精确高效地表征功率器件 - B1505A 功率器件分析仪/曲线追踪仪

B1505A 功率器件分析仪/曲线追踪仪能如何助您高效表征 3000 V / 20 A 功率器件？

引言

提高能效和降低碳排放量是半导体行业目前面临的两大要求，因此对功率器件进行精确表征变得越来越重要。工程师们在不断改进半导体器件结构和制造工艺的同时，为了支持更高的电压并实现更低的导通电阻，还围绕碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和氧化镓（Ga2O3）等新型宽带隙（WBG）半导体材料展开了大量研究。为此，他们需要一种能够同时处理高电压和大电流的测量仪器。

过去，工程师们通常使用曲线追踪仪来表征功率器件，但是这种仪器的电压和电流测量精度比较低，在进行小电流测量时分辨率也无法令人满意。像 Keysight B1500A 这样的参数分析仪虽然具有非常好的电压和电流测量精度，但其电压和电流量程却不适合用于评测功率器件。为了解决这些问题，是德科技推出了 B1505A 功率器件分析仪/曲线追踪仪。它具有出色的电压和电流测量精度以及小电流测量分辨率，支持高电压和大电流测量，是一款简单易用的综合解决方案。

B1505A 配有新型 HVSMU（高电压源表模块）和 HCSMU（大电流源表模块），两者可分别输出最高 3000 V 电压和最高 20 A 电流。B1505A 还支持 MFCMU（多频率电容测量单元），可以在 1 kHz 至 5 MHz 频率范围内进行电容测量。此外，B1505A 还支持偏置 T 型接头，该接头与 HVSMU 配合使用，可以在最高 3000 V 的直流偏置下进行电容测量。

B1500A 和 B1505A 均自带 Keysight EasyEXPERT 软件，使您能够通过图形用户界面（GUI）便捷地控制所有这些测量资源。EasyEXPERT 具有十分出色的自动分析、图形显示和数据处理能力，是这个功率器件表征和分析综合解决方案的重要组成部分。使用 EasyEXPERT，您再也无需自行开发控制软件，也无需在定制的机架和堆叠系统中配备多台仪器。本应用指南介绍了 B1505A 的主要优点，并举例说明了几项实际的测量。本文还介绍了如何表征功率 MOSFET、双极晶体管以及特殊材质的先进器件。

B1505A 的主要优点

B1505A 的功能非常丰富，其优势主要体现在以下几个方面：

• 综合解决方案能够满足多种功率器件表征需求
• 自动测量显著提高效率
• 轻松实现数据提取和分析（数字和图形方式）

综合解决方案能够满足多种功率器件表征需求

为提高电气和电子设备的能效，功率器件（例如功率二极管和晶体管）主要注重三个关键领域：提高高压耐受性，降低导通电阻和减少寄生电容。这些特性的重要性体现在它们可以提高电路开关切换速度，而这是功率电路设计中用于降低功耗和提高能效的关键技术之一。然而，从功率器件开发的角度来看，这些特性有些相互矛盾。这通常意味着，为目标应用设计器件需要进行大量试验，反复查找错误和修改设计。以下测量功能能够帮助您准确、有效地评测功率器件：

• 精确的高电压源表功能可表征器件击穿电压
• 精确的大电流源表功能可测量小导通电阻
• 精确的电容-电压（CV）测量功能，直流偏置可达到器件的最大额定电压

击穿电压测量要求测量设备输出的电压至少能够达到器件的击穿电压。大功率硅 MOSFET 的击穿电压可能超过 1500 V，而 SiC 和 Ga2O3 等新材料的击穿电压甚至可能超过 2000 V。这意味着测量设备必须能够输出 2000 V 以上的电压。另外，在测量击穿电压期间，由于需要知道详细的电流-电压（IV）特性来确定缺陷密度等重要参数，因此需要精确地监测泄漏电流。传统的曲线追踪仪可以提供高电压，但是在交流或整流交流模式下，它们的电流测量精度只有几十微安（µA），在泄漏模式下仅为纳安（nA）级别。对于需要进行皮安（pA）级泄漏电流测量的新材料（如 SiC、GaN 和 Ga2O3 等）而言，这样的精度是无法满足要求的。B1505A HVSMU 不仅能够进行亚 pA 级精度的电流测量，还能提供高达 3000 V 的电压，因此可以轻松满足上述需求。

当您评测大电流下功率器件的导通特性，窄脉冲宽度和精确测量能力非常关键。当大电流流过功率器件时，会产生大量热量，引起热漂移。以功率 MOSFET 为例，较大的漏极电流会导致通道自发热，结果使得载流子迁移率下降，晶体管特性发生变化。脉冲偏置测量可以通过缩短功率耗散的持续时间并抑制自发热来最大限度减少这种影响。传统的曲线追踪仪能以 50 µV 的分辨率测量低至毫伏（mV）的电压，但是要求导通电阻较低（毫欧范围）的器件使用超过 1 A 的电流。HCSMU 支持 200 mV 的电压量程，比 HPSMU 的最小电压量程（2 V）要精确一个量级。这样就使得 HCSMU 能够测量低至微伏范围（~100 µV）的电压，从而实现精确的毫欧级导通电阻测量。

