氮化镓晶体管的动态转移曲线得到导通电阻-栅极电压曲线，进而得到阈值电压漂移导致的导通电阻、栅极电荷的变化情况，以阈值电压漂移前的导通电阻为基准找到修正后的驱动电压，用修正后的驱动电压驱动氮化镓晶体管，抑制阈值电压漂移导致的导通电阻退化，获得更加稳定的导通电阻。
进一步地，所述检测方法中的采样的手段包括使用电压探针测试电路板上氮化镓晶体管的栅极、漏极电压应力值及应力时间，或者借助仿真工具获得电路中氮化镓晶体管的栅极、漏极电压应力值及应力时间；所述栅极、漏极电压应力值为栅极、漏极电压大小，应力时间是电压持续的时间。
进一步地，所述检测方法中，在测试平台中施加设置的脉冲信号的方式通过脉冲模块设置或通过针对氮化镓晶体管设计的可输出特定脉冲测试波形的电路板设置。
进一步地，为获取氮化镓晶体管承受脉冲应力时氮化镓晶体管特性的变化，所述检测方法还包括获得动态输出曲线、氮化镓晶体管电容随栅极电压、漏极电压的变化曲线。
进一步地，所述检测方法中，还包括检测氮化镓晶体管阈值电压随温度、电流水平、工作时间的变化。
进一步地，所述修正方法包括：单片机根据不同阈值电压时氮化镓晶体管的导通电阻-栅极电压曲线得到导通电阻变化量，确认是否需要修正氮化镓晶体管栅极驱动电压，若需要修正则用驱动电压修正后的电路对氮化镓晶体管驱动电压进行电压补偿，监测修正效果并判断是否需要再次修正，修正结束。
进一步地，所述驱动电压修正后的电路采样初始驱动电压，利用单片机脉冲宽度调制端口输出可连续变化的直流电压，在初始驱动电压上叠加可连续变化的直流电压，实现栅极驱动电压修正。
检测方法借助仿真工具Pspice分析电路中氮化镓晶体管栅极、漏极所受电压应力，或者利用电压探针测试电路板上氮化镓晶体管栅极、漏极所受电压应力，获得氮化镓晶体管在电路中不同阶段所受电压应力值及应力持续时间。根据电压应力值和持续时间设置对应的脉冲测试波形，模拟氮化镓晶体管在电路中受到电压应力时及应力后的状态。进而获得电路中氮化镓晶体管受到的电压应力对氮化镓晶体管状态的影响。借助Keithley4200A-SCS参数分析仪等设备对氮化镓晶体管进行脉冲测试获得应力后氮化镓晶体管的真实状态，以动态转移曲线的形式表征氮化镓晶体管状态的变化，结合实验需求设计阈值电压标准后从动态转移曲线中提取应力后氮化镓晶体管实际阈值电压值，进而得到应力后氮化镓晶体管阈值电压漂移情况。最终获得电路中氮化镓晶体管栅极、漏极在此电压应力值、应力时间下的实际阈值电压、导通电阻。
修正方法获得氮化镓晶体管在不同电压应力、应力时间下的实际阈值电压，获得不同电压应力、应力时间下氮化镓晶体管阈值电压漂移量。进而得到氮化镓晶体管在固定驱动电压下因阈值电压漂移导致的导通电阻变化量，根据氮化镓晶体管导通电阻变化情况绘制导通电阻-栅极电压曲线，在导通电阻-栅极电压曲线上将阈值电压漂移前的导通电阻作为理想导通电阻。以理想导通电阻为基准，在阈值电压漂移后的导通电阻-栅极电压曲线上找到对应的驱动电压，将此电压作为修正后的驱动电压。借助单片机和运算放大电路对氮化镓晶体管驱动电压进行修正以抑制氮化镓晶体管导通电阻、栅极电荷等性能的退化，获得更稳定的导通电阻。最后单片机判断修正后的导通电阻是否满足误差要求，若满足误差要求则结束修正，否则多次修正直到满足误差要求。
有益效果：
1、本发明可以实时检测氮化镓晶体管阈值电压的情况。
2、本发明可以不断修正氮化镓晶体管阈值电压漂移造成的影响，提升氮化镓晶体管稳定性。
附图说明
通过以下描述将更好地理解本发明，以下描述涉及一个优选实施例，该优选实施例借助非限制性示例给出并参考所附示意图进行解释，其中：
图1是氮化镓晶体管结构示意图。
图2是模拟氮化镓晶体管在电路运行状态下受到不同驱动应力的脉冲电压示意图。
图3是氮化镓晶体管受到不同驱动应力时的动态转移曲线示意图。
图4是氮化镓晶体管受到不同驱动应力、以及应力时间下的阈值电压值。
图5是“导通电阻-栅极电压曲线”中氮化镓晶体管阈值电压漂移及修正过程示意图。
