用于测量氮化物基半导体器件的动态导通电阻的设备的制作方法

1.本发明大体上涉及一种用于测量电子器件的动态导通电阻的设备。更确切地说，本发明涉及一种用于测量氮化物基半导体器件的动态导通电阻的设备。


背景技术：

2.由于低功率损耗和快速切换转变，gan基器件已广泛用于高频电能转换系统。相比于硅金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，gan高电子迁移率晶体管(hemt)具有高击穿电压和低导通电阻,更适用于高功率和高频率应用。对于gan hemt，存在严重的可靠性问题：当器件在切换时，其导通电阻将随着工作时间增加而持续升高。此问题也被称为动态电阻问题。因此，动态导通电阻测量对于gan功率器件的性能评估和电路诊断很重要。为了评估gan hemt的动态电阻特性，通常通过在器件的接通状态期间测量器件的漏极-源极电压和电流来获得动态导通电阻。因为gan hemt的漏极-源极电压在断开状态下为高但在接通状态下极小，所以gan功率器件的全范围漏极到源极电压对于典型的测量设备而言会太大。测量gan功率器件的全范围漏极到源极电压的一种方法是使用箝位电路来捕获被测器件的接通电压且隔离器件的断开电压。
3.然而，常规箝位电路可包含例如二极管和si-mos晶体管等具有结电容的箝位器件。此等结电容会引致当被测器件接通时的充电电流ic(如图1a所展示)以及当被测器件切断时的放电电流id(如图1b所示)，从而使得如图2所示在箝位信号v
s1
和v
s2
的波形中发生的电压尖峰。当使用测量设备(例如，示波器)来监视箝位信号v
s1
和v
s2
时，为了避免超出范围的问题，有必要调整示波器的测量范围以适应电压尖峰，从而导致较差信号分辨率和在根据测量信号计算动态电阻值时出现较大误差。类似地，电流取样电路中电子组件的结电容所导致的充电/放电电流还将影响测得的电流取样信号的准确性。此外，电压和电流取样信号的峰值和谷值电压过冲可能导致信号振荡。在进行测量之前需要的稳定时间限制了操作频率，从而亦限制了测试电路的应用范围。


技术实现要素：

4.本发明的一个目标是在评估gan hemt的动态电阻特性过程中解决上述问题，以便提供可用于极高频率老化测试的测试平台。
5.根据本公开的一个方面，提供一种用于测量被测器件(dut)的动态导通电阻的设备。所述设备包括：测试接口，其被配置成用于在dut和测量设备之间联接；第一测量电路，其被配置成用于感测dut的漏极-源极电压且生成与漏极-源极电压成比例的第一测量信号；电流感测电路，其被配置成用于感测从dut的漏极流动到源极的漏极电流且生成电流感测信号；第二测量电路，其被配置成用于接收电流感测信号且生成与漏极电流成比例的第二测量信号；第一箝位电路，其被配置成用于消除第一测量信号中的过冲；第二箝位电路，其被配置成用于消除第二测量信号中的过冲；多个驱动电路，其被配置成用于分别驱动dut、第一测量电路、第二测量电路、第一箝位电路和第二箝位电路；以及控制器，其被配置
成用于控制所述多个驱动电路。
6.通过使用控制逻辑操作由本发明提供的箝位电路，可消除器件的切换过程所导致的测量电压信号中的过冲，大大地缩短测量信号稳定所需的时间。因此可允许较大的测量范围，以及改进测量的效率和准确性。
附图说明
7.通过参考附图从以下详细描述可以容易地理解本公开的各方面。图示可能未必按比例绘制。也就是说，为了论述清楚起见，可以任意增大或缩小各种特征的尺寸。归因于制造工艺和容差，本公开中的艺术再现和实际设备之间可能存在区别。贯穿图式和具体实施方式可使用共同参考标号来指示相同或类似的组件。
8.图1a和1b是常规动态导通电阻测量电路分别在被测器件接通和切断时的电路图；
9.图2是图1的测量电路的电信号的波形图；
10.图3展示根据本发明的一些实施例用于测量被测器件(dut)的动态导通电阻的设备的电路框图；
11.图4展示根据本发明的一些其它实施例用于测量dut的动态导通电阻的设备的电路框图；
12.图5展示根据本发明的一些实施例的测量电路的示例性电路图；
13.图6展示根据本发明的一些实施例的箝位电路的另一示例性电路图；
14.图7展示根据本发明的一些实施例用于操作所述设备的驱动信号和相应获得的测量信号的波形图；以及
