如何應(yīng)對(duì)GaN測(cè)量挑戰(zhàn)

功耗是當(dāng)今電子設(shè)計(jì)以及測(cè)試中最熱門也是競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域之一。這是因?yàn)槿藗儗?duì)高能效有強(qiáng)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(yīng)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發(fā)成本。而像碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等替代性半導(dǎo)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?yàn)樗軐⒐杵米骰?，從而帶?lái)與硅MOSFET相當(dāng)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(nèi)人們將見證到它顯著的改進(jìn)。

這些新材料不僅通過(guò)更快的開關(guān)速度還通過(guò)降低導(dǎo)通電壓(Rds On)來(lái)提高效率。當(dāng)然，任何一種新技術(shù)帶來(lái)的不僅是獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，還有測(cè)試與測(cè)量方面的挑戰(zhàn)。從測(cè)試角度看，這些材料所需的測(cè)試設(shè)備不僅要有更高的帶寬，還要有更高的靈敏度。使用現(xiàn)成的電壓探針并期望很小的信號(hào)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(cè)試方面的挑戰(zhàn)。

功耗突破

據(jù)IMS Research公司最新報(bào)告預(yù)測(cè)，2021年GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將從2011年的幾乎為零增長(zhǎng)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(xiàn)電源、太陽(yáng)能逆變器和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)將是三個(gè)主要的增長(zhǎng)點(diǎn)。

上述報(bào)告指出，在過(guò)去兩年中GaN晶體管開發(fā)不斷在提速。國(guó)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(jìng)爭(zhēng)的可能性。

預(yù)測(cè)GaN飛速增長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵理由是新工藝能夠充分利用現(xiàn)有的生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施。這些制造工藝將GaN半導(dǎo)體成本從約10倍于傳統(tǒng)硅降低到了一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的水平，特別是對(duì)于要求提升性能的應(yīng)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(zhǎng)GaN。

舉例來(lái)說(shuō)，宜普工藝開始于并不昂貴的硅晶圓。首先在硅片上生長(zhǎng)一薄層的氮化鋁(AIN)，用于隔離器件結(jié)構(gòu)與基板。對(duì)于200V及200V以下器件來(lái)說(shuō)隔離層是300V的。在此基礎(chǔ)上再生長(zhǎng)一層厚的阻性GaN層。這樣就為構(gòu)建GaN晶體管提供了基礎(chǔ)。接著要在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(yīng)力場(chǎng)。進(jìn)一步處理將在柵極底部形成一個(gè)耗盡區(qū)。為了增強(qiáng)晶體管性能，使用與導(dǎo)通N溝道增強(qiáng)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(jié)構(gòu)再被重復(fù)許多次就能形成一個(gè)實(shí)際的功率器件了。最終結(jié)果是一個(gè)適合功率開關(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(xiàn)有生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)極高的成本效益。

在應(yīng)用方面，IMS報(bào)告預(yù)測(cè)GaN首先會(huì)在電源領(lǐng)域取得較大吸引力，因?yàn)槠淇傮w系統(tǒng)成本的節(jié)省超過(guò)了器件的單位價(jià)格上升。這些應(yīng)用包括PC和筆記本電源適配器、服務(wù)器等，而諸如室內(nèi)空調(diào)等國(guó)內(nèi)電器設(shè)備、微型光伏逆變器、電動(dòng)汽車電池充電和其它新應(yīng)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(duì)高溫應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常有吸引力。比如，汽車制造商就對(duì)在混合動(dòng)力汽車中的電源轉(zhuǎn)換部分使用GaN器件非常感興趣。過(guò)去，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師都是在這些應(yīng)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(yuǎn)離于發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。理想情況下，功率半導(dǎo)體應(yīng)該鄰近發(fā)動(dòng)機(jī)，以便縮短走線、減輕重量并降低壓降損失。GaN器件據(jù)報(bào)道可以承受高達(dá)300℃的溫度，在此溫度下仍能高效工作。

