基于高性能数字源表SMU的氮化镓器件表征设备

      GaN  HEMT器件性能的评估，一般包含静态参数测试（I-V测试）、频率特性（小信号S参数测试）、功率特性（Load-Pull测试）。静态参数，也被称作直流参数，是用来评估半导体器件性能的基础测试，也是器件使用的重要依据。以阈值电压Vgs（th）为例，其值的大小对研发人员设计器件的驱动电路具有重要的指导意义。 

       静态测试方法，一般是在器件对应的端子上加载电压或者电流，并测试其对应参数。与Si基器件不同的是，GaN器件的栅极阈值电压较低，甚至要加载负压。常见的静态测试参数有：阈值电压、击穿电压、漏电流、导通电阻、跨导、

电流坍塌效应测试等。

图：GaN   输出特性曲线(来源：Gan systems)                            图：GaN导通电阻曲线(来源：Gan  systems)

V(BL)DSS击穿电压测试

击穿电压，即器件源漏两端所能承受的额定Z大电压。对于电路设计者而言，在选择器件时，往往需要预留一定的余量，以保证器件能承受整个回路中可能出现的浪涌电压。其测试方法为，将器件的栅极-源极短接，在额定的漏电流条件下（对于GaN，一般为μ安级别）测试器件的电压值。

Vgsth阈值电压测试

阈值电压，是使器件源漏电流导通时，栅极所施加的最小开启电压。与硅基器件不同，GaN器件的阈值电压一般较低的正值，甚至为负值。因此，这就对器件的驱动设计提出了新的挑战。过去在硅基器件的驱动，并不能直接用于GaN器件。如何准确的获取手头上GaN器件的阈值电压，对于研发人员设计驱动电路，至关重要。

IDS导通电流测试

导通电流，指GaN器件在开启状态下，源漏两端所能通过的额定Z大电流值。不过值得注意的是，电流在通过器件时，会产生热量。电流较小时，器件产生的热量小，通过自身散热或者外部散热，器件温度总体变化值较小，对测试结果的影响也可以基本忽略。但当通过大电流，器件产生的热量大，难以通过自身或者借助外部快速散热。此时，会导致器件温度的大幅上升，使得测试结果产生偏差，甚至烧毁器件。因此，在测试导通电流时，采用快速脉冲式电流的测试手段，正逐渐成为新的替代方法。

电流坍塌测试（导通电阻）

电流崩塌效应，在器件具体参数上表现动态导通电阻。GaN   器件在关断状态承受漏源J高电压，当切换到开通状态时，导通电阻暂时增加、Z大漏极电流减小；在不同条件下，导通电阻呈现出一定规律的动态变化。该现象即为动态导通电阻。

测试过程为：首先，栅极使用P系列脉冲源表，关闭器件；同时，使用E系列高压源测单元，在源极和漏极间施加高压。在移除高压之后，栅极使用P系列脉冲源表，快速导通器件的同时，源极和漏极之间采用HCPL高脉冲电流源加载高速脉冲电流，测量导通电阻。可多次重复该过程，持续观察器件的动态导通电阻变化情况。

自热效应测试

在脉冲I-V 测试时，在每个脉冲周期，器件的栅极和漏极首先被偏置在静态点(VgsQ,  VdsQ)进行陷阱填充，在此期间，器件中的陷阱被电子填充，然后偏置电压从静态偏置点跳到测试点(Vgs,  Vds)，被俘获的电子随着时间的推移得到释放，从而得到被测器件的脉冲I-V   特性曲线。当器件处于长时间的脉冲电压下，其热效应增大，导致器件电流崩塌率增加，需要测试设备具有快速脉冲测试的能力。具体测试过程为，使用普赛斯CP系列脉冲恒压源，在器件栅极-源极、源极-漏极，分别加载高速脉冲电压信号，同时测试源极-漏极的电流。可通过设置不同的电压以及脉宽，观察器件在不同实验条件下的脉冲电流输出能力。

图：脉冲测试连接示意图

对于应用在射频场景下的氮化镓器件，如PA器件或者模组，除了测试静态参数外，也要对其在射频应用下的性能进行表征。常见的射频测试手段有小信号S参数测试、Load-pull测试等。此外，由于氮化镓器件存在电流崩塌现象，有专业研究指出，氮化镓在直流与脉冲的测试条件下，会呈现出不同的射频放大特性。因此，脉冲式的小信号S参数测试，Load-Pull测试方案正逐渐引起研究人员的关注。

图：GaN  RF 效率与频率的关系(来源：qorvo)

图：GaN  RF Load-pull测试曲线(来源：qorvo)

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SMU，即源测量单元，是一种用于半导体材料，以及器件测试高性能仪表。与传统的万用表，以及电流源相比，SMU集电压源、电流源、电压表、电流表以及电子负载等多种功能于一体。此外，SMU还具有多量程，四象限，二线制/四线制测试等多种特性。一直以来，SMU在半导体测试行业研发设计，生产流程得到了广泛应用。同样，对于氮化镓的测试，高性能SMU产品也是不可少的工具。

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