如何應對GaN測量挑戰

功耗是當今電子設計以及測試中最熱門(mén)也是競爭最激烈的領(lǐng)域之一。這是因為人們對高能效有強烈需求，希望能充分利用電池能量，幫助消減能源帳單，或者支持空間敏感或熱量敏感型應用。

在經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展之后，硅MOSFET發(fā)展已經(jīng)接近其理論極限。硅技術(shù)的進(jìn)步如今非常緩慢，很少量的進(jìn)步都需要付出巨大的開(kāi)發(fā)成本。而像碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等替代性半導體材料正在逐漸成為首選材料。特別是GaN在許多領(lǐng)域都得到了人們的青睞，因為它能將硅片用作基板，從而帶來(lái)與硅MOSFET相當接近的價(jià)格。由于GaN還處于生命周期的早期階段，因此在未來(lái)幾年內人們將見(jiàn)證到它顯著(zhù)的改進(jìn)。

這些新材料不僅通過(guò)更快的開(kāi)關(guān)速度還通過(guò)降低導通電壓(Rds On)來(lái)提高效率。當然，任何一種新技術(shù)帶來(lái)的不僅是獨特的設計挑戰，還有測試與測量方面的挑戰。從測試角度看，這些材料所需的測試設備不僅要有更高的帶寬，還要有更高的靈敏度。使用現成的電壓探針并期望很小的信號失真和加載的日子已經(jīng)成為過(guò)去。本文將簡(jiǎn)要介紹GaN，然后重點(diǎn)討論測試方面的挑戰。

功耗突破

據IMS Research公司最新報告預測，2021年GaN功率半導體市場(chǎng)將從2011年的幾乎為零增長(cháng)到超過(guò)10億美元。這家市場(chǎng)研究公司分析了這些產(chǎn)品的所有關(guān)鍵終端市場(chǎng)，最后發(fā)現電源、太陽(yáng)能逆變器和工業(yè)電機驅動(dòng)將是三個(gè)主要的增長(cháng)點(diǎn)。

上述報告指出，在過(guò)去兩年中GaN晶體管開(kāi)發(fā)不斷在提速。國際整流器公司(IR)的“GaNpowIR”和宜普公司(EPC)的“eGaN FET”器件的發(fā)布開(kāi)啟了2010年的低壓市場(chǎng)。而Transphorm公司的600V GaN晶體管則帶來(lái)了GaN與高壓MOSFET和IGBT競爭的可能性。

預測GaN飛速增長(cháng)的一個(gè)關(guān)鍵理由是新工藝能夠充分利用現有的生產(chǎn)基礎設施。這些制造工藝將GaN半導體成本從約10倍于傳統硅降低到了一個(gè)極具競爭力的水平，特別是對于要求提升性能的應用來(lái)說(shuō)。其基本方法是在帶有氮化鋁緩沖層的硅基板頂部生長(cháng)GaN。

舉例來(lái)說(shuō)，宜普工藝開(kāi)始于并不昂貴的硅晶圓。首先在硅片上生長(cháng)一薄層的氮化鋁(AIN)，用于隔離器件結構與基板。對于200V及200V以下器件來(lái)說(shuō)隔離層是300V的。在此基礎上再生長(cháng)一層厚的阻性GaN層。這樣就為構建GaN晶體管提供了基礎。接著(zhù)要在GaN層上涂覆電子發(fā)生材料。這一層將創(chuàng )建一個(gè)具有豐富自由電子的量子應力場(chǎng)。進(jìn)一步處理將在柵極底部形成一個(gè)耗盡區。為了增強晶體管性能，使用與導通N溝道增強型功率MOSFET相同的方式在柵極上施加一個(gè)正電壓，如圖1所示。這種結構再被重復許多次就能形成一個(gè)實(shí)際的功率器件了。最終結果是一個(gè)適合功率開(kāi)關(guān)的、極具成本效益的優(yōu)秀解決方案。

圖1：宜普GaN可以利用現有生產(chǎn)基礎設施實(shí)現極高的成本效益。

在應用方面，IMS報告預測GaN首先會(huì )在電源領(lǐng)域取得較大吸引力，因為其總體系統成本的節省超過(guò)了器件的單位價(jià)格上升。這些應用包括PC和筆記本電源適配器、服務(wù)器等，而諸如室內空調等國內電器設備、微型光伏逆變器、電動(dòng)汽車(chē)電池充電和其它新應用有可能在不久的將來(lái)也會(huì )用上GaN功率器件。

憑借其較寬的帶隙，GaN器件對高溫應用來(lái)說(shuō)非常有吸引力。比如，汽車(chē)制造商就對在混合動(dòng)力汽車(chē)中的電源轉換部分使用GaN器件非常感興趣。過(guò)去，發(fā)動(dòng)機設計師都是在這些應用中使用硅功率MOSFET，但由于溫度方面的考量一般都要使電子器件遠離于發(fā)動(dòng)機模塊。理想情況下，功率半導體應該鄰近發(fā)動(dòng)機，以便縮短走線(xiàn)、減輕重量并降低壓降損失。GaN器件據報道可以承受高達300℃的溫度，在此溫度下仍能高效工作。

在信息處理和存儲系統，整個(gè)電源架構可以重新評估，以便充分發(fā)揮GaN材料的突出開(kāi)關(guān)性能優(yōu)勢。當交直流轉換器的輸出電壓上升時(shí)，效率將隨之提高。當總線(xiàn)電壓增加時(shí)，傳輸效率隨之提高。當頻率提高時(shí)，產(chǎn)品體積將變小。據宜普公司稱(chēng)，GaN用作同步整流器時(shí)可以使能最后一級，再由最后一級使能前兩級，同時(shí)提高交直流轉換效率。GaN還能允許刪除中間級轉換器，實(shí)現單級轉換，從而省卻中間級轉換器的體積和成本。

