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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。由于材料上的優勢,GaN在高頻率工作狀態下具有優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)就是一種利用異質結間深勢壘囤積的二維電子氣(2DEG)作為導電溝道,在柵、源、漏二端電壓偏置的調控下達成導電特性的器件結構。由于GaN材料形成的異質結存在著很強的極化效應,異質結界面處的量子阱中產生了大量首束縛的電子,稱為二維電子氣。典型AlGaN/Ga N-HEMT器件的基本結構如下圖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異質結。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使得溝道內產生橫向電場,在橫向電場作用下,二維電子氣沿異質結界面進行輸運形成漏極輸出電流IDS。柵極與AlGaN勢壘層進行肖特基接觸,通過柵極電壓VGS的大小,控制AIGaN/GaN異質結中勢阱的深度,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器件結構示意圖
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參數測試)、功率特性(Load-Pull測試)。 GaN HEMT擊穿特性測試高壓電源認準普賽斯儀表
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。其測試參數包括:Vos、IDs、BVGD、BVDs、gfs等,其中輸出電流lps以及跨導gm是最為核心的兩個參數。
圖6:GaN HEMTGaN HEMT器件規格參數
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測試包含小信號S參數、互調(IMD)、噪聲系數和雜散等特性的測量。其中,S參數測試描述了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傳播。
S參數也就是散射參數。S參數是一種描述元器件在表現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(即“散射”)后,從元器件外部“散射”出的可測量的物理量來實現的,測量到的物理量的大小反應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,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參數通常均利用連續波(CW)激勵信號并應用窄帶響應檢測來測量。但是,許多RF器件被設計為使用脈沖信號工作,這些信號具有寬頻域響應。這使得利用標準窄帶檢測方法精確表征RF器件具有挑戰性。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。這些散射參數是通過特殊的脈沖響應測量技術獲得的。目前,已有企業采取脈沖法測試S參數,測試規格范圍為:100us脈寬,10~20%占空比。
由于GaN器件材料以及生產工藝限制,器件不可避免存在缺陷,導致出現電流崩塌、柵極延遲等現象。在射頻工作狀態下,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運行狀態。科研層面,也在驗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器件具有適應高頻率、高功率工況的優異特性,因此,小信號S參數測試已難以滿足大功率器件的測試需求。負載牽引測試(Load-Pull測試)對于功率器件在非線性工作狀態下的性能評估至關重要,能夠為射頻功率放大器的匹配設計提供幫助。在射頻電路設計中,需要將射頻器件的輸入輸出端都匹配到共輪匹配狀態。當器件處于小信號工作狀態下時,器件的增益是線性的,但是當增大器件的輸入功率使得其工作在大信號非線性狀態時,由于器件會發生功率牽引,會導致器件的Z佳阻抗點發生偏移。因此為了獲得射頻器件在非線性工作狀態下的Z佳阻抗點以及對應的輸出功率、效率等功率參數,需在對器件進行大信號負載牽引測試,使器件在固定的輸入功率下改變器件輸出端所匹配的負載的阻抗值,找到Z佳阻抗點。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。
GaN HEMT擊穿特性測試高壓電源認準普賽斯儀表，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體領域電性能測試儀表與系統開發,基于核心算法和系統集成等技術平臺優勢,S先自主研發了高精度數字源表、脈沖式源表、脈沖大電流源、高速數據采集卡、脈沖恒壓源等儀表產品以及整套測試系統。產品廣泛應用在功率半導體材料與器件、射頻器件、寬禁帶半導體的分析測試領域。可根據用戶的需求,提供高性能、高效率、高性價比的電性能測試綜合解決方案。
