GaN HEMT器件測試影響因素探究及SMU高性能表征方案

  氮化鎵的發(fā)展與前景

  5G、6G、衛(wèi)星通信、微波雷達(dá)將帶來半導(dǎo)體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的射頻器件。與Si基半導(dǎo)體相比，作為第三代半導(dǎo)體的代表，GaN具有更高電子遷移率、飽和電子速度和擊穿電場的優(yōu)勢將逐步凸顯。正是這一優(yōu)勢，以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料和器件因優(yōu)良的高溫高壓及高頻特性，被認(rèn)為是電力電子和微波射頻技術(shù)的核心。

  隨著GaN技術(shù)的日趨成熟，國外開始將GaN功率器件向太空應(yīng)用擴(kuò)展，充分發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的GaN器件的固有優(yōu)勢，制成重量更輕、功能更強(qiáng)大的太空應(yīng)用的電子設(shè)備。根據(jù)Yole Development 的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2020年全球GaN功率市場規(guī)模約為4600萬美元，預(yù)計(jì)2026年可達(dá)11億美元，2020-2026年CAGR有望達(dá)到70%。從國內(nèi)看，GaN是目前能同時實(shí)現(xiàn)高頻、高效、大功率的代表性器件，是支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心部件，有助于“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，推動綠色低碳發(fā)展，在5G基站、新能源充電樁等新基建代表中均有所應(yīng)用。隨著國家政策的推動和市場的需求，GaN器件在“快充”場景引領(lǐng)下，有望隨中國經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和消費(fèi)電子巨大的存量市場而不斷破圈。未來，隨著新基建、新能源、新消費(fèi)等領(lǐng)域的持續(xù)推進(jìn)，GaN器件在國內(nèi)市場的應(yīng)用必將呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。

圖：不同材料半導(dǎo)體器件的應(yīng)用

圖：不同種類半導(dǎo)體材料特性對比

  氮化鎵器件工作原理

  典型的GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)如下圖所示，從上往下依次分別為：柵極、源極、漏極端子、介電層、勢壘層、緩沖層、以及襯底，并在AlGaN / GaN的接觸面形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。由于AlGaN材料具有比GaN材料更寬的帶隙，在到達(dá)平衡時，異質(zhì)結(jié)界面交界處能帶發(fā)生彎曲，造成導(dǎo)帶和價帶的不連續(xù)，并形成一個三角形的勢阱。大量的電子積聚在三角形勢阱中，難以逾越至勢阱外，電子的橫向運(yùn)動被限制在這個界面的薄層中，這個薄層被稱之為二維電子氣(2DEG)。

  當(dāng)在器件的漏、源兩端施加電壓VDS，溝道內(nèi)產(chǎn)生橫向電場。在橫向電場作用下，二維電子氣沿異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行傳輸，形成輸出電流IDS。將柵極與AlGaN勢壘層進(jìn)行肖特基接觸，通過施加不同大小的柵極電壓VGS，來控制AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中勢阱的深度，改變溝道中二維電子氣密度，從而控制溝道內(nèi)的漏極輸出電流開啟與關(guān)斷。二維電子氣在漏、源極施加電壓時可以有效地傳導(dǎo)電子，具有很高的電子遷移率和導(dǎo)電性，這是GaN器件能夠具有優(yōu)越性能的基礎(chǔ)。

圖：氮化鎵器件結(jié)構(gòu)

圖：氮化鎵射頻器件外觀(來源：qorvo)

  氮化鎵器件的應(yīng)用挑戰(zhàn)

  在射頻功放系統(tǒng)中，功率開關(guān)器件往往需要耐受長時間高壓應(yīng)力，對于GaN HEMT而言其優(yōu)異的耐高壓能力和極快的開關(guān)速度可以將同等電壓級別的電源系統(tǒng)推向更高的頻率。但是在高壓應(yīng)用下一個嚴(yán)重限制GaN HEMT性能的問題就是電流崩塌現(xiàn)象(Current Collapse)。電流崩塌又稱作動態(tài)導(dǎo)通電阻退化，即器件直流測試時，受到強(qiáng)電場的反復(fù)沖擊后，飽和電流與最大跨導(dǎo)都呈現(xiàn)下降，閾值電壓和導(dǎo)通電阻出現(xiàn)上升的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此時，需采用脈沖測試的方式，以獲取器件在脈沖工作模式下的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)?？蒲袑用?，也在驗(yàn)證脈寬對電流輸出能力的影響，脈寬測試范圍覆蓋0.5μs~5ms級別，10%占空比。

