DB13-T 5695-2023 GaN HEMT射頻器件陷阱效應(yīng)測(cè)試方法

31.080CCS

L

4013 DB

13/T

5695—2023GaN

射頻器件陷阱效應(yīng)測(cè)試方法 河北省市場(chǎng)監(jiān)督管理局 發(fā)

布DB

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5695—2023 前言

............................................................................... II引言

.............................................................................. III1

.............................................................................12 規(guī)范性引用文件

...................................................................13 術(shù)語(yǔ)和定義

.......................................................................14 測(cè)試原理

.........................................................................25 測(cè)試環(huán)境

.........................................................................26 測(cè)試系統(tǒng)

.........................................................................27 測(cè)試步驟

.........................................................................38 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

.....................................................................49 試驗(yàn)報(bào)告

.........................................................................4參考文獻(xiàn)

............................................................................ 6DB

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5695—2023 本文件按照GB/T

1.1—《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利，本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專利的責(zé)任。本文件由石家莊市市場(chǎng)監(jiān)督管理局提出。本文件起草單位：河北博威集成電路有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、氣派科技股份有限公司。本文件主要起草人：盧嘯、張博、郭躍偉、閆志峰、郝永利、段磊、王靜輝、王鵬、付興中、陳勇。本文件為首次發(fā)布。IIDB

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5695—2023 GaN

HEMT射頻器件由于表面效應(yīng)、缺陷及雜質(zhì)等影響，使GaN

HEMT中廣泛存在的表面陷阱電荷及體陷阱電荷，俘獲電子形成虛柵，對(duì)溝道二維電子氣（2DEG）、電子遷移率產(chǎn)生影響引起電流退GaN

HEMT射頻器件中。陷阱效應(yīng)對(duì)器件的性能及可靠性存在重大影響，在民用通信領(lǐng)域，由于柵壓脈沖供電條件下的陷阱效應(yīng)現(xiàn)象更為明顯，導(dǎo)致器件及整機(jī)的線性差、效率低、耗能提升、失效率提升等問(wèn)題，影響運(yùn)營(yíng)商的電力成本及用戶通信的清晰度及連貫度。因此在選用GaN

HEMT射頻器件時(shí)宜評(píng)估器件的陷阱效應(yīng)特性，達(dá)到控制器件及整機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。特制訂本文件。IIIDB

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5695—2023GaN

HEMT

1范圍本文件規(guī)定了GaN

HEMT射頻器件陷阱效應(yīng)的測(cè)試原理、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試步驟、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。本文件適用于GaN

HEMT射頻器件陷阱效應(yīng)評(píng)估，GaN

HEMT射頻芯片、模塊和晶圓級(jí)封裝產(chǎn)品可參照使用。2 規(guī)范性引用文件本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。3 術(shù)語(yǔ)和定義GB/T

4586-1994界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。漏源電壓 drain

source

voltageVDS施加于被測(cè)器件或測(cè)試裝置漏極與源極之間的電壓。[來(lái)源：GB/T

4586-1994，4.3（有修改）]柵源電壓 gate

source

voltageVGS施加于被測(cè)器件或測(cè)試裝置柵極與源極之間的電壓。[來(lái)源：GB/T

4586-1994，4.3（有修改）]漏極電流 drain

ID被測(cè)器件的漏極電流。[來(lái)源：GB/T

4586-1994，4.3（有修改）]關(guān)斷柵源電壓 cutoff

voltageVoff使被測(cè)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)施加于柵極的電壓。靜態(tài)柵源電壓 gate

quiescent

voltageVgq使被測(cè)器件處于正常開啟工作狀態(tài)時(shí)施加于柵極的電壓。脈內(nèi)波頂漏極電流 drain

source

in

the

pulse

wave

topID1時(shí)隙切換測(cè)試中，柵源電壓由關(guān)斷柵源電壓切換至靜態(tài)柵源電壓瞬間延后規(guī)定時(shí)間所采集的漏極電流值。脈內(nèi)波底漏極電流 drain