GaN測試挑戰

與硅器件相比，GaN更加接近理想功率開(kāi)關(guān)的特性，即阻塞無(wú)限幅度電壓、承載無(wú)限大電流、瞬時(shí)開(kāi)關(guān)以及要求零驅動(dòng)功耗。當然，GaN也無(wú)法達到完美境界，但比硅要更加接近完美?？傊?，GaN可以提供更高的阻塞電壓、更低的導通電阻和更快的速度。

通過(guò)比較測試表明，GaN FET通道能以納秒速度開(kāi)關(guān)，甚至在承載高達10A電流、開(kāi)關(guān)頻率約為80MHz的時(shí)候。GaN開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)是電流峰值更快，壓降相應也更快。不僅GaN器件開(kāi)關(guān)速度更快，而且其導通閾值在漏極至源極電阻不變的情況下也更低。

為了充分發(fā)揮新材料的優(yōu)勢，需要使用示波器來(lái)表征GaN器件的行為，并測量開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗。當電壓擺幅為600V或更高時(shí)，GaN器件要求快速儀器才能跟得上。示波器需要具有足夠的帶寬來(lái)跟蹤開(kāi)關(guān)過(guò)程，還需要具有足夠高的分辨率來(lái)捕獲低電壓時(shí)的開(kāi)關(guān)過(guò)程。

探針是限制因素之一。目前最好的高壓差分探針提供約200MHz的帶寬，測量信號電壓高至1.5kV。一些單端高壓探針可以提供800MHz的帶寬，因此可以用來(lái)測量600V擺幅的信號。展望未來(lái)，可能需要kV測量范圍和GHz以上帶寬的探針,這樣的探針目前還沒(méi)有。

使用高壓探針的另外一個(gè)挑戰是確保探針之間有足夠的絕緣和間隙，并且不影響測量性能。舉例來(lái)說(shuō)，長(cháng)引線(xiàn)可能導致來(lái)自電路加載和振鈴的感應現象，從而使得判斷問(wèn)題真正根源變得困難。測試設備制造商正在使用多種技術(shù)提高保真度，比如增加探針的阻尼電阻。

更高分辨率

高帶寬和高電壓通常是互相排斥的，因此為了測量600V的源極-漏極電壓以及毫伏級的柵極電壓，需要使用高分辨率的示波器。絕大多數示波器都是采用8位分辨率的ADC，但通過(guò)使用平均和高分辨率模式分辨率可以得到顯著(zhù)提高。

對于具有自然重復特性的信號來(lái)說(shuō)，平均法提供了大幅度提高信號垂直分辨率的有效途徑。這種以位數為測量單位的性能增強是總平均數的一個(gè)函數：

增強分辨率=0.5 log2(N)

其中：N代表要求的總的平均數

在許多示波器中，平均算法是用定點(diǎn)數學(xué)方法實(shí)現的。這意味著(zhù)最大平均數是10,000，因此將總的分辨率位數限制在了理想的最大值14.64，見(jiàn)表1。這種平均方法可以保持完整的信號模擬帶寬。

表1：通過(guò)平均法得到的示波器垂直增強分辨率。

雖然對許多應用來(lái)說(shuō)平均是一種很有用的技術(shù)，但這種方法不適合單次采集。此時(shí)的解決方案是使用積分平均技術(shù)計算和顯示在每次采樣間隔中所有連續采樣值的平均值。這種模式為過(guò)采樣有關(guān)波形的額外信息提供了一種折衷方法。在這種情況下，額外的水平采樣信息被代之以更高的垂直分辨率以及帶寬與噪聲的減少。

帶寬限制和使用這種平均技術(shù)得到的垂直分辨率提高幅度與儀器的最大采樣率和當前所選采樣率有關(guān)。表2顯示了使用最大采樣率為10GS/s的示波器能帶來(lái)的性能提升。垂直分辨率的位數增加量為0.5 log2*(D)(其中：D是抽取比率，或最大采樣率/實(shí)際采樣率),

最終的-3dB帶寬(除非受測量系統的模擬帶寬進(jìn)一步限制)是：0.44*SR(其中：SR代表實(shí)際采樣率)。

表2：使用積分平均方法實(shí)現的垂直增強分辨率。

本文小結

隨著(zhù)對提高功效要求的持續推進(jìn)，具有30年發(fā)展歷史的硅MOSFET已經(jīng)達到了實(shí)用性能極限?，F在業(yè)界專(zhuān)家已經(jīng)預見(jiàn)到替代產(chǎn)品的快速增長(cháng)，最著(zhù)名的要數GaN了，因為在硅基板上生長(cháng)GaN的新制造工藝可以使用標準化的低成本CMOS工藝，這為GaN功率器件打開(kāi)了一個(gè)廣闊的新型商業(yè)與工業(yè)應用大門(mén)。

由于具有高帶寬和高電壓的有效組合，GaN在測試與測量前沿面臨艱巨的挑戰，特別是在示波器的高電壓探針和高分辨率方面。目前可用的2.5kV和800MHz探針足夠600V器件使用，而平均技術(shù)還可以用來(lái)提升分辨率。在GaN這個(gè)重要領(lǐng)域，與GaN有關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)必將得到持續發(fā)展和改進(jìn)。