Zaloguj się
Koszyk
Aby zmierzyć charakterystyki I‑V tranzystora z azotku galu (GaN) typu high electron mobility transistor (HEMT), wymagana jest specjalna sekwencja zasilania, która zapobiega nieoczekiwanym uszkodzeniom podczas oceny charakterystyk I‑V. Narzędzia służące do rejestracji krzywej I‑V muszą być wyposażone w funkcję realizacji takiej specyficznej sekwencji. Oprogramowanie Keithley Automated Characterization Software (ACS) zapewnia możliwość realizacji sekwencjonowania zasilania podczas charakteryzacji GaN HEMT bez uszkodzenia badanego elementu oraz umożliwia rejestrację jego wewnętrznych charakterystyk I‑V.
Azotek galu (GaN) wyróżnia się zaletą szerokiej przerwy energetycznej, której energia wynosi około 3,4 eV i jest trzykrotnie większa niż w przypadku krzemu. Cecha ta została wykorzystana w wielu innowacyjnych urządzeniach. Przykładowo, w dziedzinie optyki materiały oparte na GaN emitują promieniowanie o krótszej długości fali. Doprowadziło to do wprowadzenia na rynek niebieskich i białych diod LED. Jednocześnie rozszerzono zakres długości fali diod laserowych (LD) do obszaru zieleni, niebieskiego oraz aż do ultrafioletu (UV). W obszarze elementów mocy GaN jest materiałem umożliwiającym realizację wyższej izolacji napięciowej, podobnie jak węglik krzemu (SiC). Nadal prowadzone są intensywne prace nad rozwojem objętościowych, pionowych elementów mocy na bazie GaN.
Ponadto GaN charakteryzuje się wyraźną zdolnością do pracy z sygnałami o wysokiej prędkości. GaN jest półprzewodnikiem z grupy związków III‑V. Do tej samej grupy należą arsenek galu (GaAs) oraz fosforek indu (InP). Ich dojrzałe zastosowania obejmują urządzenia wysokiej częstotliwości, takie jak wzmacniacze nadawcze oraz wzmacniacze o niskim poziomie szumów stosowane w odbiornikach. Wśród związków III‑V GaN wyróżnia się zdolnością do osiągania większej mocy transmisyjnej oraz wyższych częstotliwości dzięki szerokiej przerwie energetycznej i wysokiej prędkości nasycenia elektronów. Dodatkowo zużywa on mniej energii, co prowadzi do oszczędności mocy i umożliwia miniaturyzację układów. Cechy te znajdują zastosowanie w infrastrukturze komunikacyjnej, takiej jak szerokopasmowa telekomunikacja, satelity nadawcze oraz systemy lotnicze i obronne. Przykładem typowego zastosowania są systemy nadajników stacji bazowych telefonii komórkowej (BTS). Elementy GaN są powszechnie stosowane w BTS od czwartej generacji sieci komórkowych (4G), przez piątą generację (5G) i kolejne.
W 1980 roku wprowadzono nowy typ tranzystora. Tranzystor ten nazwano high electron mobility transistor (HEMT). Pierwszy HEMT składał się z wielu warstw GaAs oraz domieszkowanego AlGaAs. Złącze heterostrukturalne oraz warstwa AlGaAs domieszkowana typu n powodują akumulację elektronów w warstwie GaAs i tworzenie dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG). 2DEG wykazuje wyższą ruchliwość niż w klasycznych elementach GaAs, co przekłada się na wysoką szybkość działania. Tranzystor HEMT wykorzystuje 2DEG jako kanał i steruje nim za pomocą elektrody bramki.
GaN HEMT jest tranzystorem należącym do tej samej rodziny co HEMT na bazie GaAs. GaN HEMT składa się z warstw różnych kryształów GaN i AlGaN. Struktura ta indukuje wysoką gęstość 2DEG dzięki efektom piezoelektrycznym oraz spontanicznej polaryzacji.