  (圖片來源：《AlGaN/GaN HEMT器件電學(xué)特性與可靠性研究》.何江)

  另外，由于GaN HEMT器件高功率密度和比較大的擊穿電場的特性，使得該器件可以在大電流大電場下工作。GaN HEMT工作時，本身會產(chǎn)生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會在器件內(nèi)部出現(xiàn)“自熱效應(yīng)”。在器件的I-V測試中，隨著Vds的不斷增大，器件漏源電流Ids也隨之上升，而當(dāng)器件達(dá)到飽和區(qū)時Ids呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，隨著Vds的增大而不再增加。此時，隨著Vds的繼續(xù)上升，器件出現(xiàn)嚴(yán)重的自熱效應(yīng)，導(dǎo)致飽和電流隨著Vds的上升反而出現(xiàn)下降的情況，在嚴(yán)重的情況下不僅會使器件性能出現(xiàn)大幅度的下降，還可能導(dǎo)致器件柵極金屬損壞、器件失效等一系列不可逆的問題，必須采用脈沖測試。

(圖片來源：《高速電子遷移率晶體管器件電流坍塌效應(yīng)與界面熱阻和溫度的研究》.顧江、王強(qiáng)、魯宏)

  普賽斯GaN HEMT器件高性能表征方案

  GaN HEMT器件性能的評估，一般包含靜態(tài)參數(shù)測試(I-V測試)、頻率特性(小信號S參數(shù)測試)、功率特性(Load-Pull測試)。靜態(tài)參數(shù)，也被稱作直流參數(shù)，是用來評估半導(dǎo)體器件性能的基礎(chǔ)測試，也是器件使用的重要依據(jù)。以閾值電壓Vgs(th)為例，其值的大小對研發(fā)人員設(shè)計(jì)器件的驅(qū)動電路具有重要的指導(dǎo)意義。

  靜態(tài)測試方法，一般是在器件對應(yīng)的端子上加載電壓或者電流，并測試其對應(yīng)參數(shù)。與Si基器件不同的是，GaN器件的柵極閾值電壓較低，甚至要加載負(fù)壓。常見的靜態(tài)測試參數(shù)有：閾值電壓、擊穿電壓、漏電流、導(dǎo)通電阻、跨導(dǎo)、電流坍塌效應(yīng)測試等。

圖：GaN 輸出特性曲線(來源：Gan systems)

圖：GaN導(dǎo)通電阻曲線(來源：Gan systems)

  V(BL)DSS擊穿電壓測試

  擊穿電壓，即器件源漏兩端所能承受的額定最大電壓。對于電路設(shè)計(jì)者而言，在選擇器件時，往往需要預(yù)留一定的余量，以保證器件能承受整個回路中可能出現(xiàn)的浪涌電壓。其測試方法為，將器件的柵極-源極短接，在額定的漏電流條件下(對于GaN，一般為μA級別)測試器件的電壓值。

  Vgsth閾值電壓測試

  閾值電壓，是使器件源漏電流導(dǎo)通時，柵極所施加的最小開啟電壓。與硅基器件不同，GaN器件的閾值電壓一般較低的正值，甚至為負(fù)值。因此，這就對器件的驅(qū)動設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。過去在硅基器件的驅(qū)動，并不能直接用于GaN器件。如何準(zhǔn)確的獲取手頭上GaN器件的閾值電壓，對于研發(fā)人員設(shè)計(jì)驅(qū)動電路，至關(guān)重要。

