5G 寬能隙半導體氮化鎵 (GaN) 操作狀態動態量測與可靠度分析

如何在元件 switching 狀態下執行功率半導體-氮化鎵(GaN)動態測試分析？

本文要跟您分享我們的氮化鎵(GaN)動態參數分析儀以及即將發行的元件動態可靠度分析儀！

功率半導體/寬能隙半導體材料氮化鎵(GaN)支持大電壓和高切換速度，面對高壓、高流的測試要求，我們獨家研發「元件動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer)」，有別於市面上只能量測靜態特性或無法在元件操作狀態下執行動態分析的功率半導體參數分析儀、功率元件分析儀，我們的元件動態參數分析儀能有效解決在元件操作(switching)狀態下執行氮化鎵(GaN)動態參數分析的困難。

隨著 5G、電動車等新應用興起，氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等第三代半導體材料/功率半導體材料開始備受矚目。如何在更小的體積內，提供更高的功率？例如 USB-PD 及 QC 等應用，需要為行動裝置，提供快速充電的能力。然而變壓器的設計中，電感/線圈及散熱片佔據了大多數的體積，若要縮小線圈及散熱片的體積，必須提高轉換的頻率及轉換的效率，因此使用氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等第三代半導體/功率半導體是一個必然的趨勢。

GaN-on-Si 的材料缺陷使得用於 Si 的靜態量測與可靠度評估已不足以代表 GaN 在真實系統中的動態表現。動態量測與動態可靠度分析可幫助元件開發者改善元件，可幫助元件使用者正確評估元件的功率損耗及老化速率，因此可以說動態量測與動態可靠度分析是 GaN 邁向廣泛應用的重要條件！

碳化矽(SiC)和氮化鎵 (GaN) 等全新寬帶隙材料/功率半導體能夠支持大電壓和高切換速度，面對高功率元件高壓、高流的測試要求，我們獨家研發「元件動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer)」，來解決在元件操作(switching)狀態下執行氮化鎵(GaN)動態參數分析的困難，有別於市面上只能量測靜態特性或無法在元件操作狀態下執行動態分析的功率半導體參數分析儀、功率元件分析儀，來提供晶圓和封裝元件動態參數及可靠度測試：

氮化鎵 GaN 元件動態參數分析儀 (Device Dynamics Analyzer) 產品特色

■ 可以在 hard-switching 或 soft-switching 下執行動態量測
■ Dynamic Rdson(HSW, ZVS), Dynamic Rsdon(ZVS), Dynamic Vth, Dynamic Vsd, Dynamic HTOL (SALT)…
■ 提供 On-Vg : -12-12V 連續變化，可隨著不同 DUT Gate Rating 做適當調整
■ 提供 10kHz~500kHz 可調操作頻率
■ 提供 10%~90% 可調操作 Duty
■ Pulse I-V 脈衝寬度可達到 1us
■ 高低溫測試功能 (25°C~175°C)

什麼是氮化鎵(GaN)？

氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮(N)和鎵(Ga)的化合物，屬於第三代半導體材料，又被稱為「WBG 寬能隙半導體」或「功率半導體」。

註：第一代半導體材料：矽(Si)等基礎功能材料；第二代：砷化鎵(GaAs)等兩種以上元素組成的化合物半導體材料、第三代即為氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)等寬頻化合物半導體材料。

氮化鎵(GaN)有什麼特色？

相較第一、二代半導體材料，氮化鎵(GaN)帶隙較寬，帶隙越寬越可以承受高溫、高壓、高頻以及高電流，除此之外，能源轉換效率也較好。因此可以說氮化鎵(GaN)是具有高頻、高功率、低功耗、體積小四種優良特性的半導體材料，能有效在 5G 的時代中節省電路板體積，以手機產品來說，不止節省內部空間還能達到良好的功耗控制。

氮化鎵(GaN)的應用：微波射頻、電力電子兩領域

1. 微波射頻：Sub-6GHz 基地台和毫米波 (24GHz 以上) 的小基地台站、衛星通訊等。

由氮化鎵 GaN 製作而成的元件在高頻時效能及穩定度都頗高，相對於傳統的矽(Si)元件，氮化鎵 (GaN) 有更高的工作頻率及高密度功率的特性，能讓週邊元件的尺寸也跟著縮小，這也和未來 5G 基地台密度高的特性相符。

2. 電力電子：GaN 應用電源、消費型電子產品的快充充電器等。

託小米 CEO 的福，從 2020 年開始新一代氮化鎵 (GaN) 充電器掀起一波風潮，許多手機大廠開始在自家充電產品中加入 GaN 晶片。其體積小與高功率的優勢，充分符合方便攜帶條件下獲得高瓦數輸出的需求，非常適合使用在快充充電器中。

氮化鎵 (GaN) 動態量測上的困難：

坊間尚無元件操作(switching)狀態下執行 GaN 動態參數特性及可靠度測試的解決方案

以材料特性來看，氮化鎵 (GaN) 適合應用於 40～1200V 的產品，並且在 600V/3KW 能發揮最大優勢。然而，我們的氮化鎵 (GaN) 元件動態參數分析系統可在元件 switching 操作狀態下完成動態 Rdson (HSW，ZVS)，動態 Rsdon (ZVS)，動態 Vth 等「動態 dynamics」參數測試，這也讓我們的產品受到台積電、聯電、英諾賽科等大廠的青睞。

我們的技術規格 (脈衝寬度可達到 1us)：

Switching On-Vg : -12V~12V for device benchmark
Switching Voltage : < 800V
Switching Current : < 10A
Switching Frequency : < 500kHZ
Switching Duty : 10%~90%
Temperature : 25°C~175°C
Characterization Items : Dynamic Rdson, Dynamic Rsdon, Dynamic Vth, Dynamic Vsd, Dynamic HTOL (SALT), Pulse I-V…

擁有三項領先技術專利：

1. 在 hard-switching 或 soft-switching 下執行動態分析

➢ Trapping induced Rdson increasing during switching
➢ Hard switching worse than Soft switching (ZVS)
➢ Switching Voltage dependent

2. Gate 操作電壓 -12~12V 連續變化

3. 在 hard-switching 或 soft-switching 下執行動態 Vth 分析

除了氮化鎵 (GaN) 元件動態參數分析儀外，預計明年初我們將會推出 元件動態可靠度分析儀(Device Dynamic Reliability Analyzer)，可以 同時測試多個 GaN 元件的動態特性，進而達到同時多個 GaN 元件在操作(switching)下的量測效果。

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