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吉時(shí)利公司 超快速I(mǎi)V測量技術(shù)是過(guò)去十年里吉時(shí)利推出的最具變革性的方法和儀器，吉時(shí)利一直以其高精度高品質(zhì)的SMU即原測試單元而著(zhù)稱(chēng)，吉時(shí)利的原測試單元在過(guò)去的三十年里一直被當做直流伏安測試的標準，一些著(zhù)名的產(chǎn)品例如236、237、240、2600、4200都被廣泛應用于半導體、光電、光伏、納米材料等行業(yè)，如2010年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者所研究的石墨硒就是使用吉時(shí)利的原測試單元進(jìn)行量測的。 隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家和工程師發(fā)現越來(lái)越多的器件具有瞬態(tài)效應，例如功率的瞬態(tài)效應會(huì )在1微秒內完成，這些瞬態(tài)效應往往瞬態(tài)即逝，難以捕捉。為了研究這些效應就需要SMU具有更快的測量速度，但是由于SMU在設計上的一些局限性，使得SMU無(wú)法提供非�？焖俚牧繙y，于是基于超快速I(mǎi)V量測技術(shù)的PMU就應運而生。這里將介紹測試單元PUM和超快速I(mǎi)V量測技術(shù)給半導體器件特性分析帶來(lái)的革命性的變化。 
圖1 量測技術(shù)時(shí)間精度對比 使用超快速I(mǎi)V量測的目的 SMU即原測試單元由四個(gè)部分組成：電壓源、電流源、電壓表和電流表，SMU可以輸出電壓測量電流，也可以輸出電流測量電壓。需要強調的是，SMU內部集成的四個(gè)儀表都是直流的高精度儀表，吉時(shí)利最高精度的SMU可以分辨0.01fA的電流和1µV的電壓。為了得到如此高的測量精度，SMU使用的AV轉換是積分模式的，如果您使用過(guò)SMU，您一定知道SMU是需要積分概念的，積分時(shí)間的單位是PLC，一個(gè)PLC等于20個(gè)毫秒，要得到準確的測量結果，就需要在至少一個(gè)PLC內做積分，這樣看來(lái)SMU是一個(gè)測得準但測得很慢的儀器。 另外一種使用AD轉換模式的儀器是數字示波器。數字示波器使用的AD轉換是差分模式，這種模式可以提供非常高的測量速度，但相對于SMU，示波器的測量精度就慘不忍睹，事實(shí)上多數示波器只能測量電壓，而電壓的測量能準確到一個(gè)毫伏就很好了。如果用示波器來(lái)測量電流通常有兩種方式，一個(gè)是使用電流探頭，另外一個(gè)是測量已知組織電阻兩端的電壓，這兩種方法都不能得到準確的電流測量，而且連線(xiàn)也特別復雜。示波器在設計之初就沒(méi)有為精確的IV量測提供服務(wù)。 從另外一個(gè)角度來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題，精度和速度就像魚(yú)和熊掌永遠不可兼得，精度需要犧牲速度來(lái)?yè)Q取，反之亦然。另外，如果使用示波器來(lái)測量前面提到的器件的瞬態(tài)效應還有另外一個(gè)問(wèn)題，示波器沒(méi)有內部的信號機理，脈沖發(fā)生器就是用來(lái)提供高速率的信號機理的，但是脈沖發(fā)生器只能提供信號機理，而不能進(jìn)行信號的測試，只有把脈沖發(fā)生器和示波器做在一個(gè)測試系統內，才能實(shí)現SMU能實(shí)現的量測。
圖2 4225-PM超快速測量模塊 事實(shí)上吉時(shí)利有很多客戶(hù)在很久前就向我們提出了準確表征器件瞬態(tài)效應的要求，如同幻燈片所示，這些要求曾經(jīng)是讓客戶(hù)抓狂的事情，SMU可以給他們提供足夠的精度和方便的測試設定，但卻無(wú)法提供足夠的速度。正如之前提到的，SMU的量測都是在1毫秒以后完成的，而這里所列的事情在1毫秒以?xún)仍缫淹瓿�，也曾�?jīng)有一些動(dòng)手能力很強的客戶(hù)，他們試著(zhù)用脈沖發(fā)生器和示波器搭建超快速I(mǎi)V量測系統，但這樣的系統往往連線(xiàn)非常復雜，而且往往得不到準確和可重復的數據。如果無(wú)法在實(shí)驗室里得到可重復的數據，又如何發(fā)表研究成果呢？ 再深入看幾個(gè)實(shí)際的例子。這里所示的是一種SOI器件，我們知道MOS襯底是硅，SOI的襯底則是硅的氧化物。