Podobnie jak inne tranzystory HEMT, GaN HEMT steruje 2DEG za pomocą bramki. GaN HEMT jest tranzystorem typu „normalnie włączony”, co oznacza, że dren i źródło są elektrycznie połączone, gdy nie jest przyłożone napięcie sterujące do bramki. Aby wyłączyć tranzystor, użytkownik musi przyłożyć ujemne napięcie do bramki. Ostatnie prace badawcze zmierzają do przekształcenia GaN HEMT w tranzystor typu „normalnie wyłączony” ze względu na wymagania bezpieczeństwa w zastosowaniach mocy. Jednak z punktu widzenia zasady działania GaN HEMT pozostaje tranzystorem „normalnie włączonym” i jest wykorzystywany w zastosowaniach komunikacyjnych, takich jak wzmacniacze.
Ze względu na cechę „normalnie włączony” GaN HEMT wymaga zastosowania specyficznej sekwencji zasilania podczas charakteryzacji I‑V. W przypadku GaN HEMT inżynierowie testów muszą w pierwszej kolejności przyłożyć napięcie bramki, a dopiero potem napięcie drenu. Wymuszenie ujemnego napięcia bramki wyłącza kanał pomiędzy drenem a źródłem, co umożliwia bezpieczne przyłożenie napięcia drenu. W przeciwnym razie do tranzystora może popłynąć nieoczekiwany prąd udarowy, powodując nieodwracalne uszkodzenie. Po zakończeniu testu I‑V konieczne jest zastosowanie sekwencji w odwrotnej kolejności.
Podczas rozwoju urządzeń inżynierowie powinni zapobiegać uszkodzeniom lub degradacji próbek spowodowanym stresem, aby móc uzyskać ich wewnętrzne charakterystyki. Podczas działań związanych z poprawą jakości lub analizą uszkodzeń pożądane jest unikanie dodatkowych uszkodzeń badanych elementów. Z tego względu oprogramowanie do charakteryzacji I‑V musi obsługiwać specyficzną sekwencję zasilania dla GaN HEMT.
Automation Characterization Suite (ACS) jest oprogramowaniem firmy Keithley umożliwiającym konfigurację pojedynczych jednostek SourceMeter® Source Measure Unit (SMU) jako testerów parametrycznych I‑V do analizy parametrycznej, testów produkcyjnych lub testów niezawodnościowych, w zależności od konfiguracji sprzętowej. Przy wykorzystaniu wysokoprądowych SMU oprogramowanie ACS może pełnić funkcję analizatora parametrycznego dużej mocy. Jest ono szeroko stosowane w testach elementów dużej mocy, w tym LDMOS, IGBT, SiC MOSFET oraz elementów GaN. Najpopularniejsze konfiguracje są oferowane komercyjnie jako seria Parametric Curve Tracer (PCT).
Standardowa funkcja charakteryzacji I‑V w ACS, nazywana Interactive Test Module (ITM), posiada odpowiednie możliwości do pomiarów I‑V GaN HEMT. Użytkownicy mogą realizować testy bez konieczności podejmowania specjalnych działań.
Rysunek 4 przedstawia przykład sekwencji zasilania realizowanej za pomocą ACS. Użytkownicy mogą skonfigurować kolejność załączania wyjść SMU oraz regulować czasy opóźnień pomiędzy poszczególnymi jednostkami SMU. Funkcja ta umożliwia przyłożenie napięcia bramki przed napięciem drenu, co zapewnia, że tranzystor jest wyłączony w momencie przyłożenia napięcia drenu. Po zakończeniu testu funkcja utrzymuje tranzystor w stanie wyłączenia do momentu, aż napięcie drenu spadnie do zera, a dopiero potem zwalnia napięcie bramki. W ustawieniach domyślnych ACS synchronizuje czasy wszystkich jednostek SMU za pomocą systemu wyzwalania sprzętowego. Użytkownicy mogą jednak opcjonalnie ustawić czasy opóźnień pomiędzy działaniami poszczególnych SMU. Funkcję tę aktywuje się poprzez dodanie jednej linii w pliku konfiguracyjnym.