HCSMU 在脉冲模式下还能够以 20 V 电压输出高达 20 A 的电流，最小脉冲宽度为 50 µs（业界首创）。这种脉冲能力相比 4142B 的 HCU（大电流单元）而言有显著提升，后者的最小脉冲宽度为 100 µs。综上所述，B1505A 能够在脉冲模式下输出高达 20 A 的电流（从而避免自热效应），实现稳定、精确的亚毫欧级导通电阻测量，这些能力可以满足当前和未来半导体器件的低导通电阻测量要求。图 1 为对电线执行低电阻测量的示例。HCSMU 以 1 mA 步进从 -50 mA到 +50 mA 扫描输出电流，并且精确测量几百微伏的电压。通过回归分析可以得到一条斜率为4.189614E–003（相当于电阻为 4.19 mΩ）的线。电容电压（CV）测量通常用于测量晶体管的寄生电容，目的是进行器件建模或提取模型参数，并推导出其他重要的半导体器件参数，例如氧化物厚度、掺杂浓度、界面态密度和缺陷密度。过去使用 ±40 V 或 ±100 V 的直流偏置电压范围便足以表征 Si VLSI 和小功率器件。但是功率器件要求使用相当于其最大额定电压值的直流偏压来进行 CV 测量，以便使寄生电容与开关切换性能产生关联。B1505A 支持外部高压偏置 T 型接头，该接头可使 HVSMU 和 MFCMU（多频电容测量单元）一起工作，在 10 kHz 至 1 MHz 的频率范围和 ±3000 V 直流偏置下进行CV 测量。B1505A 综合解决方案为全面表征先进大功率器件提供了各种必需的 IV 和 CV 测量。

自动测量显著提高效率

B1505A 具有多项自动测试功能，可以极大提高测量效率。B1505A 支持模块选择器单元，这款独特的硬件允许用户在 HPSMU、HVSMU 和 HCSMU 模块之间轻松进行自动切换，无需改变电缆连接。EasyEXPERT 软件还支持快速测试模式，无需任何编程便可进行测试排序和自动测试。功率 MOSFET 是最常需要表征的功率器件之一。重要的器件参数包括击穿电压、导通电阻和亚阈值的泄漏电流，分别需要使用 HVSMU、HCSMU 和 HPSMU 来表征。可是，由于每项测试都需要不同的测量模块，因此在每次更改测试时，都必须重新配置 SMU 或将其重新连接到被测器件（DUT）上。由于需要频繁更改器件的连接，导致效率有很大下降；如果连接不正确，还会造成器件损坏。特别要注意的是，在使用晶圆探头时，频繁更改器件连接会非常麻烦。考虑到这些原因，工程师们迫切需要通过某些方法实现在 HVSMU、HCSMU 和HPSMU 模块之间自动切换。

B1505A 模块选择器单元支持在 HPSMU、HVSMU 和 HCSMU 之间进行自动切换，如图 2 所示。您只需选择所需的 SMU 测量资源，模块选择器单元就能自动创建正确的切换设置。此外，您还可以在 HVSMU 上串联一个 100 kΩ 保护电阻，以防被测器件意外损坏。这样做将可以避免不正确的连接并提高整体工作效率。

凭借快速测试功能，您无需编程即可执行测试排序，只需简单地点击操作便可完成自动测试。快速测试模式与模块选择器单元相结合，为我们打造了一个没有人为错误、效率极大提高的自动化测试环境。这一点尤其适用于在半自动晶圆探头环境下执行测量，在此环境下，B1505A 和模块选择器单元可以轻松支持整个晶圆上的全自动晶圆探测。

轻松实现数据提取和分析（数字和图形方式）

EasyEXPERT 具有强大的图形分析功能，可以提高数据处理效率并简化大功率器件的参数提取。本部分将详细说明这些功能，并介绍如何使用这些功能来缩短开发时间。在进行数据处理和参数提取时，工程师经常使用电子表格软件程序（例如 Microsoft® Excel®），但它们不一定是评测功率器件的最佳工具。电子表格可以生成半对数和对数-对数格式的图形来显示指数关系（如二极管 IV 特性），但它们不支持数据搜索功能（如游标功能）。要找到特定的数据值全凭肉眼搜索，在进行数据分析时效率特别低。EasyEXPERT 具有图形游标功能，您可以使用旋钮或鼠标滚轮沿曲线移动以定位目标值。如图 3 所示，游标值在图形区域显示。如果开启插值功能，那么游标功能将返回指定目标值的插值。这使您可以非常高效地确定参数（例如二极管 IV 曲线上指定电流值处的阈值电压）。

传统的曲线追踪器不仅没有表征半导体所需的对数标度绘图功能，而且还不具备评测半导体器件所需的图形分析功能。例如，曲线追踪器可以绘制切线，但是它们要求用户手动调整切线的斜率。此功能的问题在于每个人对切线的调整都不一样，导致测量数据无法保持一致。相反，EasyEXPERT 内置切线绘制和回归线功能，可以避免观测者的人为偏差，返回可靠的测量结果。

图 3 显示了表示 Si pn 二极管特性的两条回归线。一条线表示热载流子复合产生（R-G）电流，另一条线表示扩散区域内的电流。理想因子（n）反映了 Si pn 结质量，通过用户函数根据线梯度计算得出；窗口的“参数”部分显示了两个理想因子（n1 和 n2）。您可以在自动分析设置页面上指定分析操作（例如绘制回归线），这样就可以在完成测量后立即得到分析结果。这些图形分析功能让您无需在完成测量后再使用 PC 执行数据处理和参数提取等繁琐的任务，因而大大提高了生产率和效率。

请下载此文档以了解更多信息。