GaN HEMT射频器件参数测试

概述—射频

        射频器件是实现信号发送和接收的基础部件,是无线通讯的核心,主要包括滤波器(Filter)、功率放大器(PA)、射频开关(Switch)、低噪声放大器(LNA)、天线调谐器(Tuner)和双/多工器(Du/Multiplexer)等类型器件。其中,功率放大器是放大射频信号的器件,直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。

        功率放大器(PA,Power Amplifier)是射频前端的核心部件,利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。PA主要用于发射链路,通过把发射通道的微弱射频信号放大,使信号成功获得足够高的功率,从而实现更高通信质量、更远通信距离。因此,PA的性能可以直接决定通信信号的稳定性和强弱。

图1∶射频器件的应用

        随着半导体材料的不断发展,功率放大器也经历了CMOS.GaAs.GaN三大技术路线。第一代半导体材料是CMOS,技术成熟且产能稳定,缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在3GHz以下。第二代半导体材料主要使用GaAs或SiGe,有较高的击穿电压,可用于高功率、高频器件应用,但其器件功率较低,通常低于50W。第三代半导体材料GaN具有更高的电子迁移率，开关速度快的特点,弥补了GaAs和Si基LDMOS这两种传统技术的缺陷,在体现GaAs高频性能的同时,结合了Si基LDMOS的功率处理能力。因此,在性能上显著强于GaAs,在高频应用领域优势显著,在微波射频、IDC等领域潜力巨大。随着全国5G基站建设的加速,国内GaN射频器件市场成倍增长,预计释放超千亿元的GaN PA新需求。未来三到五年GaN射频器件在5G基站的渗透率预计达到70%。

图2:不同材料的射频器件应用

图3:不同材料的射频器件特点

GaN HEMT器件

        GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors,氮化家高电子迁移率晶体管)作为宽禁带(WBG)半导体器件的代表,相比于Si和SiC器件,具有更高的电子迁移率、饱和电子速度和击穿电场。由于材料上的优势,GaN在高频率工作状态下具有优异的功率以及频率特性,和较低的功率损耗。

        GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)就是一种利用异质结间深势垒囤积的二维电子气(2DEG)作为导电沟道,在栅、源、漏二端电压偏置的调控下达成导电特性的器件结构。由于GaN材料形成的异质结存在着很强的极化效应,异质结界面处的量子阱中产生了大量首束缚的电子,称为二维电子气。典型AlGaN/Ga N-HEMT器件的基本结构如下图5所示,器件最底层是衬底层(一般为SiC或Si材料),然后外延生长N型GaN缓冲层,外延生长的P型AIGaN势垒层,形成AlGaN/GaN异质结。最后在AIGaN层上淀积形成肖特基接触的栅极(G)、源极(S)和漏极(D)进行高浓度掺杂,并与沟道中的二维电子气相连形成欧姆接触。

        漏源电压VDS使得沟道内产生横向电场,在横向电场作用下,二维电子气沿异质结界面进行输运形成漏极输出电流IDS。栅极与AlGaN势垒层进行肖特基接触,通过栅极电压VGS的大小,控制AIGaN/GaN异质结中势阱的深度,改变沟道中二维电子气面密度的大小,从而控制沟道内的漏极输出电流。

图4: GaN HEMT器件外观与电路示意图

图5: GaN HEMT器件结构示意图

    GaN HEMT器件的评估一般包含直流特性(直流l-V测试)、频率特性(小信号S参数测试)、功率特性(Load-Pull测试)。

直流特性测试

        与硅基晶体管一样,GaN HEMT器件也需要进行直流l-V测试,以表征器件的直流输出能力以及工作条件。其测试参数包括:Vos、IDs、BVGD、BVDs、gfs等,其中输出电流lps以及跨导gm是最为核心的两个参数。

图6:GaN HEMTGaN HEMT器件规格参数

图7:GaN HEMT器件输出特性曲线

频率特性测试

        射频器件的频率参数测试包含小信号S参数、互调(IMD)、噪声系数和杂散等特性的测量。其中,S参数测试描述了RF器件在不同频率下和对于信号的不同功率水平的基本特性,量化了RF能量是如何通过系统传播。