图6是氮化镓晶体管阈值电压漂移过程①③及修正过程②④的示意图。
图7是借助单片机和运算放大器修正阈值电压漂移的电路图。
图8是借助单片机和运算放大器修正阈值电压漂移的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
本发明涉及一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，能够监测氮化镓高电子迁移率晶体管阈值电压漂移情况并从栅极驱动端进行修正。
如图1所示，氮化镓晶体管的结构自下而上包括衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、栅极介质层、钝化层、源极、栅极、漏极。衬底作为氮化镓晶体管的支撑材料，缓冲层用来减小二维电子气向衬底方向的扩散，势垒层用于极化产生沟道层中的二维电子气，栅极介质层用于调控栅极下方二维电子气的浓度，钝化层用于减小电极间的干扰，源极、栅极、漏极为氮化镓晶体管的三个电极。
氮化镓晶体管作为开关工作时使用栅源电压控制栅极下方二维电子气沟道的开通与关断。而伴随着氮化镓晶体管的开关过程，氮化镓晶体管的栅极、漏极将不断承受脉冲电压应力。由于氮化镓晶体管栅极介质层缺陷密度较高，氮化镓晶体管作为开关工作时在栅极介质层会发生载流子的俘获、去俘获过程，导致晶体管阈值电压不稳定。现阶段难以在生产工艺上降低栅极介质层缺陷密度并解决阈值电压漂移的问题。因此有必要分析氮化镓晶体管在电路中工作时的运行状态，结合其所受电压应力分析氮化镓晶体管的实际阈值电压。
图2是模拟氮化镓晶体管在电路运行状态下受到不同驱动应力的脉冲电压示意图。关断状态时，漏极电压为母线电压35V，栅极电压为0V到-8V的某一个数值来模拟不同关断电压下氮化镓晶体管所受应力。在研究氮化镓晶体管开通电压对开启状态的影响时，漏极电压应力为0V，栅极电压应力为0V到8V的某一个数值来模拟不同开通电压下氮化镓晶体管所受应力。进行数据采样时漏极电压为0.2V，栅极电压则是递增的脉冲信号，数据的采样点来自于脉冲信号稳定后的平台区域(脉冲信号75％处)，由此得到动态的转移曲线。
图3是氮化镓晶体管受到不同驱动应力时的动态转移曲线示意图。对应图2中研究氮化镓晶体管开通电压对开启状态影响的结果。电压的应力时间是1μs，此处将动态转移曲线中电流等于0.1mA时的栅极电压作为阈值电压。可以看到，随着栅极电压应力的增大，测试的动态转移特性曲线逐渐正向(向右)漂移，阈值电压也不断增大。
图4是氮化镓晶体管受到不同驱动应力、以及不同应力时间下的阈值电压值。根据图2所示的测试方式以及图3所示的提取阈值电压的标准。综合测试了应力时间分别为1μs，10μs，100μs时，氮化镓晶体管在电路中工作状态切换时氮化镓晶体管的实际阈值电压。
表1是氮化镓晶体管在不同电压应力、应力时间下的阈值电压发生漂移后的实际值。是图4的进一步说明，汇总了氮化镓晶体管在电路中工作状态切换时受到不同电压应力，经受不同应力时间时氮化镓晶体管的阈值电压。
表1
Figure BDA0004103953580000051
表2是氮化镓晶体管在驱动电压应力下因阈值电压漂移而导致的导通电阻变化值。可以看到氮化镓晶体管阈值电压增大时，其导通电阻增大。当驱动电压为3V时，随着阈值电压从1.09V增大到2.03V，导通电阻增加了0.263Ω，变化百分比高达50％以上。当驱动电压为5V时，随着阈值电压从1.09V增大到2.03V，导通电阻增加了0.014Ω，变化百分比为3.1％。
表2
Figure BDA0004103953580000052
Figure BDA0004103953580000061
