测试、测量试验，确认 GaN 技术的价值

通过测试和测量持久力来评估电子设备的质量和耐用性。评估氮化镓 (GaN)价值的测试势在必行，因为它自诞生以来就具有巨大的潜力，可以实现更高效的功率转换，作为电力电子应用中的关键颠覆者。基于 GaN 的开关的特性，例如高电子迁移率、宽带隙、高击穿场和低得多的导通电阻，鼓励电源设计工程师开始考虑改进电源转换可以提供的无限可能性。然而，在电子领域，性能必须伴随着稳定性和可靠性，否则，它将永远是研究人员的梦想。

泰克和吉时利在应对测试和测量挑战方面经验丰富，从采用 GaN 半导体的早期阶段开始，我们就一直面临着测试 GaN 半导体的任务。我们的客户开始在多个方面与我们合作，从材料表征到设备认证规则咨询。

最初的想法是检查是否可以节省资金，并将已经用于硅基晶体管、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和超级结 MOSFET 的设备用于 GaN 实验室设备。

然而，很明显，以前被认为不相关的许多方面现在至关重要，并且可能影响测量。这需要对我们进行电力电子测量的方式进行修订和重新发明。

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需要合适的测试解决方案

一旦 GaN 开始成为电源转换器（跨多个行业、应用和转换阶段的先驱设计师）的首选半导体，对适当测试解决方案的推动就变得更加强烈，同时对快速、可靠和具有成本效益的解决方案的需求也在增加。与其他半导体技术相比，GaN 性能更强的一些问题的快速概览。关于这些宽带隙半导体的优点和特性的文献已经很多，所以我将直接关注测试和需求。

可靠性和制造工艺

新半导体技术的问题通常始于晶圆制造工艺级别。电压应力下的可靠性是我们在射频功率 GaN 制造应用中使用 GaN 技术 WLR 进行的第一项测试。这些器件可以具有更小的栅极宽度和长度以及更短的源极至漏极距离。要跟踪的典型参数包括电压应力下栅极、漏极和源极的漏电流、应力电流、最大击穿电压、阈值电压和导通电阻。

设备输出特性是在不同温度下测量的，需要我们的参数分析仪进行调整。在正式的资格审查程序发布之前，它已经完成。因此，整个过程必须保持完全的适应性和可编程性。我们还必须设计和开发新的 S540 系统，以克服该测试中包含高压的问题。

我们必须克服的一些关键挑战包括：

在使现有测试设备不足之前，栅极阈值电压可以下降多少？

在意识到测量读数产生巨大的不准确度并影响可信度之前，开关转换速度应该有多快，死区时间控制有多严格？此外，高压方面。这通常是“IGBT”团队会处理的事情，但是，我们必须了解如何处理这些模拟充电器的大电容器。

另外，当电压达到千伏范围时会发生什么变化？

工程师们正在努力解决各种问题，例如：

这个怎么联系？

如何给它加电？

测试设备对测量有什么影响吗？

幸运的是，他们意识到与测试和测量专家保持持续沟通的重要性，并且能够在足够的支持下比其他人更接近故障排除结论。

氮化镓二极管击穿电压和漏电流测试

GaN 快速二极管的供应商联系了我们，要求改进他们正在使用的现有曲线示踪剂。连接击穿电压和泄漏电流等测试，因为用户通常需要在提供偏置电压的同时监控泄漏电流，直到达到 DUT 击穿为止。

然后我们设计了一个像新的 2470 这样的高压 SMU，以小步长扫描偏置电压直到 1.1kV，同时以足够的精度测量泄漏电流。我们还必须提供 SMU 以在栅极外倾斜，电压水平准确且稳定，以便在测量栅极泄漏时报告。使用新的入口介电绝缘体将泄漏电流降至比以前低得多的水平（10 的 nA 范围），因此需要（10 的 fA）分辨率。

2470 探针台

寻找 GaN 器件的最佳“版本”严格依赖于栅极界面的介电材料选择。研究需要追求最低的漏电流（如上所述），同时控制半导体界面的密度并仔细监测电介质和基板之间的充电行为。所有这些都需要精确的 CV（电容电压）测量，以确定平带电压、阈值电压、固定电荷和介电半导体界面陷阱电荷，C-V 特性与 IV 特性一样重要。