        S参数也就是散射参数。S参数是一种描述元器件在表现为射频特性的高频信号激励下的电气行为的工具,它描述的方法是以元器件对入射信号作出反应(即“散射”)后,从元器件外部“散射”出的可测量的物理量来实现的,测量到的物理量的大小反应出不同特性的元器件会对相同的输入信号“散射”的程度不一样。

        使用小信号S参数,我们可以确定基本RF特性,包括电压驻波比(VSWR)、回报损耗、插入损耗或给定频率的增益。小信号S参数通常均利用连续波(CW)激励信号并应用窄带响应检测来测量。但是,许多RF器件被设计为使用脉冲信号工作,这些信号具有宽频域响应。这使得利用标准窄带检测方法精确表征RF器件具有挑战性。因此,对于脉冲模式下的器件表征,通常使用所谓的脉冲S参数。这些散射参数是通过特殊的脉冲响应测量技术获得的。目前,已有企业采取脉冲法测试S参数,测试规格范围为:100us脉宽,10~20%占空比。

        由于GaN器件材料以及生产工艺限制,器件不可避免存在缺陷,导致出现电流崩塌、栅极延迟等现象。在射频工作状态下,器件输出电流减小、膝电压增加，最终使得输出功率减小,性能恶化。此时,需采用脉冲测试的方式,以获取器件在脉冲工作模式下的真实运行状态。科研层面,也在验证脉宽对电流输出能力的影响,脉宽测试范围覆盖0.5us~5ms级别,10%占空比。

功率特性测试(Load-pull测试)

        GaN HEMT器件具有适应高频率、高功率工况的优异特性,因此,小信号S参数测试已难以满足大功率器件的测试需求。负载牵引测试(Load-Pull测试)对于功率器件在非线性工作状态下的性能评估至关重要,能够为射频功率放大器的匹配设计提供帮助。在射频电路设计中,需要将射频器件的输入输出端都匹配到共轮匹配状态。当器件处于小信号工作状态下时,器件的增益是线性的,但是当增大器件的输入功率使得其工作在大信号非线性状态时,由于器件会发生功率牵引,会导致器件的最佳阻抗点发生偏移。因此为了获得射频器件在非线性工作状态下的最佳阻抗点以及对应的输出功率、效率等功率参数,需在对器件进行大信号负载牵引测试,使器件在固定的输入功率下改变器件输出端所匹配的负载的阻抗值,找到最佳阻抗点。其中,功率增益(Gain)、输出功率密度(Pout)、功率附加效率(PAE)是GaN射频器件功率特性的重要考量参数。

基于普赛斯S/CS系列源表的直流l-V特性测试系统

        整套测试系统基于普赛斯S/CS系列源表,配合探针台以及专用测试软件,可用于GaN HEMT、GaAs射频器件直流参数测试,包括阈值电压、电流、输出特性曲线等。

S/CS系列直流源表

        S系列源表是普赛斯历时多年打造的高精度、大动态范围、数字触摸的率先国产化源表,集电压、电流的输入输出及测量等多种功能,最大电压300V,最大电流1A,支持四象限工作,支持线性、对数、自定义等多种扫描模式。可用于生产、研发中的GaN、GaAs射频材料以及芯片的直流l-V特性测试。

        CS系列插卡式源表(主机+子卡)是针对多通道测试场景推出的模块化测试产品。普赛斯插卡式源表单台设备最高可选配10张子卡,具有电压、电流的输入输出及测量等多种功能,最大电压300V,最大电流1A,支持四象限工作,具有通道密度高、同步触发功能强、多设备组合效率高等特点。