  IDS導(dǎo)通電流測試

  導(dǎo)通電流，指GaN器件在開啟狀態(tài)下，源漏兩端所能通過的額定最大電流值。不過值得注意的是，電流在通過器件時，會產(chǎn)生熱量。電流較小時，器件產(chǎn)生的熱量小，通過自身散熱或者外部散熱，器件溫度總體變化值較小，對測試結(jié)果的影響也可以基本忽略。但當(dāng)通過大電流，器件產(chǎn)生的熱量大，難以通過自身或者借助外部快速散熱。此時，會導(dǎo)致器件溫度的大幅上升，使得測試結(jié)果產(chǎn)生偏差，甚至燒毀器件。因此，在測試導(dǎo)通電流時，采用快速脈沖式電流的測試手段，正逐漸成為新的替代方法。

  電流坍塌測試(導(dǎo)通電阻)

  電流崩塌效應(yīng)，在器件具體參數(shù)上表現(xiàn)動態(tài)導(dǎo)通電阻。GaN 器件在關(guān)斷狀態(tài)承受漏源極高電壓，當(dāng)切換到開通狀態(tài)時，導(dǎo)通電阻暫時增加、最大漏極電流減小;在不同條件下，導(dǎo)通電阻呈現(xiàn)出一定規(guī)律的動態(tài)變化。該現(xiàn)象即為動態(tài)導(dǎo)通電阻。

  測試過程為：首先，柵極使用P系列脈沖源表，關(guān)閉器件;同時，使用E系列高壓源測單元，在源極和漏極間施加高壓。在移除高壓之后，柵極使用P系列脈沖源表，快速導(dǎo)通器件的同時，源極和漏極之間采用HCPL高脈沖電流源加載高速脈沖電流，測量導(dǎo)通電阻?？啥啻沃貜?fù)該過程，持續(xù)觀察器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化情況。

圖：導(dǎo)通電阻測試示意圖

  自熱效應(yīng)測試

  在脈沖I-V 測試時，在每個脈沖周期，器件的柵極和漏極首先被偏置在靜態(tài)點(diǎn)(VgsQ, VdsQ)進(jìn)行陷阱填充，在此期間，器件中的陷阱被電子填充，然后偏置電壓從靜態(tài)偏置點(diǎn)跳到測試點(diǎn)(Vgs, Vds)，被俘獲的電子隨著時間的推移得到釋放，從而得到被測器件的脈沖I-V 特性曲線。當(dāng)器件處于長時間的脈沖電壓下，其熱效應(yīng)增大，導(dǎo)致器件電流崩塌率增加，需要測試設(shè)備具有快速脈沖測試的能力。具體測試過程為，使用普賽斯CP系列脈沖恒壓源，在器件柵極-源極、源極-漏極，分別加載高速脈沖電壓信號，同時測試源極-漏極的電流?？赏ㄟ^設(shè)置不同的電壓以及脈寬，觀察器件在不同實(shí)驗(yàn)條件下的脈沖電流輸出能力。

圖：脈沖測試連接示意圖

  對于應(yīng)用在射頻場景下的氮化鎵器件，如PA器件或者模組，除了測試靜態(tài)參數(shù)外，也要對其在射頻應(yīng)用下的性能進(jìn)行表征。常見的射頻測試手段有小信號S參數(shù)測試、Load-pull測試等。此外，由于氮化鎵器件存在電流崩塌現(xiàn)象，有專業(yè)研究指出，氮化鎵在直流與脈沖的測試條件下，會呈現(xiàn)出不同的射頻放大特性。因此，脈沖式的小信號S參數(shù)測試，Load-Pull測試方案正逐漸引起研究人員的關(guān)注。

圖：GaN RF 效率與頻率的關(guān)系(來源：qorvo)

圖：GaN RF Load-pull測試曲線(來源：qorvo)

  基于高性能數(shù)字源表SMU的氮化鎵器件表征設(shè)備推薦

  SMU，即源測量單元，是一種用于半導(dǎo)體材料，以及器件測試高性能儀表。與傳統(tǒng)的萬用表，以及電流源相比，SMU集電壓源、電流源、電壓表、電流表以及電子負(fù)載等多種功能于一體。此外，SMU還具有多量程，四象限，二線制/四線制測試等多種特性。一直以來，SMU在半導(dǎo)體測試行業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)流程得到了廣泛應(yīng)用。同樣，對于氮化鎵的測試，高性能SMU產(chǎn)品也是必不可少的工具。

