用于汽車動力總成和電網(wǎng)等具有挑戰(zhàn)性應(yīng)用的功率器件必須具有浪涌能量魯棒性。雖然Si和SiC MOSFET可以通過雪崩耗散浪涌能量，但GaNHEMT沒有雪崩能力。本文探討了額定電壓為650V級聯(lián)GaN HEMT在無鉗位電感開關(guān)（UIS） 測試中的重復(fù)浪涌能量魯棒性。浪涌能力和在此應(yīng)力下的安全工作區(qū)是GaN HEMT整體可靠性的關(guān)鍵方面。

氮化鎵HEMT可靠性：浪涌能量魯棒性

  與Si和SiC MOSFET不同，GaN HEMT不具有固有的雪崩能力，因為源極和漏極之間缺乏p-n結(jié)[1]。根據(jù)最近的研究，器件輸出電容和負(fù)載電感器之間的諧振能量傳輸使得增強(qiáng)模式（E模式）p柵GaN HEMT能承受浪涌能量。GaN HEMT的漏源電壓（VDS）在此傳輸過程中表現(xiàn)出諧振波形。當(dāng)峰值諧振電壓達(dá)到器件的動態(tài)擊穿電壓（BV）時，該電壓可能與其靜態(tài)BV [2]、[3]明顯不同，器件在瞬態(tài)時失效。

 級聯(lián)氮化鎵HEMT用作單個E型高壓器件，由E型低壓硅MOSFET和耗盡模式（D型）高壓氮化鎵HEMT組成（圖1a）。研究發(fā)現(xiàn)，級聯(lián)GaN HEMT可靠性在重復(fù)浪涌能量應(yīng)力下的失效邊界小于單一應(yīng)力下的失效邊界。由于重復(fù)的浪涌能量應(yīng)力，該器件還表現(xiàn)出顯著的退化。

圖1：（a）級聯(lián) GaN HEMT的等效電路圖。（b）去除封裝的HEMT照片。（c）UIS測試設(shè)置電路圖。（d）級聯(lián)GaN HEMT包含封裝及去除封裝的UIS測試系統(tǒng)照片。

單事件UIS測試

  被測器件（DUT）是一款商用650V、50mΩ級聯(lián)氮化鎵 HEMT（圖 1b），采用TO-247封裝[4]。堆疊在GaN HEMT上的是一個垂直結(jié)構(gòu)的SiMOSFET，其漏極焊盤與GaN HEMT的源極焊盤電連接。SiMOSFET的雪崩擊穿電壓（BVAVA）為35V，HEMT的閾值電壓（Vth）為-22 V。

   UIS測試電路的原理圖如圖1c所示。UIS測試包括兩個步驟。第一步，DUT導(dǎo)通，負(fù)載電感由VDD充電;第二步，DUT被關(guān)斷，存儲在電感中的能量被迫通過DUT流通。圖1d顯示了UIS評估系統(tǒng)的圖像，其中包括主板（帶有主電源環(huán)路和母線電容器）和一個子板（帶有DUT和三個測試點）。

  在研究單事件UIS應(yīng)力下的GaN HEMT可靠性時，觀察到級聯(lián)GaNHEMT的兩種失效模式：HEMT漏極和柵極之間的短路以及HEMT漏極和源極之間的短路。圖2（a）和（b）分別總結(jié)了在30°C和25°C三種不同大小的負(fù)載電感下測得的150個DUT的故障模式和故障電壓。圖2（c）顯示了曲線示圖儀上6個DUT的BV測量結(jié)果。這些結(jié)果表明，在單事件UIS應(yīng)力下，第二失效模式更加一致。

圖2：在（a）25°C 和（b）150°C下測試的多個級聯(lián)GaN HEMT的故障電壓。（c）曲線示圖器DC測量中測量的多個級聯(lián)GaN HEMT的靜態(tài) BV。

在此模式下失效的DUT橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖3所示。

圖3：GaN HEMT失效點區(qū)域的橫截面SEM圖像，揭示了漏極金屬的損壞以及從柵極延伸到GaN緩沖層和過渡層的裂紋。

重復(fù)的UIS測試

 對于這些重復(fù)的UIS測試，脈沖周期固定為10 μs。每個UIS脈沖期間的電感充電周期通常約為3 μs，并且在整個特定的重復(fù)UIS測試中固定，調(diào)制峰值VDS。峰值電壓為1.25 kV的單個UIS應(yīng)力下的DUT波形如圖4a所示，在相同峰值電壓的重復(fù)UIS應(yīng)力下的波形如圖4b所示，單事件UIS測試期間DUT的放大波形如圖4c所示。最后，圖4d顯示了100萬周期重復(fù)UIS應(yīng)力的初始和最后階段DUT的波形比較，而圖4e顯示了UIS測試下DUT的故障波形，驗證了峰值瞬態(tài)VDS故障，即與p柵極GaN HEMT相比，UIS故障行為相同[1]。

圖4：（a）單個UIS應(yīng)力和（b）重復(fù)UIS應(yīng)力下的DUT 波形;（c）DUT在單個 UIS應(yīng)力測試中的安全耐受波形放大圖；（d）比較重復(fù)測試期間開始和結(jié)束階段的UIS波形；（e）在UIS測試下DUT的故障波形，驗證瞬態(tài)VDS處的故障；