        对于射频器件的直流特性测试,其栅极电压一般在±10V以内,源、漏端电压在60V以内。此外,由于器件为三端口类型,因此,至少需2台S源表,或者2通道CS子卡。

图16：S系列源表

输出特性曲线测试

        在栅、源电压VGs一定的情况下,源、漏电流lbs与电压Vos之间的变化曲线,称为输出特性曲线。随着Vos的增加而不断,电流los也不断增加至饱和状态。此外,通过测试不同栅、源电压Vcs值,可以获得一组输出特性曲线。

跨导测试

        跨导gm是表征器件栅极对沟道控制能力强弱的参数,跨导值越大,说明栅极对沟道的控制能力越强。

        其定义为gm=dlDs/dVgo在源、漏电压一定的情况下,测试源、漏电流lDs与栅、源电压VGs之间的变化曲线,并对曲线进行求导,即可得到跨导值。其中,跨导值最大的地方称为gm,max。

基于普赛斯Р系列脉冲源表/CP系列恒压脉冲源的脉冲I-V特性测试系统

        整套测试系统基于普赛斯P系列脉冲源表/CP恒压脉冲源,配合探针台以及专用测试软件,可用于GaN HEMT 、GaAs射频器件脉冲I-V参数测试,尤其是脉冲l-V输出特性曲线的绘制。

P系列脉冲源表

        P系列脉冲源表是普赛斯推出的高精度、强输出、宽测试范围的脉冲式源表,集电压、电流的输入输出及测量等多种功能。产品具有直流、脉冲两种工作模式。最大输出电压达300V,最大脉冲输出电流达10A,最大电压300V,最大电流1A,支持四象限工作,支持线性、对数、自定义等多种扫描模式。可用于生产、研发中的GaN、GaAs射频材料以及芯片的脉冲式l-V特性测试。

CP系列脉冲恒压源

        普赛斯CP系列脉冲恒压源是武汉普赛斯仪表推出的窄脉宽、高精度宽量程插卡式脉冲恒压源。设备支持窄脉冲电压输出,并同步完成输出电压及电流测量;支持多设备触发实现器件的脉冲l-V扫描等;支持输出脉冲时序(如delay.pulse width、period 等)调节,可输出复杂曲线。其主要特点有:脉冲电流大,最高可至10A;脉冲宽度窄,最小可低至100ns;支持直流、脉冲两种电压输出模式;支持线性、对数以及自定义多种扫描工作方式。产品可应用于氮化家、砷化窃等材料构成的高速器件的I-V测试。

        对于射频器件的脉冲式l-V特性测试,其栅极电压—般在±10V以内,源、漏端电压在±60V以内,脉冲宽度从0.5us~500us不等，占空比为10%或20%。此外，由于器件为三端口类型,因此,至少需2台Р源表,或者2通道CP子卡。

图26：P系列脉冲源表

脉冲输出特性曲线测试

        由于GaN器件材料以及生产工艺限制,存在电流崩塌效应。因此,器件在脉冲条件下工作时会存在功率下降,无法达到理想的大功率工作状态。脉冲输出特性测试方法为，在器件的栅极和漏极同步施加周期性脉冲电压信号,栅极和漏极的电压会同步在静态工作点和有效工作点之间进行交替变化。在Vcs和Vos为有效电压时,对器件电流进行监测.研究证明,不同的静态工作电压以及脉宽长度对电流崩塌有不同影响。

基于普赛斯CP系列恒压脉冲源的脉冲S参数测试系统

        整套测试系统基于普赛斯CP系列恒压脉冲源,配合网络分析仪、探针台、Bias-tee夹具,以及专用测试软件。在直流小信号S参数测试的基础上,可实现GaN HEMT 、GaAs射频器件脉冲S参数测试。

总结

        武汉普赛斯一直专注于功率器件、射频器件以及第三代半导体领域电性能测试仪表与系统开发,基于核心算法和系统集成等技术平台优势,率先自主研发了高精度数字源表、脉冲式源表、脉冲大电流源、高速数据采集卡、脉冲恒压源等仪表产品以及整套测试系统。产品广泛应用在功率半导体材料与器件、射频器件、宽禁带半导体的分析测试领域。可根据用户的需求,提供高性能、高效率、高性价比的电性能测试综合解决方案。

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