GaN HEMT击穿特性测试高压电源

GaN  HEMT器件

    GaN  HEMT(High Electron Mobility    Transistors,氮化家高电子迁移率晶体管)作为宽禁带(WBG)半导体器件的代表,相比于Si和SiC器件,具有更高的电子迁移率、饱和电子速度和击穿电场。由于材料上的优势,GaN在高频率工作状态下具有优异的功率以及频率特性,和较低的功率损耗。

    GaN   HEMT(高电子迁移率晶体管)就是一种利用异质结间深势垒囤积的二维电子气(2DEG)作为导电沟道,在栅、源、漏二端电压偏置的调控下达成导电特性的器件结构。由于GaN材料形成的异质结存在着很强的极化效应,异质结界面处的量子阱中产生了大量首束缚的电子,称为二维电子气。典型AlGaN/Ga    N-HEMT器件的基本结构如下图5所示,器件Z底层是衬底层(一般为SiC或Si材料),然后外延生长N型GaN缓冲层,外延生长的P型AIGaN势垒层,形成AlGaN/GaN异质结。Z后在AIGaN层上淀积形成肖特基接触的栅极(G)、源极(S)和漏极(D)进行高浓度掺杂,并与沟道中的二维电子气相连形成欧姆接触。

   漏源电压VDS使得沟道内产生横向电场,在横向电场作用下,二维电子气沿异质结界面进行输运形成漏极输出电流IDS。栅极与AlGaN势垒层进行肖特基接触,通过栅极电压VGS的大小,控制AIGaN/GaN异质结中势阱的深度,改变沟道中二维电子气面密度的大小,从而控制沟道内的漏极输出电流。

图4: GaN    HEMT器件外观与电路示意图

图5: GaN    HEMT器件结构示意图

   GaN   HEMT器件的评估一般包含直流特性(直流l-V测试)、频率特性(小信号S参数测试)、功率特性(Load-Pull测试)。

直流特性测试

    与硅基晶体管一样,GaN    HEMT器件也需要进行直流l-V测试,以表征器件的直流输出能力以及工作条件。其测试参数包括:Vos、IDs、BVGD、BVDs、gfs等,其中输出电流lps以及跨导gm是最为核心的两个参数。

图6:GaN    HEMTGaN HEMT器件规格参数

图7:GaN    HEMT器件输出特性曲线

频率特性测试

    射频器件的频率参数测试包含小信号S参数、互调(IMD)、噪声系数和杂散等特性的测量。其中,S参数测试描述了RF器件在不同频率下和对于信号的不同功率水平的基本特性,量化了RF能量是如何通过系统传播。

    S参数也就是散射参数。S参数是一种描述元器件在表现为射频特性的高频信号激励下的电气行为的工具,它描述的方法是以元器件对入射信号作出反应(即“散射”)后,从元器件外部“散射”出的可测量的物理量来实现的,测量到的物理量的大小反应出不同特性的元器件会对相同的输入信号“散射”的程度不一样。

    使用小信号S参数,我们可以确定基本RF特性,包括电压驻波比(VSWR)、回报损耗、插入损耗或给定频率的增益。小信号S参数通常均利用连续波(CW)激励信号并应用窄带响应检测来测量。但是,许多RF器件被设计为使用脉冲信号工作,这些信号具有宽频域响应。这使得利用标准窄带检测方法精确表征RF器件具有挑战性。因此,对于脉冲模式下的器件表征,通常使用所谓的脉冲S参数。这些散射参数是通过特殊的脉冲响应测量技术获得的。目前,已有企业采取脉冲法测试S参数,测试规格范围为:100us脉宽,10~20%占空比。

    由于GaN器件材料以及生产工艺限制,器件不可避免存在缺陷,导致出现电流崩塌、栅极延迟等现象。在射频工作状态下,器件输出电流减小、膝电压增加，Z终使得输出功率减小,性能恶化。此时,需采用脉冲测试的方式,以获取器件在脉冲工作模式下的真实运行状态。科研层面,也在验证脉宽对电流输出能力的影响,脉宽测试范围覆盖0.5us~5ms级别,10%占空比。

功率特性测试(Load-pull测试)

    GaN    HEMT器件具有适应高频率、高功率工况的优异特性,因此,小信号S参数测试已难以满足大功率器件的测试需求。负载牵引测试(Load-Pull测试)对于功率器件在非线性工作状态下的性能评估至关重要,能够为射频功率放大器的匹配设计提供帮助。在射频电路设计中,需要将射频器件的输入输出端都匹配到共轮匹配状态。当器件处于小信号工作状态下时,器件的增益是线性的,但是当增大器件的输入功率使得其工作在大信号非线性状态时,由于器件会发生功率牵引,会导致器件的Z佳阻抗点发生偏移。因此为了获得射频器件在非线性工作状态下的Z佳阻抗点以及对应的输出功率、效率等功率参数,需在对器件进行大信号负载牵引测试,使器件在固定的输入功率下改变器件输出端所匹配的负载的阻抗值,找到Z佳阻抗点。其中,功率增益(Gain)、输出功率密度(Pout)、功率附加效率(PAE)是GaN射频器件功率特性的重要考量参数。

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