  普賽斯P系列高精度臺式脈沖源表

  針對氮化鎵直流低壓參數(shù)的測量，建議選用P系列高精度臺式脈沖源表。P系列脈沖源表是普賽斯在經(jīng)典S系列直流源表的基礎(chǔ)上打造的一款高精度、大動態(tài)、數(shù)字觸摸源表，匯集電壓、電流輸入輸出及測量等多種功能，最大輸出電壓達(dá)300V，最大脈沖輸出電流達(dá)10A，支持四象限工作，被廣泛應(yīng)用于各種電氣特性測試中。產(chǎn)品可應(yīng)用于GaN的閾值電壓，跨導(dǎo)測試等場合。

  - 脈沖直流，簡單易用

  - 范圍廣，高至300V低至1pA

  - 最小脈沖寬度200μs

  - 準(zhǔn)確度為0.1%

  普賽斯E系列高壓源測單元

  針對高壓模式的測量，普賽斯儀表推出的E系列高壓程控電源具有輸出及測量電壓高(3500V)、能輸出及測量微弱電流信號(1nA)、輸出及測量電流0-100mA等特點(diǎn)。產(chǎn)品可以同步電流測量，支持恒壓恒流工作模式，同事支持豐富的IV掃描模式。產(chǎn)品可應(yīng)用于功率型高壓GaN的擊穿電壓，高壓漏電流測試，動態(tài)導(dǎo)通電阻等場合。其恒流模式對于快速測量擊穿點(diǎn)具有重大意義。

  - ms級上升沿和下降沿

  - 單臺最大3500V電壓輸出(可擴(kuò)展10kV)

  - 測量電流低至1nA

  - 準(zhǔn)確度為0.1%

  普賽斯HCPL系列大電流脈沖電流源

  對于GaN高速脈沖式大電流測試場景，可采用普賽斯HCPL系列高電流脈沖電源。產(chǎn)品具有輸出電流大(1000A)、脈沖邊沿陡(典型時間15μs)、支持兩路脈沖電壓測量(峰值采樣)以及支持輸出極性切換等特點(diǎn)。產(chǎn)品可應(yīng)用于GaN的導(dǎo)通電流，導(dǎo)通電阻，跨導(dǎo)測試等場合。

  - 輸出電流達(dá)1000A

  - 多臺并聯(lián)可達(dá)6000A

  - 50μs-500μs的脈沖寬度可調(diào)

  - 脈沖邊沿陡(典型時間15us)

  - 兩路同步測量電壓(0.3mV-18V)

  普賽斯CP系列脈沖恒壓源

  對于GaN電流自熱效應(yīng)測試場景，可采用普賽斯CP系列脈沖恒壓源。產(chǎn)品具有脈沖電流大(最高可至10A);脈沖寬度窄(最小可低至100ns);支持直流、脈沖兩種電壓輸出模式等特點(diǎn)。產(chǎn)品可應(yīng)用于GaN的自熱效應(yīng)，脈沖S參數(shù)測試等場合。

  - 直流/脈沖兩種電壓輸出模式

  - 大脈沖電流，最高可至10A

  - 超窄脈寬，低至100ns

  - 插卡式設(shè)計(jì)，1CH/插卡，最高支持10通道

  武漢普賽斯儀表有限公司是武漢普賽斯電子股份有限公司的全資子公司，是一家專注于半導(dǎo)體的電性能測試儀表的開發(fā)、生產(chǎn)與銷售的研發(fā)型高新技術(shù)企業(yè)。公司以源表為核心產(chǎn)品，專注于第三代半導(dǎo)體測試，提供從材料、晶圓、器件的全系列解決方案。

  未來，普賽斯儀表基于國產(chǎn)化高精度數(shù)字源表(SMU)的測試方案，以更優(yōu)的測試能力、更準(zhǔn)確的測量結(jié)果、更高的可靠性與更全面的測試能力，聯(lián)合更多行業(yè)客戶，共同助力我國第三代半導(dǎo)體行業(yè)高可靠高質(zhì)量發(fā)展。