source

in

the

pulse

wave

bottomID2DB

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5695—2023時(shí)隙切換測(cè)試中，柵源電壓由靜態(tài)柵源電壓切換至關(guān)斷柵源電壓瞬間前置規(guī)定時(shí)間所采集的漏極電流值。脈內(nèi)頂?shù)茁O電流變化量 variable

quantity

the

top

bottom

drain

inthe

pulseΔID脈內(nèi)波頂漏極電流ID1（）與脈內(nèi)波底漏極電流ID2（3.7）的差值。4 測(cè)試原理GaN

HEMTAlGaNAlGaN/鈍化層界面缺陷、AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處界面缺陷、AlGaN勢(shì)壘層、阱效應(yīng)，產(chǎn)生“虛柵”調(diào)制溝道電子濃度以及電子陷阱俘獲電子，形成電流崩塌。當(dāng)器件柵源電壓經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制，即不同柵應(yīng)力電壓快速切換，會(huì)產(chǎn)生電流崩塌現(xiàn)象。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因，是當(dāng)器件從夾斷突然轉(zhuǎn)向?qū)〞r(shí),柵下溝道可以快速響應(yīng)而開啟,而柵漏之間虛柵控制的溝道響應(yīng)速度慢,導(dǎo)致器件開態(tài)以后,電流恢復(fù)速度跟不上柵源電壓變化速度,引起脈沖條件下的電流崩塌現(xiàn)象。根據(jù)GaN

HEMT器件陷阱效應(yīng)在脈沖柵源電壓供電條件下對(duì)漏極電流的影響方式，陷阱效應(yīng)的測(cè)器件從關(guān)斷切換至導(dǎo)通狀態(tài)后，漏極電流需要一定時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。使用高分辨率、高有效位數(shù)、高采樣率的示波器對(duì)此過(guò)程中的漏極電流波形進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取，并計(jì)算出漏極電流在脈內(nèi)的最大變化量（即ΔID），以此來(lái)表征器件陷阱效應(yīng)特性。5 測(cè)試環(huán)境溫度：233℃；相對(duì)濕度：30％~75％；大氣壓：86kPa~106kPa。6 測(cè)試系統(tǒng)系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖1所示，各部分組成和功能如下：a)

直流電源:

為測(cè)試夾具提供連續(xù)穩(wěn)定的漏源電壓、脈沖波形的柵源電壓，脈沖波形電壓值及持續(xù)時(shí)間可以通過(guò)設(shè)備自身或軟件進(jìn)行相關(guān)設(shè)置；b)

測(cè)試夾具：實(shí)現(xiàn)時(shí)隙切換測(cè)試的夾具，可通過(guò)該夾具完成電源對(duì)固定于夾具上被測(cè)器件的加電及示波器對(duì)漏極電流的讀??；c)

示波器：用于讀取測(cè)試過(guò)程中漏極電流的變化波形；d)

被測(cè)器件：進(jìn)行性能評(píng)估的待測(cè)試器件。圖1 測(cè)試系統(tǒng)框圖要求6.2.1 0V~0.1%+5mV10mVpp；電流0A~3A；電源需具備脈沖調(diào)制功能。DB

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5695—20236.2.2

內(nèi)存深度不低于

采樣率不低于

2.5GSa/s,波形更新率不低于

100000wfms/s。6.2.3 測(cè)試所用的測(cè)量?jī)x器應(yīng)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)。7 測(cè)試步驟按照?qǐng)D

1

所示搭建測(cè)試系統(tǒng)，主要測(cè)試步驟如圖

2

所示。搭建測(cè)試系統(tǒng)將被測(cè)器件置于測(cè)試夾具內(nèi)確定被測(cè)器件的靜態(tài)柵壓V設(shè)置電源參數(shù)開啟測(cè)試，示波器顯示I測(cè)試波形及數(shù)據(jù)讀取I、I數(shù)據(jù)并計(jì)算陷阱效應(yīng)表征項(xiàng)?I=I-I圖2 測(cè)試流程圖將被測(cè)器件放置于測(cè)試夾具內(nèi)，通過(guò)施加壓力或其他方法保證被測(cè)器件與測(cè)試夾具緊密接觸。