15.图8展示根据本发明的一些实施例用于操作所述设备的驱动信号和相应获得的测量信号的波形图。
具体实施方式
16.在以下描述中，将阐述本公开的优选实例作为应被视为说明性而非限制性的实施例。可省略特定细节以免使本公开模糊不清；然而，编写本公开是为了使所属领域的技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。
17.图3展示根据本发明的一些实施例用于测量被测器件(dut)20的动态导通电阻的设备10a的电路框图。如所展示，设备10a可包括测试接口，其被配置成用于在dut 20和测量设备30之间联接；测量电路102，其被配置成用于感测dut 20的漏极-源极电压vds且生成与漏极-源极电压vds成比例的第一测量信号vs1；电流感测电路110，其被配置成用于感测从dut 20的漏极流动到源极的漏极电流id且生成与漏极电流id成比例的电流感测信号；测量电路104，其被配置成用于接收电流感测信号且生成与漏极电流id成比例的第二测量信号vs2；箝位电路106，其被配置成用于消除第一测量信号vs1中的过冲；以及箝位电路108，其被配置成用于消除第二测量信号vs2中的过冲。设备10a可进一步包括多个驱动电路101、103、105、107、109，其被配置成用于分别驱动dut 20、测量电路102和104，以及箝位电路106和108。设备10a可进一步包括被配置成用于控制驱动电路101、103、105、107、109的控制器111。
18.测试接口可包含dut控制节点ctrl_dut，其用于连接到dut 20的控制端子；第一
dut导通节点cdct1_dut，其用于连接到dut 20的第一导通端子；以及第二dut导通节点cdct2_dut，其用于连接到dut 20的第二导通端子。在一些实施例中，dut 20可以是氮化镓(gan)高电子迁移率晶体管(hemt)，其栅极为控制端子，漏极为第一导通端子，且源极为第二导通端子。
19.测试接口可进一步包含第一测量节点mea1，其用于连接到测量设备30的第一输入端口；第二测量节点mea2，其用于连接到测量设备30的第二输入端口；以及接地节点gnd，其用于连接到接地。
20.驱动电路101可具有连接到dut控制节点ctrl_dut的输出端子。驱动电路101可生成经由dut控制节点ctrl_dut到dut的驱动信号v1。
21.测量电路102可具有第一导通端子t021，其连接到第一dut导通节点cdct1_dut；第二导通端子t022，其连接到第一测量节点mea1；以及参考端子t023，其连接到第二dut导通节点cdct2_dut。驱动电路103可具有第一输出端子，其连接到测量电路102的共同源极端子t024；以及第二输出端子，其连接到测量电路102的控制端子t025。驱动电路103可生成经由共同源极端子t024到测量电路102的共同源极信号vcom。驱动电路103可生成经由控制端子t025到测量电路102的驱动信号v3。
22.电流感测电路110可具有连接到第二dut导通节点cdct2_dut的第一端子t101，和连接到接地节点gnd的第二端子t102。在一些实施例中，电流感测电路110可包含具有电连接到第一端子t101的第一端和电连接到第二端子t102的第二端的电阻器(未图示)。
23.测量电路104可具有连接到第二dut导通节点cdct2_dut的第一导通端子t041、连接到第二测量节点mea2的第二导通端子t042，和连接到接地节点gnd的参考端子t043。驱动电路105可具有第一输出端子，其连接到测量电路104的共同源极端子t044；以及第二输出端子，其连接到测量电路104的控制端子t045。驱动电路105可生成经由共同源极端子t024到测量电路104的共同源极信号vcom。驱动电路105可生成经由控制端子t045到测量电路104的驱动信号v5。
24.箝位电路106可具有连接到第一测量节点mea1的第一导通端子t061。箝位电路106可具有连接到第二dut导通节点cdct2_dut的第二导通端子t062。驱动电路107可具有连接到箝位电路106的控制端子t063的输出端子且生成到箝位电路106的驱动信号v7。