  總共測試了20個DUT多達(dá)100萬個循環(huán)，以探索級聯(lián)GaN HEMTS在重復(fù)UIS應(yīng)力下的失效和退化。以了解重復(fù)UIS測試下的GaN HEMT可靠性并定義安全工作區(qū)。

 當(dāng)峰值VDS超過1.35kV時，沒有DUT通過1萬次循環(huán)（圖5）。發(fā)現(xiàn)DUT在1.4kV峰值VDS下可存活約10,000個周期，在1.35kV峰值VDS下可存活約100,000個周期。級聯(lián)GaN HEMT在重復(fù)UIS應(yīng)力（約1.3kV）下的真實失效邊界低于單事件UIS應(yīng)力和靜態(tài)BV下的真實失效邊界。

圖5：對于20個DUT 的故障測試或最多1 M個周期的測試，可得到DUT在UIS應(yīng)力測試中能承受的周期是峰值VDS的函數(shù)。

在25°C和150°C下，在100萬周期UIS應(yīng)力下測試了總共4個DUT，峰值電壓分別為1.25kV和1.3kV，以檢查DUT退化與UIS峰值電壓和溫度之間的相關(guān)性。所有4個DUT 都表現(xiàn)出非常相似的退化和恢復(fù)行為（圖6）。在相同條件下測試了其它DUT產(chǎn)品，證實DUT退化/恢復(fù)行為與峰值UIS VDS或溫度之間幾乎沒有統(tǒng)計學(xué)上的顯著相關(guān)性。

圖6：在100萬次UIS應(yīng)力循環(huán)前后DUT的IDS-VDS演變（VGS = 1V），其中（a） 25°C時，峰值電壓1.25kV；（b）150°C時，峰值電壓1.25kV；（c）25°C時，峰值電壓為1.3kV，（d）150°C時，1.3kV過壓應(yīng)力；

GaN HEMT浪涌可靠性解釋

    GaN HEMT中的緩沖捕獲積累可以解釋重復(fù)UIS應(yīng)力下DUT的退化和恢復(fù)特性。高VDS使得電子更容易在每個UIS應(yīng)力期間注入GaN緩沖區(qū)，無論它們來自源還是過渡層與p型硅襯底之間的界面。緩沖陷阱預(yù)計會累積，甚至在重復(fù)的 UIS應(yīng)力下可能飽和。

 二維電子氣體（2DEG）會被緩沖層捕獲的電子耗盡，從而升高RDS（ON）。在此期間，被俘虜?shù)碾娮訉⑻岣吆谋M區(qū)域的屏障，從而導(dǎo)致較低的IDSS。最后，緩沖層捕獲將擴(kuò)大耗盡區(qū)域，從而解釋為什么CDS在UIS應(yīng)力之后下降。緩沖層中被捕獲的電子隨著恢復(fù)期的延長而逐漸被釋放，這是觀察到的參數(shù)飄移恢復(fù)緩慢的原因。

 與單事件UIS測試中的故障邊界（峰值VDS）相比，重復(fù)UIS測試中的故障邊界（峰值VDS）較低，這可以解釋為由于緩沖區(qū)捕獲更明顯而導(dǎo)致的較低動態(tài)BV。

     TCAD器件仿真已在Silvaco Atlas中進(jìn)行，模擬器件結(jié)構(gòu)由去封裝的DUT的顯微圖像確定。該模型證實，當(dāng)峰值電壓低于1.3kV時，DUT能夠承受100萬次UIS循環(huán)，但表現(xiàn)出顯著的參數(shù)飄移，包括RDS（ON）增加，IDSS降低和CDS降低。這些參數(shù)偏移大部分可以在一小時后恢復(fù)。上述器件故障和退化行為可以通過GaN HEMTS中緩沖層捕獲的積累以及動態(tài)BV的相關(guān)變化來解釋。這些結(jié)果加深了對級聯(lián)GaN HEMT魯棒性的理解，并為其轉(zhuǎn)換器設(shè)計裕量提供了關(guān)鍵參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] R. Zhang, J.P. Kozak, M. Xiao, J. Liu, and Y. Zhang, “Surge-Energy and OvervoltageRuggedness of P-Gate GaN HEMTs,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 35, no. 12,pp. 13409–13419, Dec. 2020.

[2] R. Zhang, J.Kozak, Q. Song, M. Xiao, J. Liu, and Y. Zhang, “Dynamic Breakdown Voltage ofGaN Power HEMTs”, 2020 66th IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM),pp. 23.3.1-23.3.4, Dec. 2020.

[3] J. P. Kozak,R. Zhang, Q. Song, J. Liu, W. Saito, and Y. Zhang, “True Breakdown Voltage andOvervoltage Margin of GaN Power HEMTs in Hard Switching,” IEEE Electron DeviceLetters, early access online, Mar. 2021. doi: 10.1109/LED.2021.3063360.

[4] “TP65H050WS650V Cascode GaN FET,” Transphorm.https://www.transphormusa.com/en/product/tp65h050ws-2/ (accessed Jan. 16,2021).