在信息處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)，整個(gè)電源架構(gòu)可以重新評(píng)估，以便充分發(fā)揮GaN材料的突出開關(guān)性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)交直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓上升時(shí)，效率將隨之提高。當(dāng)總線電壓增加時(shí)，傳輸效率隨之提高。當(dāng)頻率提高時(shí)，產(chǎn)品體積將變小。據(jù)宜普公司稱，GaN用作同步整流器時(shí)可以使能最后一級(jí)，再由最后一級(jí)使能前兩級(jí)，同時(shí)提高交直流轉(zhuǎn)換效率。GaN還能允許刪除中間級(jí)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)單級(jí)轉(zhuǎn)換，從而省卻中間級(jí)轉(zhuǎn)換器的體積和成本。

GaN測(cè)試挑戰(zhàn)

與硅器件相比，GaN更加接近理想功率開關(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)開關(guān)以及要求零驅(qū)動(dòng)功耗。當(dāng)然，GaN也無(wú)法達(dá)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(dǎo)通電阻和更快的速度。

通過(guò)比較測(cè)試表明，GaN FET通道能以納秒速度開關(guān)，甚至在承載高達(dá)10A電流、開關(guān)頻率約為80MHz的時(shí)候。GaN開關(guān)的缺點(diǎn)是電流峰值更快，壓降相應(yīng)也更快。不僅GaN器件開關(guān)速度更快，而且其導(dǎo)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(shì)，需要使用示波器來(lái)表征GaN器件的行為，并測(cè)量開關(guān)過(guò)程中的損耗。當(dāng)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(cè)量信號(hào)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(cè)量600V擺幅的信號(hào)。展望未來(lái)，可能需要kV測(cè)量范圍和GHz以上帶寬的探針,這樣的探針目前還沒有。

使用高壓探針的另外一個(gè)挑戰(zhàn)是確保探針之間有足夠的絕緣和間隙，并且不影響測(cè)量性能。舉例來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)引線可能導(dǎo)致來(lái)自電路加載和振鈴的感應(yīng)現(xiàn)象，從而使得判斷問(wèn)題真正根源變得困難。測(cè)試設(shè)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(cè)量600V的源極-漏極電壓以及毫伏級(jí)的柵極電壓，需要使用高分辨率的示波器。絕大多數(shù)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提高。

對(duì)于具有自然重復(fù)特性的信號(hào)來(lái)說(shuō)，平均法提供了大幅度提高信號(hào)垂直分辨率的有效途徑。這種以位數(shù)為測(cè)量單位的性能增強(qiáng)是總平均數(shù)的一個(gè)函數(shù)：

增強(qiáng)分辨率=0.5 log2(N)

其中：N代表要求的總的平均數(shù)

在許多示波器中，平均算法是用定點(diǎn)數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的。這意味著最大平均數(shù)是10,000，因此將總的分辨率位數(shù)限制在了理想的最大值14.64，見表1。這種平均方法可以保持完整的信號(hào)模擬帶寬。

表1：通過(guò)平均法得到的示波器垂直增強(qiáng)分辨率。

雖然對(duì)許多應(yīng)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(jì)算和顯示在每次采樣間隔中所有連續(xù)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(dāng)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(shù)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(cè)量系統(tǒng)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(xiàn)的垂直增強(qiáng)分辨率。

本文小結(jié)

隨著對(duì)提高功效要求的持續(xù)推進(jìn)，具有30年發(fā)展歷史的硅MOSFET已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用性能極限?，F(xiàn)在業(yè)界專家已經(jīng)預(yù)見到替代產(chǎn)品的快速增長(zhǎng)，最著名的要數(shù)GaN了，因?yàn)樵诠杌迳仙L(zhǎng)GaN的新制造工藝可以使用標(biāo)準(zhǔn)化的低成本CMOS工藝，這為GaN功率器件打開了一個(gè)廣闊的新型商業(yè)與工業(yè)應(yīng)用大門。

由于具有高帶寬和高電壓的有效組合，GaN在測(cè)試與測(cè)量前沿面臨艱巨的挑戰(zhàn)，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(xù)發(fā)展和改進(jìn)。