GaN HEMT器件
GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors,氮化家高電子遷移率晶體管)作為寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體器件的代表,相比于Si和SiC器件,具有更高的電子遷移率、飽和電子速度和擊穿電場。由于材料上的優(yōu)勢,GaN在高頻率工作狀態(tài)下具有優(yōu)異的功率以及頻率特性,和較低的功率損耗。
GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)就是一種利用異質(zhì)結(jié)間深勢壘囤積的二維電子氣(2DEG)作為導(dǎo)電溝道,在柵、源、漏二端電壓偏置的調(diào)控下達(dá)成導(dǎo)電特性的器件結(jié)構(gòu)。由于GaN材料形成的異質(zhì)結(jié)存在著很強(qiáng)的極化效應(yīng),異質(zhì)結(jié)界面處的量子阱中產(chǎn)生了大量首束縛的電子,稱為二維電子氣。典型AlGaN/Ga N-HEMT器件的基本結(jié)構(gòu)如下圖5所示,器件Z底層是襯底層(一般為SiC或Si材料),然后外延生長N型GaN緩沖層,外延生長的P型AIGaN勢壘層,形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。Z后在AIGaN層上淀積形成肖特基接觸的柵極(G)、源極(S)和漏極(D)進(jìn)行高濃度摻雜,并與溝道中的二維電子氣相連形成歐姆接觸。
漏源電壓VDS使得溝道內(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)行輸運(yùn)形成漏極輸出電流IDS。柵極與AlGaN勢壘層進(jìn)行肖特基接觸,通過柵極電壓VGS的大小,控制AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中勢阱的深度,改變溝道中二維電子氣面密度的大小,從而控制溝道內(nèi)的漏極輸出電流。
圖4: GaN HEMT器件外觀與電路示意圖
圖5: GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖
GaN HEMT器件的評估一般包含直流特性(直流l-V測試)、頻率特性(小信號S參數(shù)測試)、功率特性(Load-Pull測試)。 GaN HEMT擊穿特性測試高壓電源認(rèn)準(zhǔn)普賽斯儀表
直流特性測試
與硅基晶體管一樣,GaN HEMT器件也需要進(jìn)行直流l-V測試,以表征器件的直流輸出能力以及工作條件。其測試參數(shù)包括:Vos、IDs、BVGD、BVDs、gfs等,其中輸出電流lps以及跨導(dǎo)gm是最為核心的兩個參數(shù)。
圖6:GaN HEMTGaN HEMT器件規(guī)格參數(shù)
圖7:GaN HEMT器件輸出特性曲線
頻率特性測試
射頻器件的頻率參數(shù)測試包含小信號S參數(shù)、互調(diào)(IMD)、噪聲系數(shù)和雜散等特性的測量。其中,S參數(shù)測試描述了RF器件在不同頻率下和對于信號的不同功率水平的基本特性,量化了RF能量是如何通過系統(tǒng)傳播。
S參數(shù)也就是散射參數(shù)。S參數(shù)是一種描述元器件在表現(xiàn)為射頻特性的高頻信號激勵下的電氣行為的工具,它描述的方法是以元器件對入射信號作出反應(yīng)(即“散射”)后,從元器件外部“散射”出的可測量的物理量來實(shí)現(xiàn)的,測量到的物理量的大小反應(yīng)出不同特性的元器件會對相同的輸入信號“散射”的程度不一樣。
使用小信號S參數(shù),我們可以確定基本RF特性,包括電壓駐波比(VSWR)、回報損耗、插入損耗或給定頻率的增益。小信號S參數(shù)通常均利用連續(xù)波(CW)激勵信號并應(yīng)用窄帶響應(yīng)檢測來測量。但是,許多RF器件被設(shè)計為使用脈沖信號工作,這些信號具有寬頻域響應(yīng)。這使得利用標(biāo)準(zhǔn)窄帶檢測方法精確表征RF器件具有挑戰(zhàn)性。因此,對于脈沖模式下的器件表征,通常使用所謂的脈沖S參數(shù)。這些散射參數(shù)是通過特殊的脈沖響應(yīng)測量技術(shù)獲得的。目前,已有企業(yè)采取脈沖法測試S參數(shù),測試規(guī)格范圍為:100us脈寬,10~20%占空比。
由于GaN器件材料以及生產(chǎn)工藝限制,器件不可避免存在缺陷,導(dǎo)致出現(xiàn)電流崩塌、柵極延遲等現(xiàn)象。在射頻工作狀態(tài)下,器件輸出電流減小、膝電壓增加，Z終使得輸出功率減小,性能惡化。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0.5us~5ms級別,10%占空比。
功率特性測試(Load-pull測試)
GaN HEMT器件具有適應(yīng)高頻率、高功率工況的優(yōu)異特性,因此,小信號S參數(shù)測試已難以滿足大功率器件的測試需求。負(fù)載牽引測試(Load-Pull測試)對于功率器件在非線性工作狀態(tài)下的性能評估至關(guān)重要,能夠?yàn)樯漕l功率放大器的匹配設(shè)計提供幫助。在射頻電路設(shè)計中,需要將射頻器件的輸入輸出端都匹配到共輪匹配狀態(tài)。當(dāng)器件處于小信號工作狀態(tài)下時,器件的增益是線性的,但是當(dāng)增大器件的輸入功率使得其工作在大信號非線性狀態(tài)時,由于器件會發(fā)生功率牽引,會導(dǎo)致器件的Z佳阻抗點(diǎn)發(fā)生偏移。因此為了獲得射頻器件在非線性工作狀態(tài)下的Z佳阻抗點(diǎn)以及對應(yīng)的輸出功率、效率等功率參數(shù),需在對器件進(jìn)行大信號負(fù)載牽引測試,使器件在固定的輸入功率下改變器件輸出端所匹配的負(fù)載的阻抗值,找到Z佳阻抗點(diǎn)。其中,功率增益(Gain)、輸出功率密度(Pout)、功率附加效率(PAE)是GaN射頻器件功率特性的重要考量參數(shù)。
GaN HEMT擊穿特性測試高壓電源認(rèn)準(zhǔn)普賽斯儀表，武漢普賽斯一直專注于功率器件、射頻器件以及第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域電性能測試儀表與系統(tǒng)開發(fā),基于核心算法和系統(tǒng)集成等技術(shù)平臺優(yōu)勢,S先自主研發(fā)了高精度數(shù)字源表、脈沖式源表、脈沖大電流源、高速數(shù)據(jù)采集卡、脈沖恒壓源等儀表產(chǎn)品以及整套測試系統(tǒng)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在功率半導(dǎo)體材料與器件、射頻器件、寬禁帶半導(dǎo)體的分析測試領(lǐng)域?？筛鶕?jù)用戶的需求,提供高性能、高效率、高性價比的電性能測試綜合解決方案。