Po dodaniu wskazanej linii do pliku ACS\KATS\ACS_setting.ini użytkownicy mogą zobaczyć ustawienia opóźnień i sekwencji w oknie dialogowym „Advanced Setting” w module ITM.\
Oprócz sekwencjonowania zasilania funkcja „soft bias” pomaga w testach niezawodnościowych. Typowe działanie polaryzacji to tzw. „hard bias”, co oznacza, że napięcie lub prąd skokowo osiąga wartość docelową w bardzo krótkim czasie. W przeciwieństwie do tego „soft bias” polega na powolnym narastaniu napięcia lub prądu. Dodatkowo „soft bias” kończy test poprzez łagodne zmniejszanie polaryzacji, zanim osiągnie ona poziom zerowy.
Funkcja ta umożliwia bezpieczne testowanie badanego elementu, szczególnie w zastosowaniach wysokonapięciowych. Inżynierowie testów zazwyczaj wahaliby się przed przyłożeniem bardzo wysokiego napięcia, na przykład 3 kV, w trybie „hard bias” ze względu na ryzyko nieoczekiwanego przebicia.
Funkcja ta pozwala również użytkownikom kontrolować proces ładowania elementów, przewodów oraz uchwytów pomiarowych. Użytkownicy odnoszą korzyści w postaci uniknięcia prądu udarowego dopływającego do elementu. Co więcej, funkcja ta jest użyteczna w sytuacjach, gdy połączenie badanego elementu (DUT) nie jest idealne. Najlepszym połączeniem do parametrycznych testów I‑V jest przewód TRIAX, który jest w pełni ekranowany DC od SMU do uchwytu pomiarowego. W praktyce jednak użytkownicy czasami nie są w stanie zapewnić pełnego ekranowania DC. W rezultacie część połączeń stanowi pojedynczy przewód lub kabel koncentryczny, a część uchwytu pomiarowego nie jest ekranowana DC i może wykazywać charakter pojemnościowy lub indukcyjny. Takie połączenia mogą powodować nieoczekiwane przeregulowania napięcia na DUT, co nie jest dobrze kontrolowaną sytuacją w testach I‑V. Funkcja „soft bias” stanowi praktyczne rozwiązanie w takich przypadkach.
GaN HEMT jest z natury tranzystorem typu „normalnie włączony”. Aby bezpiecznie przeprowadzić charakteryzację I‑V, wymagana jest specyficzna sekwencja zasilania. Oprogramowanie ACS, będące rozwiązaniem firmy Keithley dla systemów parametrycznych dużej mocy, posiada funkcję sekwencyjnego sterowania wyjściami jako standardową opcję. Ponadto ACS oferuje funkcję „soft bias”, która umożliwia powolne narastanie polaryzacji generowanej przez SMU. Funkcje te pozwalają użytkownikom zapobiegać uszkodzeniom lub nadmiernemu stresowi elementów GaN HEMT, a tym samym umożliwiają rejestrację ich wewnętrznych charakterystyk I‑V.
[1] T. Mimura, S. Hayamizu, T. Fujii and K. Nanbu, “A New Field-Effect Transistor with Selectively Doped GaAs/nAlxGa1-xAs Heterojunctions”, Jpn. J. Appl. Phys. 19, L255-L227 (1980)
[2] T. Mimura, “Invention of High Electron Mobility Transistor (HEMT) and Contributions to Information and Communications Field”, Fujitsu Sci. Tech. J., 54, pp3-8 (2018)
[3] K. Joshin et al., “Outlook for GaN HEMT Technology”, Fujitsu Sci. Tech. J., 50, pp138-143 (2014)
[4] Toyoda Gosei Co., Ltd , “Vertical GaN Power Device With Current Operation of 100 Amperes”, May 23, 2019 https://www.toyoda-gosei.com/upload/news_en/228/document_20190528.pdf
[5] S. Tamura, “GaN-Based Power Devices and Their Switching Applications”, Panasonic Technical Journal, 58, no1 (2012)
[6] Y. Umemoto et al., “Gate Injection Transistor (GIT) – A Normally-Off AlGaN/GaN Power Transistor Using
Conductivity Modulation”, IEEE Trans. Electron Devices, 54, no12 (2007)
Design: Proformat