GaN HEMT器件主要性能測試指標有哪些？如何測試？

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

        隨著GaN技術的日趨成熟，國外開始將GaN功率器件向太空應用擴展，充分發揮寬禁帶半導體材料為基礎的GaN器件的固有優勢，制成重量更輕、功能更強大的太空應用的電子設備。根據Yole Development 的調研數據顯示，2020年全球GaN功率市場規模約為4600萬美元，預計2026年可達11億美元，2020-2026年CAGR有望達到70%。從國內看，GaN是目前能同時實現高頻、高效、大功率的代表性器件，是支撐“新基建”建設的關鍵核心部件，有助于“雙碳”目標實現，推動綠色低碳發展，在5G基站、新能源充電樁等新基建代表中均有所應用。隨著國家政策的推動和市場的需求，GaN器件在“快充”場景Y領下，有望隨中國經濟的復蘇和消費電子巨大的存量市場而不斷破圈。未來，隨著新基建、新能源、新消費等領域的持續推進，GaN器件在國內市場的應用必將呈現快速增長的態勢。

圖：不同材料半導體器件的應用

圖：不同種類半導體材料特性對比

        典型的GaN HEMT器件結構如下圖所示，從上往下依次分別為：柵極、源極、漏J端子、介電層、勢壘層、緩沖層、以及襯底，并在AlGaN / GaN的接觸面形成異質結結構。由于AlGaN材料具有比GaN材料更寬的帶隙，在到達平衡時，異質結界面交界處能帶發生彎曲，造成導帶和價帶的不連續，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)。

        當在器件的漏、源兩端施加電壓VDS，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傳輸，形成輸出電流IDS。將柵極與AlGaN勢壘層進行肖特基接觸，通過施加不同大小的柵極電壓VGS，來控制AlGaN/GaN異質結中勢阱的深度，改變溝道中二維電子氣密度，從而控制溝道內的漏極輸出電流開啟與關斷。二維電子氣在漏、源極施加電壓時可以有效地傳導電子，具有很高的電子遷移率和導電性，這是GaN器件能夠具有*性能的基礎。

圖：氮化鎵器件結構

圖：氮化鎵射頻器件外觀(來源：qorvo)

        在射頻功放系統中，功率開關器件往往需要耐受長時間高壓應力，對于GaN HEMT而言其優異的耐高壓能力和極快的開關速度可以將同等電壓級別的電源系統推向更高的頻率。但是在高壓應用下一個嚴重限制GaN HEMT性能的問題就是電流崩塌現象(Current Collapse)。電流崩塌又稱作動態導通電阻退化，即器件直流測試時，受到強電場的反復沖擊后，飽和電流與最大跨導都呈現下降，閾值電壓和導通電阻出現上升的實驗現象。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0.5μs~5ms級別，10%占空比。

（圖片來源：《AlGaN/GaN HEMT器件電學特性與可靠性研究》.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，本身會產生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會在器件內部出現“自熱效應”。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，而當器件達到飽和區時Ids呈現飽和狀態，隨著Vds的增大而不再增加。此時，隨著Vds的繼續上升，器件出現嚴重的自熱效應，導致飽和電流隨著Vds的上升反而出現下降的情況，在嚴重的情況下不僅會使器件性能出現大幅度的下降，還可能導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與界面熱阻和溫度的研究》.顧江、王強、魯宏）

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

        靜態測試方法，一般是在器件對應的端子上加載電壓或者電流，并測試其對應參數。與Si基器件不同的是，GaN器件的柵極閾值電壓較低，甚至要加載負壓。常見的靜態測試參數有：閾值電壓、擊穿電壓、漏電流、導通電阻、跨導、電流坍塌效應測試等。

圖：GaN 輸出特性曲線(來源：Gan systems)

圖：GaN導通電阻曲線(來源：Gan systems)

        SMU，即源測量單元，是一種用于半導體材料，以及器件測試高性能儀表。與傳統的萬用表，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在半導體測試行業研發設計，生產流程得到了廣泛應用。同樣，對于氮化鎵的測試，高性能SMU產品也是不可少的工具。

可少的工具。