图5是“导通电阻-栅极电压曲线”中氮化镓晶体管阈值电压漂移及修正过程示意图。使用某驱动电压(例如5V)驱动晶体管时，可以在氮化镓晶体管未受到应力时的“导通电阻-栅极电压曲线”找到此时氮化镓晶体管的状态点A1，将状态点A1对应的导通电阻RON,1并作为该驱动电压下的理想导通电阻。随后电压应力导致氮化镓晶体管阈值电压漂移，“导通电阻-栅极电压曲线”亦向右漂移，进而导通电阻退化，氮化镓晶体管的状态点A1经过程①到状态点A2。随后以理想导通电阻RON,1为基准经过程②到状态点A3进行第一次修正并以状态点A3对应的栅极电压驱动氮化镓晶体管。由于此时氮化镓晶体管受到的栅极应力增大，其阈值电压进一步漂移导致对应的“导通电阻-栅极电压曲线”亦向右漂移，此时氮化镓晶体管的状态点A3经过程③到状态点A4。此时分析状态点A4对应的导通电阻与理想导通电阻RON,1的差值是否满足误差要求，若满足则停止修正，否则多次修正直到满足误差要求。而误差要求应根据具体实验所需的精确度进行设计。
图6是氮化镓晶体管阈值电压漂移过程①③及修正过程②④的示意图。为进一步理解图5“导通电阻-栅极电压曲线”中氮化镓晶体管阈值电压漂移及修正的过程。详细分析了氮化镓晶体管从状态A1经步骤①②③④变化到状态A4和状态A5的过程。最初氮化镓晶体管阈值电压漂移前处于状态A1，而后因受到电压应力阈值电压第一次漂移(过程①)，氮化镓晶体管处于状态A2。随后以栅极电压VGS,1驱动氮化镓晶体管完成第一次修正(过程②)，氮化镓晶体管处于状态A3。在栅极电压为VGS,1时，氮化镓晶体管所受应力变化，阈值电压第二次漂移(过程③)，氮化镓晶体管处于状态A4。若以第二误差为误差标准，此时漂移后的导通电阻满足要求，修正结束；若以第一误差为误差标准，需多次修正，直到漂移后的误差标准满足误差要求，修正结束。
图7是借助单片机和运算放大器修正阈值电压漂移的电路图。单片机首先采样驱动电压Vin信号，结合表2中阈值电压未发生漂移时的导通电阻-驱动电压关系，找到驱动电压为Vin时对应的导通电阻作为理想导通电阻RON,1。而后采样Vout信号得到修正后的驱动电压值，结合此时氮化镓晶体管的工作频率得到此时氮化镓晶体管栅极承受的电压应力时间和电压应力值。结合表1可以得到此电压应力、应力时间下氮化镓晶体管的实际阈值电压。结合表2数据得到实际阈值电压下理想导通电阻RON,1对应的驱动电压，此即为第一次修正后的驱动电压VGS,1。下面介绍通过“加减运算放大器”修正阈值电压漂移的设计思路。设计R0＝R1＝R2＝R3,R2//R4＝R1(即R4>>R2),可化简为Vout＝-V1+V2+Vin。由单片机的脉冲调整端口输出可连续变化的直流电，由单片机控制V1,V2的数值可以实现对驱动电压Vin的修正。进行第一次修正后，根据此时氮化镓晶体管阈值电压的漂移情况结合事先设置的误差范围，单片机判断是否需要多次修正直到满足误差要求。Vin为典型的栅极驱动电压值，一般为3V～5V,V1,V2为单片机端口输出的电压值，范围为0V～5V。
图8是借助单片机和运算放大器修正阈值电压漂移的流程图。为进一步阐述图7电路修正阈值电压漂移的原理，将具体操作步骤用流程图的形式加以说明。首先借助Keithley4200A-SCS参数分析仪等设备的脉冲模块得到氮化镓晶体管阈值电压漂移量随电压应力值、应力时间变化的表格，进而获得不同阈值电压漂移量下氮化镓晶体管导通电阻随驱动电压变化的表格。随后采样驱动电压Vin，并找到阈值电压漂移量为0时驱动电压Vin对应的导通电阻驱动电压RON,1。而后采样Vout信号并结合氮化镓晶体管工作频率得到栅极受到的电压应力值、应力时间，由氮化镓晶体管阈值电压漂移量随电压应力值、应力时间变化的表格得到此条件下氮化镓晶体管实际阈值电压，由不同阈值电压漂移量下导通电阻随驱动电压变化的表格得到此时“驱动电压-导通电阻”的数组B1，进而得到此时Vout电压对应的氮化镓晶体管的实际导通电阻RON,2。