一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法技术

本发明专利技术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。该发明专利技术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。镓晶体管在高速开关工作中的稳定性和可靠性。镓晶体管在高速开关工作中的稳定性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓晶体管阈值电压漂移检测及修正方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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(Cascode switch)和p型氮化镓栅极高电子迁移率晶体管结构(p
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GaN gate HEMT)，其中p型氮化镓栅极高电子迁移率晶体管结构(p
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GaN gate HEMT)寄生电感较小，应用较为广泛。
[0003]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。
[0004]以氮化镓晶体管为例，在开关切换时，栅极介质层(p
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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Q
g
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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。该专利技术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。
[0006]本专利技术为解决技术问题，采用的具体技术方案如下：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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
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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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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
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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。
[0015]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。
[0016]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Keithley 4200A
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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。
[0017]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
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栅极电压曲线，在导通电阻
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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
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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。
[0018]有益效果：
[0019]1、本专利技术可以实时检测氮化镓晶体管阈值电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐曦，胡志昊，朱文杰，赵长辉，胡存刚，曹文平，李浩然，谭琨，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：