25.箝位电路108可具有连接到第二测量节点mea2的第一导通端子t081。箝位电路108可具有连接到接地节点gnd的第二导通端子t082。驱动电路109可具有连接到箝位电路110的控制端子t083的输出端子，且生成到箝位电路110的驱动信号v9。
26.控制器111可具有第一输出端子t111，其连接到驱动电路101的输入端子；第二输出端子t112，其连接到驱动电路103的输入端子；第三输出端子t113，其连接到驱动电路105的输入端子；第四输出端子t114，其连接到驱动电路107的输入端子；以及第五输出端子t115，其连接到驱动电路109的输入端子。
27.控制器111可被配置成生成到驱动电路101的第一控制信号、到驱动电路103的第二控制信号、到驱动电路105的第三控制信号、到驱动电路107的第四控制信号，和到驱动电路109的第五控制信号。
28.驱动电路101可被配置成从控制器111接收第一控制信号，且生成第一驱动信号v1来接通和切断dut 20。
29.驱动电路103可被配置成从控制器111接收第二控制信号，且生成第二驱动信号v3来接通和切断测量电路102。
30.驱动电路105可被配置成从控制器111接收第三控制信号，且生成第三驱动信号v5来接通和切断箝位电路104。
31.驱动电路107可被配置成从控制器111接收第四控制信号，且生成到箝位电路106的第四驱动信号v7来接通和切断箝位电路106。
32.驱动电路109可被配置成从控制器111接收第五控制信号，且生成到箝位电路108的第五驱动信号v9来接通和切断箝位电路108。
33.图4展示根据本发明的其它实施例用于测量被测器件(dut)20的动态导通电阻的设备10b的电路框图。设备10b类似于设备10a。为了简洁起见，图3和4中的相同或类似元件被给定相同参考标号且将不进一步详细描述。如图4中所展示，设备10b不同于设备10a之处在于，测量电路102的参考端子和箝位电路106的第二导通端子两者连接到接地节点gnd，而非第二dut导通节点cdct2_dut。
34.图5展示根据本发明的一些实施例的测量电路102/104的示例性电路图。如所展示，电路102/104可包含一对增强型(e型)n沟道晶体管q1和q2、电阻器r1和二极管d1。晶体管q1可具有连接到电路102/104的第一端子t021/t041的漏极、连接到电路102/104的第四端子t024/t044的源极，以及连接到电路102/104的第五端子t025/t045的栅极。晶体管q2可具有连接到电路102/104的第二端子t022/t042的漏极、连接到电路102/104的第四端子t024/t044的源极，以及连接到电路102/104的第五端子t025/t045的栅极。电阻器r1可具有连接到电路102/104的第二端子t022/t042的第一端，以及连接到电路102/104的第三端子t023/t043的第二端。二极管d1可具有连接到电路102/104的第三端子t023/t043的阳极，以及连接到电路102/104的第二端子t022/t042的阴极。
35.图6展示根据本发明的一些实施例的箝位电路106/108的示例性电路图。如所展示，电路106/108可包含e型p沟道晶体管q1以及两个e型n沟道晶体管q2和q3。晶体管q1可具有连接到dc电力供应器vcc的源极、连接到晶体管q3的栅极的漏极，以及连接到电路106/108的控制端子t063/t083的栅极。晶体管q2可具有连接到电路106/108的第二端子t062/t082的源极、连接到晶体管q3的栅极的漏极，以及连接到电路106/108的控制端子t063/t083的栅极。晶体管q3可具有连接到电路106/108的第一导通端子t061/t081的漏极，以及连接到电路106/108的第二导通端子t062/t082的源极。
36.图7展示根据本发明的一些实施例用于操作设备10a或10b的驱动信号v1、v3、v5、v7和v9以及所获得的测量信号vs1和vs2的波形图。如所展示，第一驱动信号v1可具有某一波形，使得dut 20以切换周期tsw接通和切断。
37.第二驱动信号v3可具有某一波形，使得测量电路102迟于dut 20接通而接通持续第一时间间隔t1，且测量电路102早于dut 20断开而断开持续第二时间间隔t2。
