[发明专利]超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子检测技术领域，特别涉及超快高电子迁移率晶体管(HEMT)(本发明中简称“超快三极管HEMT”)工作频率的测量系统及测量方法。

背景技术

半导体三极管是构成微波、毫米波振荡器的基本单元，同时也是现代集成电路中最重要的组成部分。随着化合物半导体三极管的工作频率在不断增加，超快的三极管的工作频率已经超过了100GHz，如何测量高频状态下半导体三极管的工作频率和相应的特性参数已成为越来越难以解决的问题。

在低频情况下，测特性参数通常的方法是，通过网络分析仪和脉冲电压-电流测试仪等仪器对器件的S参数和伏安(I-V)特性以及工作频率进行测量，获取表征器件特性的测量数据。J.W.Bandler等人在《IEEE Transactions on Microwave Theory andTechnology》Vol.45，761-768(1997)(1971年《微波理论与技术》第45卷，761-768页)上发表的论文中，对基于GaAs的三极管的非线性特性进行脉冲测试，主要是测试三个非线性电流I(DS)(漏极-源极电流)、I(DG)(漏极-栅极电流)、I(GS)(栅极-源极电流)。

一般而言，在直流条件下测量的I-V曲线并不能正确反映工作在微波频率下的器件的非线性特性，所以人们总是在脉冲条件下测量三极管的I-V曲线。在脉冲条件下，器件仅在短周期时间上由脉冲导通，绝大多数时间上处于偏置截止状态，所以器件不会发热，从而限制了器件的自热效应和电子陷阱效应，使得测试的精度提高。但传统的脉冲测试方法对频率超过100GHz的HEMT器件的特性参数的测量并不准确，这直接制约了对三极管器件的产品质量的监测和性能分析，从而阻止了工作频率更高HEMT的设计和改进。Y.Yamashita等人在《IEEEElectron Device Letters》Vol.23，573-579(2002)(2002年电子设备快报，第23卷，573-579页)中提到目前的HEMT器件截止频率已达500GHz以上。

网络分析法是一种间接的推算HEMT器件的特定参数和工作频率的方法。美国密歇根大学电子工程系在其网站http://www.eecs.umich.edu/dp-group/HEMT/mtts98/上刊登的一篇测量HEMT器件的文章。文章里说，网络分析法一般用于W波段，它主要应用于获得输出功率的稳定值，功率增益以及功率饱和特性等参数。以InP基HEMT器件为例，它能探测的范围从77GHz到102GHz。但当HEMT的工作频率达到亚太赫兹波段的时候，使用网络分析法就无法直接测量了。且网络分析系统的设备价格非常的高昂，以安捷轮(Agilent)N5250A系统为例，其售价达到了惊人的100万美元。

要精确测量高频的超快三极管HEMT的工作频率并不是容易的事情。目前而言，普通的测试高频HEMT器件工作频率的方法是采用外推的方法。这种方法需要从低频处获得测试数据进行外推来获得HEMT器件的最高截止工作频率。例如，当测试HEMT放大器时，器件的截止频率是通过测量一定低频范围内的增益值并外推计算出高频段的性能参数。这样的测试方法是假定器件工作频率和测试特性的关系在很大范围内线性变化和可预测，但由于没有有效的证据证实，这种方法推算出来的截止频率通常对不同材料制造的HEMT差异较大且重复性较差。

利用太赫兹方法测量HEMT器件的工作频率正成为一种潜在的新的探测高频HEMT器件工作频率和特性参数的方法。V.Ryzhii等人在IEEE Journal of Quantum Electronics Vol.35，928-935(1999)(1999年量子电子学杂志，第35卷，928-935页)中指出，HEMT的工作频率是由沟道内电子运动速度和沟道长度决定的，只要测出这两个参数的值就可实现对HEMT器件工作频率的测量。

从以上的分析可知，在当前超快三极管的工作频率已经达到亚太赫兹波段的时代，传统的网络分析方法正在失去作用，有必须去研发一种新型的测试系统，来实际测量此类三极管的工作频率。

发明内容

本发明的目的是克服现有测量设备和方法不能测量高频HEMT器件的工作频率的缺点，提供一种利用太赫兹波谱系统的超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统及测量方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统，包括：

飞秒激光器，用于产生脉冲激光；