DB13_T 5695-2023GaN+HEMT射频器件陷阱效应测试方法.pdf

ICS 31.080 CCS L 40 13 河北省地方标准 DB 13/T 56952023 GaN HEMT 射频器件陷阱效应测试方法 2023-05-06 发布 2023-06-06 实施 河北省市场监督管理局 发 布 目次 前言.II 引言.III 1 范围.1 2 规范性引用文件.1 3 术语和定义.1 4 测试原理.2 5 测试环境.2 6 测试系统.2 7 测试步骤.3 8 试验数据处理.4 9 试验报告.4 参考文献.6 前言 本文件按照GB/T 1.12020标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由石家庄市市场监督管理局提出。本文件起草单位：河北博威集成电路有限公司、中国电子科技集团公司第十三研究所、气派科技股份有限公司。本文件主要起草人：卢啸、张博、郭跃伟、闫志峰、郝永利、段磊、王静辉、王鹏、付兴中、陈勇。本文件为首次发布。引言 GaN HEMT射频器件由于表面效应、缺陷及杂质等影响，使GaN HEMT中广泛存在的表面陷阱电荷及体陷阱电荷，俘获电子形成虚栅，对沟道二维电子气（2DEG）、电子迁移率产生影响引起电流退化，进而引起器件电流及功率性能恶化。此现象即为陷阱效应，且普遍存在于GaN HEMT射频器件中。陷阱效应对器件的性能及可靠性存在重大影响，在民用通信领域，由于栅压脉冲供电条件下的陷阱效应现象更为明显，导致器件及整机的线性差、效率低、耗能提升、失效率提升等问题，影响运营商的电力成本及用户通信的清晰度及连贯度。因此在选用GaN HEMT射频器件时宜评估器件的陷阱效应特性，达到控制器件及整机系统稳定性的目的。特制订本文件。GaN HEMT 射频器件陷阱效应测试方法 1 范围 本文件规定了GaN HEMT射频器件陷阱效应的测试原理、测试环境、测试系统、测试步骤、试验数据处理。本文件适用于GaN HEMT射频器件陷阱效应评估，GaN HEMT射频芯片、模块和晶圆级封装产品可参照使用。2 规范性引用文件 本文件没有规范性引用文件。3 术语和定义 GB/T 4586-1994界定的以及下列术语和定义适用于本文件。漏源电压 drain source voltage VDS 施加于被测器件或测试装置漏极与源极之间的电压。来源：GB/T 4586-1994，4.3（有修改）栅源电压 gate source voltage VGS 施加于被测器件或测试装置栅极与源极之间的电压。来源：GB/T 4586-1994，4.3（有修改）漏极电流 drain current ID 被测器件的漏极电流。来源：GB/T 4586-1994，4.3（有修改）关断栅源电压 cutoff gate voltage Voff 使被测器件处于关断状态时施加于栅极的电压。静态栅源电压 gate quiescent voltage Vgq 使被测器件处于正常开启工作状态时施加于栅极的电压。脉内波顶漏极电流 drain source current in the pulse wave top ID1 时隙切换测试中，栅源电压由关断栅源电压切换至静态栅源电压瞬间延后规定时间所采集的漏极电流值。脉内波底漏极电流 drain source current in the pulse wave bottom ID2 时隙切换测试中，栅源电压由静态栅源电压切换至关断栅源电压瞬间前置规定时间所采集的漏极电流值。脉内顶底漏极电流变化量 variable quantity between the top and bottom drain current in the pulse ID 脉内波顶漏极电流ID1（3.6）与脉内波底漏极电流ID2（3.7）的差值。4 测试原理 GaN HEMT器件由于其本身的器件结构及材料特性，存在有AlGaN表面的表面态、AlGaN/钝化层界面缺陷、AlGaN/GaN异质结界面处界面缺陷、AlGaN势垒层、GaN缓冲层中的体缺陷等。缺陷引发的陷阱效应，产生“虚栅”调制沟道电子浓度以及电子陷阱俘获电子，形成电流崩塌。当器件栅源电压经过脉冲调制，即不同栅应力电压快速切换，会产生电流崩塌现象。导致这一现象的原因，是当器件从夹断突然转向导通时,柵下沟道可以快速响应而开启,而柵漏之间虚栅控制的沟道响应速度慢,导致器件开态以后,电流恢复速度跟不上栅源电压变化速度,引起脉冲条件下的电流崩塌现象。根据GaN HEMT器件陷阱效应在脉冲栅源电压供电条件下对漏极电流的影响方式，陷阱效应的测试方法是对器件施加栅应力存在差异的脉冲栅源电压，由于陷阱效应的存在，栅漏沟道响应速度慢，器件从关断切换至导通状态后，漏极电流需要一定时间才能达到稳定状态。使用高分辨率、高有效位数、高采样率的示波器对此过程中的漏极电流波形进行采集、数据进行抓取，并计算出漏极电流在脉内的最大变化量（即ID），以此来表征器件陷阱效应特性。5 测试环境 温度：233；相对湿度：3075；大气压：86kPa106kPa。