而后单片机进行逻辑判断，若阈值电压漂移导致的导通电阻退化不严重，即|RON,1-RON,2|<0.01×RON,1,结束修正，否则单片机开始修正工作：由氮化镓晶体管阈值电压漂移量随电压应力值、应力时间变化的表格得到此条件下氮化镓晶体管实际阈值电压，由不同阈值电压漂移量下导通电阻随驱动电压变化的表格得到漂移后导通电阻RON,1对应的修正后驱动电压VGS,1。随后单片机输出补偿电压ΔVGS＝VGS,1-VGS。此时栅极驱动电压变化，完成第一次修正。然而栅极驱动电压变化后会导致氮化镓晶体管受到的电压应力发生变化，因此氮化镓晶体管的阈值电压会发生进一步的偏移并导致导通电阻退化。为了提高修正的精度，单片机将重复上述采样分析的过程进行多次修正，直到满足误差要求，例如满足|RON,1-RON,2|<0.01×RON,1时结束修正。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，其特征在于，包括检测方法和修正方法；
所述检测方法包括：采样得到氮化镓晶体管在实际电路中工作时栅极、漏极所受电压应力值及应力时间的数据，根据采样得到的数据设置漏极电压和不同栅极电压脉冲波形，在测试平台中施加设置的脉冲信号得到氮化镓晶体管的动态转移曲线，从所述动态转移曲线提取氮化镓晶体管实际阈值电压，得到氮化镓晶体管实际阈值电压随栅极、漏极电压应力值及应力时间的漂移情况；
所述修正方法包括：根据测得的氮化镓晶体管的动态转移曲线得到导通电阻-栅极电压曲线，进而得到阈值电压漂移导致的导通电阻、栅极电荷的变化情况，以阈值电压漂移前的导通电阻为基准找到修正后的驱动电压，用修正后的驱动电压驱动氮化镓晶体管，抑制阈值电压漂移导致的导通电阻退化，获得更加稳定的导通电阻。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，其特征在于，所述检测方法中的采样的手段包括使用电压探针测试电路板上氮化镓晶体管的栅极、漏极电压应力值及应力时间，或者借助仿真工具获得电路中氮化镓晶体管的栅极、漏极电压应力值及应力时间；所述栅极、漏极电压应力值为栅极、漏极电压大小，应力时间是电压持续的时间。
3.根据权利要求2所述的一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，其特征在于，所述检测方法中，在测试平台中施加设置的脉冲信号的方式通过脉冲模块设置或通过针对氮化镓晶体管设计的可输出特定脉冲测试波形的电路板设置。
4.根据权利要求2所述的一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，其特征在于，为获取氮化镓晶体管承受脉冲应力时氮化镓晶体管特性的变化，所述检测方法还包括获得动态输出曲线、氮化镓晶体管电容随栅极电压、漏极电压的变化曲线。
5.根据权利要求2所述的一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，其特征在于，所述检测方法中，还包括检测氮化镓晶体管阈值电压随温度、电流水平、工作时间的变化。
6.根据权利要求3所述的一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，其特征在于，所述修正方法包括：单片机根据不同阈值电压时氮化镓晶体管的导通电阻-栅极电压曲线得到导通电阻变化量，确认是否需要修正氮化镓晶体管栅极驱动电压，若需要修正则用驱动电压修正后的电路对氮化镓晶体管驱动电压进行电压补偿，监测修正效果并判断是否需要再次修正，修正结束。
7.根据权利要求6所述的一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法，其特征在于，所述驱动电压修正后的电路采样初始驱动电压，利用单片机脉冲宽度调制端口输出可连续变化的直流电压，在初始驱动电压上叠加可连续变化的直流电压，实现栅极驱动电压修正。
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