ID時(shí)柵源電壓的電壓值為

Vgq等因素。其中電源串?dāng)_可能由同一電源線路中其他大功率設(shè)備、接地不良等因素帶來(lái)，可通過(guò)改善電源接地等方式消除；濾波不合理可能由不合適的濾波電容容值或電容組合等因素導(dǎo)致，可通過(guò)更換濾波電容消除。

3

a

V器件柵源施加矩形脈沖電壓

VGS

V

VgqVoff按照被測(cè)器件

1ms~；Vgq持續(xù)時(shí)間為

Voff

2

倍~3

倍；V與

Vgq的脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間應(yīng)小于

10us。通過(guò)示波器觀察漏極電流波形如圖

3

分圖

b)所示，其中

ID

理想波形下的漏極電流波形，ID

為被測(cè)器件的實(shí)際測(cè)試電流波形。測(cè)試中示波器所讀取的漏極電流波形應(yīng)無(wú)振鈴現(xiàn)象。其中振鈴的消除，需考慮測(cè)試系統(tǒng)、被測(cè)器件匹配不良問(wèn)題，并加以消除。如圖3分圖IDID1及脈內(nèi)波底漏極電流ID2數(shù)據(jù)，其中t1、t2一般在Vgq持續(xù)時(shí)間的1/50~1/20范圍內(nèi)取值。DB

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5695—2023

tVoff切換至靜態(tài)柵源電壓Vgq時(shí)，至讀取脈內(nèi)波頂漏極電流ID1時(shí)的時(shí)間差。該時(shí)間差用于保tID2于保證示波器所采集到的漏極電流未受干擾因素影響，可正確表征被測(cè)器件本身特性。圖3電壓與漏極電流波形對(duì)應(yīng)圖8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理依據(jù)公式（1）計(jì)算脈內(nèi)頂?shù)茁O電流變化量。用ΔID來(lái)表征GaN

HEMT射頻器件陷阱效應(yīng)特性。ΔID=

ID1-ID2(1)式中：ΔID——脈內(nèi)頂?shù)茁O電流變化量，單位為毫安（）；ID1——脈內(nèi)波頂漏極電流，單位為毫安（mAID2——脈內(nèi)波底漏極電流，單位為毫安（mA9 試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含以下內(nèi)容：a)

依據(jù)本文件；b)

樣品信息，包括送樣單位、樣品編號(hào)；c)

測(cè)試環(huán)境，如溫度和相對(duì)濕度；d)

所使用的直流電源、示波器的型號(hào)、編號(hào)；e)

脈內(nèi)波頂漏極電流、脈內(nèi)波底漏極電流的測(cè)試原始數(shù)據(jù)；DB

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5695—2023f)

脈內(nèi)頂?shù)茁O電流變化量的計(jì)算結(jié)果；g)

測(cè)試日期、測(cè)試人員。DB

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5695—2023參 考 文

獻(xiàn)[1]GB/T

4586-1994半導(dǎo)體器件 分立器件 第8部分：場(chǎng)效應(yīng)晶體管[2]IEC

63229:2021

devices

-

Classification

defects

in

gallium

nitrideepitaxial

film

on

carbide

substrate（半導(dǎo)體器件

碳化硅基GaN外延層的缺陷分類）[3]陳熾.氮化鎵高電子遷移率晶體管微波特性表征及微波功率放大器研究[D].西安電子科技大學(xué)，2011[4]郭偉玲,陳艷芳,李松宇,雷亮,柏常青.GaN基HEMT器件的缺陷研究綜述.發(fā)光學(xué)報(bào)，2017.6[5]姜元祺

高場(chǎng)退化的機(jī)理研究[D].西安電子科技大學(xué)，2014[6]王福學(xué).