6 测试系统 系统框图 系统框图如图1所示，各部分组成和功能如下：a)直流电源:为测试夹具提供连续稳定的漏源电压、脉冲波形的栅源电压，脉冲波形电压值及持续时间可以通过设备自身或软件进行相关设置；b)测试夹具：实现时隙切换测试的夹具，可通过该夹具完成电源对固定于夹具上被测器件的加电及示波器对漏极电流的读取；c)示波器：用于读取测试过程中漏极电流的变化波形；d)被测器件：进行性能评估的待测试器件。图1 测试系统框图 要求 6.2.1 直流电源：电压0V60V，电源调节率优于0.1%+5mV，输出纹波和噪声优于10mVpp；电流0A3A；电源需具备脉冲调制功能。6.2.2 示波器：带宽不低于 200MHz,内存深度不低于 2Mpts,采样率不低于 2.5GSa/s,波形更新率不低于 100000wfms/s。6.2.3 测试所用的测量仪器应经过校准。7 测试步骤 按照图 1 所示搭建测试系统，主要测试步骤如图 2 所示。搭建测试系统将被测器件置于测试夹具内确定被测器件的静态栅压Vgq设置电源参数开启测试，示波器显示ID测试波形及数据读取ID1、ID2数据并计算陷阱效应表征项ID=ID1-ID2 图2 测试流程图 将被测器件放置于测试夹具内，通过施加压力或其他方法保证被测器件与测试夹具紧密接触。对被测器件的栅源、漏源施加电压，调整栅源电压使ID达到被测器件产品手册标定值，读取此时栅源电压的电压值为Vgq。开启测试前，需消除不良影响。不良影响包括：电源串扰、滤波不合理等因素。其中电源串扰可能由同一电源线路中其他大功率设备、接地不良等因素带来，可通过改善电源接地等方式消除；滤波不合理可能由不合适的滤波电容容值或电容组合等因素导致，可通过更换滤波电容消除。开启测试进行加电，加电条件如图 3 分图 a）所示，对被测器件漏源施加连续电压VDS；对被测器件栅源施加矩形脉冲电压VGS，低电平电压值为Voff、高电平电压值为Vgq。其中，Voff按照被测器件产品手册规定电压值施加，持续时间为 1ms5ms；Vgq持续时间为Voff持续时间的 2 倍3 倍；Voff与Vgq的脉冲上升时间和下降时间应小于 10us。通过示波器观察漏极电流波形如图 3 分图 b)所示，其中ID 理想波形为无陷阱效应及其他不良影响下的漏极电流波形，ID 实际波形为被测器件的实际测试电流波形。测试中示波器所读取的漏极电流波形应无振铃现象。其中振铃的消除，需考虑测试系统、被测器件匹配不良问题，并加以消除。如图3分图b)所示，由示波器读取ID数据及波形、脉内波顶漏极电流ID1及脉内波底漏极电流ID2数据，其中t1、t2一般在Vgq持续时间的1/501/20范围内取值。a）电源加电理想波形 b）示波器读取波形 标引序号说明：t1自关断栅源电压Voff切换至静态栅源电压Vgq时，至读取脉内波顶漏极电流ID1时的时间差。该时间差用于保证示波器所采集到的漏极电流未受干扰因素影响，可正确表征被测器件本身特性；t2自读取脉内波底漏极电流ID2时,至栅源电压由静态栅源电压切换至关断栅源电压时的时间差。该时间差用于保证示波器所采集到的漏极电流未受干扰因素影响，可正确表征被测器件本身特性。图3 电压与漏极电流波形对应图 8 试验数据处理 依据公式（1）计算脉内顶底漏极电流变化量。用ID来表征GaN HEMT射频器件陷阱效应特性。ID=ID1-ID2 (1)式中：ID脉内顶底漏极电流变化量，单位为毫安（mA）；ID1脉内波顶漏极电流，单位为毫安（mA）；ID2脉内波底漏极电流，单位为毫安（mA）。9 试验报告 试验报告应包含以下内容：a)依据本文件；b)样品信息，包括送样单位、样品编号；c)测试环境，如温度和相对湿度；d)所使用的直流电源、示波器的型号、编号；e)脉内波顶漏极电流、脉内波底漏极电流的测试原始数据；f)脉内顶底漏极电流变化量的计算结果；g)测试日期、测试人员。参考文献 1GB/T 4586-1994 半导体器件 分立器件 第8部分：场效应晶体管 2IEC 63229:2021 Semiconductor devices-Classification of defects in gallium nitride epitaxial film on silicon carbide substrate（半导体器件 碳化硅基GaN外延层的缺陷分类）3陈炽.氮化镓高电子迁移率晶体管微波特性表征及微波功率放大器研究D.西安电子科技大学，2011 4郭伟玲,陈艳芳,李松宇,雷亮,柏常青.GaN基HEMT器件的缺陷研究综述.发光学报J，2017.6 5姜元祺.AlGaN/GaN HEMT高场退化的机理研究D.西安电子科技大学，2014 6王福学.GaN材料的缺陷分布及工艺设计对器件性能的影响研究D.南京大学，2011 7周幸叶,吕元杰,谭鑫,王元刚,宋旭波,何泽召,张志荣,刘庆彬,韩婷婷,房玉龙,冯志红.基于脉冲方法的超短栅长GaN基高电子迁移率晶体管陷阱效应机理.物理学报J，2018，67(17)8Xiang Zheng，Shiwei Feng，Yifu Gao，Yamin Zhang，Yunpeng Jia，Shijie Pan.A voltage-transient method for characterizing traps in GaN HEMTs.Microelectronics ReliabilityJ,2019