38.第三驱动信号v5可具有与第二驱动信号v3的波形相同的波形。也就是说，第三驱动信号v5可具有某一波形，使得测量电路104迟于dut 20接通而接通持续第一时间间隔t1，且测量电路104早于dut 20断开而断开持续第二时间间隔t2。
39.第四驱动信号v7可具有某一波形，使得箝位电路106：在切换周期内的第一时间处早于dut 20接通而接通持续第三时间间隔t3；在切换周期内的第一时间处早于测量电路
102/104接通而断开持续第四时间间隔t4；在切换周期内的第二时间处迟于测量电路102/104断开而接通持续第五时间间隔t5；以及在切换周期内的第二时间处迟于dut 20断开而断开持续第六时间间隔t6。在一些实施例中，第三时间间隔t3等于第六时间间隔t6。第四时间间隔t4等于第五时间间隔t5。
40.第五驱动信号v9可具有与第四驱动信号v7的波形相同的波形。也就是说，第四驱动信号v9可具有某一波形，使得箝位电路108：在切换周期内的第一时间处早于dut 20接通而接通持续第三时间间隔t3；在切换周期内的第一时间处早于测量电路102/104接通而断开持续第四时间间隔t4；在切换周期内的第二时间处迟于测量电路102/104断开而接通持续第五时间间隔t5；以及在切换周期内的第二时间处迟于dut 20断开而断开持续第六时间间隔t6。在一些实施例中，第三时间间隔t3等于第六时间间隔t6。第四时间间隔t4等于第五时间间隔t5。
41.如所展示，通过用驱动信号v1、v3、v5、v7和v9操作测试设备10a/10b，测量信号vs1和vs2的波形中不存在峰值和谷值过冲。因此，当使用测试设备10a时与vs1/vs2成比例或当使用测试设备10b时与(vs1-vs2)/vs2成比例的dut 20的动态导通电阻的准确性可极大地改进。
42.图8展示根据本发明的一些其它实施例用于操作设备10a或10b的驱动信号v1、v3、v5、v6和v9以及所获得的测量信号vs1和vs2的波形图。如所展示，第一驱动信号v1可具有某一波形，使得dut 20以切换周期tsw接通和切断。
43.类似于图7的实施例，第二驱动信号v3可具有某一波形，使得测量电路102迟于dut 20接通而接通持续第一时间间隔t1，且测量电路102早于dut 20断开而断开持续第二时间间隔t2。
44.第三驱动信号v5可具有与第二驱动信号v3的波形相同的波形。也就是说，第三驱动信号v5可具有某一波形，使得测量电路104迟于dut 20接通而接通持续第一时间间隔t1，且测量电路104早于dut 20断开而断开持续第二时间间隔t2。
45.不同于图7的实施例，第四驱动信号v7可具有某一波形，使得箝位电路106：在测量电路102/104接通时断开；以及在测量电路102/104断开时接通。
46.第五驱动信号v9可具有与第四驱动信号v7的波形相同的波形。也就是说，第五驱动信号v9可具有某一波形，使得箝位电路108：在测量电路102/104接通时断开；以及在测量电路102/104断开时接通。
47.如所展示，通过用驱动信号v1、v3、v5、v6和v9操作测试设备10a/10b，测量信号vs1和vs2的波形中不存在峰值和谷值过冲。当使用测试设备10a时dut 20的动态导通电阻与vs1/vs2成比例，或当使用测试设备10b时dut 20的动态导通电阻与(vs1-vs2)/vs2成比例，因此可极大地改进dut 20的动态导通电阻的准确性。
48.选择和描述实施例是为了最佳地阐释本发明的原理和其实际应用，借此使所属领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于所审慎考虑的特定用途的各种修改。虽然本文所公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作描述，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分这些操作或对这些操作进行重新排序以形成等效方法。因此，除非在本文中具体指示，否则操作的次序及分组并非限制性的。虽然本文中公开的设备已参考特定结构、形状、材料、物质组成和关系等等加以描述，但这些描述和说明并
非限制性的。可作出修改以使特定情形适于本公开的目标、精神和范围。所有此些修改既定落入所附权利要求书的范围内。