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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)。

射頻器件直流特性SMU源表 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，最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,會導致器件的較佳阻抗點發生偏移。因此為了獲得射頻器件在非線性工作狀態下的較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,找到較佳阻抗點。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。

基于普賽斯射頻器件直流特性SMU源表的直流l-V特性測試系統

整套測試系統基于普賽斯S/CS系列源表,配合探針臺以及專用測試軟件,可用于GaN  HEMT、GaAs射頻器件直流參數測試,包括閾值電壓、電流、輸出特性曲線等。

S/CS系列直流源表

S系列源表是普賽斯歷時多年打造的高精度、大動態范圍、數字觸摸的帥先國產化源表,集電壓、電流的輸入輸出及測量等多種功能,較大電壓300V,較大電流1A,支持四象限工作,支持線性、對數、自定義等多種掃描模式。可用于生產、研發中的GaN、GaAs射頻材料以及芯片的直流l-V特性測試。

CS系列插卡式源表(主機+子卡)是針對多通道測試場景推出的模塊化測試產品。普賽斯插卡式源表單臺設備最高可選配10張子卡,具有電壓、電流的輸入輸出及測量等多種功能,較大電壓300V,較大電流1A,支持四象限工作,具有通道密度高、同步觸發功能強、多設備組合效率高等特點。

對于射頻器件的直流特性測試,其柵極電壓一般在±10V以內,源、漏端電壓在60V以內。此外,由于器件為三端口類型,因此,至少需2臺S源表,或者2通道CS子卡。

輸出特性曲線測試

在柵、源電壓VGs一定的情況下,源、漏電流lbs與電壓Vos之間的變化曲線,稱為輸出特性曲線。隨著Vos的增加而不斷,電流los也不斷增加至飽和狀態。此外,通過測試不同柵、源電壓Vcs值,可以獲得一組輸出特性曲線。

跨導測試

跨導gm是表征器件柵極對溝道控制能力強弱的參數,跨導值越大,說明柵極對溝道的控制能力越強。

其定義為gm=dlDs/dVgo在源、漏電壓一定的情況下,測試源、漏電流lDs與柵、源電壓VGs之間的變化曲線,并對曲線進行求導,即可得到跨導值。其中,跨導值較大的地方稱為gm,max。

基于普賽斯Р系列脈沖源表/CP系列恒壓脈沖源的脈沖I-V特性測試系統

整套測試系統基于普賽斯P系列脈沖源表/CP恒壓脈沖源,配合探針臺以及專用測試軟件,可用于GaN  HEMT 、GaAs射頻器件脈沖I-V參數測試,尤其是脈沖l-V輸出特性曲線的繪制。

P系列脈沖源表

P系列脈沖源表是普賽斯推出的高精度、強輸出、寬測試范圍的脈沖式源表,集電壓、電流的輸入輸出及測量等多種功能。產品具有直流、脈沖兩種工作模式。較大輸出電壓達300V,較大脈沖輸出電流達10A,較大電壓300V,較大電流1A,支持四象限工作,支持線性、對數、自定義等多種掃描模式。可用于生產、研發中的GaN、GaAs射頻材料以及芯片的脈沖式l-V特性測試。

CP系列脈沖恒壓源

普賽斯CP系列脈沖恒壓源是武漢普賽斯儀表推出的窄脈寬、高精度寬量程插卡式脈沖恒壓源。設備支持窄脈沖電壓輸出,并同步完成輸出電壓及電流測量;支持多設備觸發實現器件的脈沖l-V掃描等;支持輸出脈沖時序(如delay.pulse  width、period     等)調節,可輸出復雜曲線。其主要特點有:脈沖電流大,最高可至10A;脈沖寬度窄,最小可低至100ns;支持直流、脈沖兩種電壓輸出模式;支持線性、對數以及自定義多種掃描工作方式。產品可應用于氮化家、砷化竊等材料構成的高速器件的I-V測試。

對于射頻器件的脈沖式l-V特性測試,其柵極電壓—般在±10V以內,源、漏端電壓在±60V以內,脈沖寬度從0.5us~500us不等，占空比為10%或20%。此外，由于器件為三端口類型,因此,至少需2臺Р源表,或者2通道CP子卡。

脈沖輸出特性曲線測試

由于GaN器件材料以及生產工藝限制,存在電流崩塌效應。因此,器件在脈沖條件下工作時會存在功率下降,無法達到理想的大功率工作狀態。脈沖輸出特性測試方法為，在器件的柵極和漏極同步施加周期性脈沖電壓信號,柵極和漏極的電壓會同步在靜態工作點和有效工作點之間進行交替變化。在Vcs和Vos為有效電壓時,對器件電流進行監測.研究證明,不同的靜態工作電壓以及脈寬長度對電流崩塌有不同影響。

基于普賽斯CP系列恒壓脈沖源的脈沖S參數測試系統

整套測試系統基于普賽斯CP系列恒壓脈沖源,配合網絡分析儀、探針臺、Bias-tee夾具,以及專用測試軟件。在直流小信號S參數測試的基礎上,可實現GaN  HEMT 、GaAs射頻器件脈沖S參數測試。

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,帥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。