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動態量測助攻 加速GaN商用化最後一哩路

隨著5G、電動車等新興應用崛起,第三代半導體材料/功率半導體材料日益受到重視,業界紛紛投入USB PD(USB Power Delivery)、Quick Charge(QC)等新一代快速充電技術,但這類快充變壓器的設計中,電感/線圈及散熱片佔有大多數的體積,如果要縮小線圈及散熱片的體積,就必須提高轉換頻率及轉換效率,使用氮化鎵(GaN)已成必要趨勢。

宏汭精測科技總經理、品勛科技技術顧問林明正在日前舉行的D Webinar 2021新興科技論壇中,以「如何在GaN操作(switching)狀態下執行動態測試?」為題進行演講。他表示,現在市面上的GaN應用,其實都不是「長」在GaN上面,因為如果長在GaN上面其成本無法負擔,現在GaN之所以能夠開始在市場上普及,就是因為GaN-on-Si 可做為低成本的選擇,因此已經廣泛應用在手機與平板的快充。

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宏汭精測科技總經理、品勛科技技術顧問林明正。林明正

GaN-on-Si雖然「長」在矽上面,但依然具有GaN元件的天生特性,像是具備寬能隙的優勢,很適合高壓應用,另外其具備高移導率,有低內阻(low Rdson)的優勢,此外因為其屬於橫向結構(lateral structure),容易將晶片整合在同一電路上。

事實上,GaN功率元件憑藉著優異的材料特性 ,逐漸展現出應用於電源轉換的潛力,但GaN-on-Si 的材料缺陷,使得用於矽的靜態量測與可靠度評估,無法呈現出GaN在真實系統中的動態表現,未來如果GaN元件要從低功率快充應用,朝向家電、工業、汽車等高功率應用發展,對耐用性與可靠度勢必更高的要求,如何解決其量測問題,將是攸關GaN能否大量普及的關鍵環節之一。

不過,GaN-on-Si在技術上仍有許多挑戰。舉例來說,矽與GaN之間會有晶格不匹配 (lattice mismatch)的狀況,很容易有表面或介面缺陷(bulk defect)的狀況,可能導致元件不穩定,至於這些缺陷誘導的動態量測目前並無任何標準,固態技術協會(JEDEC)只有提供一些基本準則。

為了解決此一困難,林明正特別介紹一套氮化鎵(GaN)元件動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer) ,可在元件操作(switching)狀態下完成動態Rdson(HSW,ZVS)、動態Rsdon (ZVS)、動態Vth等動態參數測試分析,是目前市面上唯一可在元件操作狀態下執行GaN動態參數特性及可靠度測試的解決方案,可針對多個GaN元件同時進行五個獨立參數測試,並進行即時動態參數監控,不僅可協助開發者改善元件,並可幫助使用者正確評估元件的功率損耗及老化速率,得以優化系統設計,實現GaN邁向廣泛應用的最後一哩路。

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