当准确勾勒出 GaN 的固有特性时，我们必须优化我们的参数分析仪。

例如，我们必须改进我们的 C-V 特性追踪能力，以显示适当的耗尽深度剖面并推断高电子迁移率的正确行为。

我们的 Keithley 业务部门努力开发用作精密交流阻抗计的解决方案，采用我们的 4200A 半导体表征系统来测试动态能量崩溃和陷阱密度/行为。

切换时的挑战

我们必须证明 GaN 对操作方面的影响。GaN 器件不仅调整速度快，而且恢复时间几乎为零，在大多数情况下与温度无关。通过提供与 DUT 的正确连接，特别是与测量点的连接，在示波器屏幕上清楚地看到这一点至关重要。

我们必须通过确保高开关时间和规格要求的低损耗来为功率模块的非侵入性测试提供解决方案，以便在半导体元件供应商和系统设计者之间发生争执时得到证明。

评估印刷电路板 (PCB) 设计的布局时，开关期间的典型测量包括上升和下降时间、峰值过冲、下冲和预期的开关节点上升沿振铃频率。由于 GaN 将工作频率移得更高，典型电源设计实验室中使用的示波器的 300-500MHz 带宽是第一个造成瓶颈的地方。由于使用中的高压差分探头具有更低的带宽（最大 200MHz），情况进一步恶化。众所周知，测量系统的实际带宽是示波器+探头特性的组合。一旦接受了上移到 GHz 带宽空间的需求，我们就必须应对探测技术的影响。

电源工程师意识到探头输入电容、接地回路和寄生效应的影响。然而，他们并没有想象在转移到 GaN 开关频率空间时这些会发挥多大作用。更不用说地线本身的电感经常迫使他们解决由测量系统产生的鬼影造成的不存在的问题。

我们泰克必须提出一种完全革命性的连接和测试点选择方法。

我们确保测量点尽可能靠近电源设备，并允许探头在同一时间连接到超微型设备。引线被缩短，正好与探针尖端呈现的相同寄生问题形成对比。

然而，GaN 测量的主要挑战是需要对非接地参考点进行高频测量。事实证明，所有用于确保差分测量的现有技术对于 GaN 都是不准确的。选择是在接受测量结果的巨大误差和最终通过设计一个共模抑制比 (CMRR) 可以在高频下保持足够高的系统来解决这个问题。再一次，市场上没有这种东西。

泰克开发了一项专利，可以对存在大共模电压和快速边沿速率信号以及大输入阻抗和低输入电容的电路进行隔离测量。高 CMRR 隔离测量系统终于成为可能。

解决的最后一个方面是 GaN 阈值电压，它很小，即使在抑制共模噪声之后，我们也必须确定如何在具有足够动态分辨率的庞大共模电流之上查看它们。

重新设计了示波器的前端。典型电力电子示波器 ADC 的 8 位分辨率对于 GaN 技术来说太有限了。示波器市场接受了升级到具有高达 12 位分辨率的更高分辨率 ADC 以及超低噪声前端的需求。由于 GaN 器件导通电阻测量的大幅减少，因此很有必要。用户现在可以有效地证明他们的实验室可以在不同的开关和芯片尺寸上测量亚毫欧。

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其他方面

出于多种原因，设备应正确接地，但安全是最重要的一个。保护是实验室和工程团队主管表达的第一个问题。当操作员需要调整任何连接时，安全联锁是 GaN 器件高压特性分析的一项重要要求，以断开任何高压电源。随测试系统提供的电缆还必须满足不同于低压空间的安全标准。

在我们的高压示波器探头中采用光电隔离也支持了这一方面，因为不再需要使用隔离变压器来为机器供电。然而，光电压转换器阻止了任何危险的电气路径，并允许使用很长的引线（几米长的光纤，如有必要）以远离潜在危险的 DUT。

把这一切放在一起

采用宽带隙半导体一直是一个挑战，但对于电源转换器市场来说，满足前所未有的能效要求是一个巨大的机会。

从电机驱动到汽车转换器和数据中心的多个应用的设计方面都受到了积极的影响和转变。

在系统设计层面，电力电子设备的这些颠覆性改进可能会影响设计实验室和测试实验室工具的拥有成本。规格的转变需要工程师更新他们的一些实验室测试设备，这也是一个需要考虑的成本项目，作为迁移到 GaN 的决定的一部分。

总之，这导致了电力电子测试领域的一场革命。泰克和吉时利决定以客户为中心来应对电力电子技术的转型变革。我们设定的目标是弥合新的和现有的实验室设备解决方案、新的和现有的计量基础知识以及有效管理当前投资和资金之间的差距。我们希望成为下一次革命不可或缺的一部分。

审核编辑 黄昊宇