之所以用硅的氧化物作為襯底就是為了降低功耗，因為氧化硅的絕緣性比硅要好很多，從襯底流走的電流都會(huì )被二氧化硅所阻擋，但是SOI器件有一個(gè)副作用，在氧化硅阻擋電流的同時(shí)也阻擋了熱量的散發(fā)。柵極通常都是二氧化硅，如果襯底也是二氧化硅的話(huà)，就好像在熱天下面墊毛毯上面蓋棉被，而SOI工藝通常被用在高功率器件上，這樣功率大產(chǎn)生的熱量就更多。從圖上可以看到，用SMU測得的電流會(huì )有一個(gè)明顯下降的趨勢，這是由于器件發(fā)熱造成的。而用超快速I(mǎi)V量測就可以得到器件沒(méi)有發(fā)熱時(shí)的本身特性，通過(guò)這個(gè)方法，我們就能夠準確評估器件發(fā)了多少熱量，以及發(fā)熱對器件的影響到底有多大。
圖3 4225-PMU連接電路圖 另外一個(gè)例子是HIKI材料。柵極電容大小決定了柵極對溝道的控制能力，隨著(zhù)器件越做越小，簡(jiǎn)單的把柵極氧化層做得更薄已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，這個(gè)時(shí)候就需要引入HIKI材料。所謂HIKI通常指在硅的氧化物里再摻加一些別的元素，以提高材料的界電常數。但世界上沒(méi)有免費的午餐，引入HIKI材料固然提高了柵極的控制力，卻使得原來(lái)成熟的材料變得缺陷多多，載流子在運行的時(shí)候，就會(huì )被這些缺陷捕獲，這效應被稱(chēng)為電荷陷阱效應�？椿脽粲疫叺膬蓮垐D，給器件打2V的脈沖，在上升沿和下降沿分別測試IDS曲線(xiàn)，上面的圖兩條曲線(xiàn)幾乎重合，而下面的圖卻區別明顯，這是因為脈沖寬度不同。下面圖的脈沖寬度是5微秒，而正是5微秒的等待使一些載流在被捕獲到柵極內，使得器件的特性發(fā)生了很大的變化。 接下來(lái)的例子是和場(chǎng)效應管的可靠性有關(guān)的。目前發(fā)現的場(chǎng)效應管的可靠性問(wèn)題主要有兩個(gè)，一個(gè)是熱載流子GHCI，另一個(gè)是負偏壓高溫不穩定性MBTI。熱載流子是比較傳統的可靠性測試項目，而MBTI同它相比有一些獨特的地方，對MBTI效應來(lái)說(shuō)，只要把施加在器件上的應力祛除，器件的衰退就會(huì )發(fā)生迅速的恢復，恢復速度非�？觳⑶液蜏囟扔嘘P(guān)，在常溫下可以實(shí)現100%的恢復，如果測試的速度太慢，就無(wú)法準確表征MBTI效應。 PMU工作原理和基本操作方式 PMU是Pulse Measure Unit的簡(jiǎn)稱(chēng)，即脈沖測試單元，這是吉時(shí)利儀器2011年才推出的產(chǎn)品。PMU由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是插在4200主機箱里的4225PMU插卡，每塊PMU插卡有兩個(gè)完全獨立的通道；另外一個(gè)是遠端的測試附件4225RPM。
圖4 PMU連線(xiàn)方式 PMU架構 一塊PMU由兩個(gè)獨立的通道組成，每個(gè)通道由一個(gè)50MHz的脈沖發(fā)生器，一組采樣率為200M的測試單元和電壓測試單元組成，可以理解為一個(gè)50MHz的脈沖發(fā)生器帶一個(gè)電壓示波器和一個(gè)電流示波器。PMU有非常廣闊的電壓和電流的測試和輸出范圍，每個(gè)PMU通道都可以連接一個(gè)4225RPM以提高其測試的準確度。由于脈沖發(fā)生器和示波器都是內置的，就不需要復雜的連線(xiàn)了，而且吉時(shí)利獨到的設計保證了PMU在高速測量下依然能夠得到準確的數據，可以說(shuō)在速度和經(jīng)典之間找到了一個(gè)完美的平衡。 PRM可以用來(lái)提高PMU測試的準確度，它還有另外一個(gè)功能，可以用來(lái)做DCIV、IV和超快速I(mǎi)V之間的切換，在RPM上有一個(gè)多色的LED燈，分別用紅色、藍色和綠色代表CV、DCIV以及超快速I(mǎi)V。由于超快速I(mǎi)V本質(zhì)上是一種高頻測試，所以將PMU連接到線(xiàn)上的時(shí)候就需要注意高頻信號的保護，需要特別注意。由于一個(gè)半導體器件經(jīng)常需要進(jìn)行DCIV、CV及超快速I(mǎi)V三種量測，而這三種量測所需的連線(xiàn)各有不同，這需要用戶(hù)在這三種連線(xiàn)間進(jìn)行切換。在推出PMU的時(shí)候，吉時(shí)利就注意到了這個(gè)問(wèn)題，如圖右面所示，在RPM輸入端黑色的電線(xiàn)是SMU，紅色的電線(xiàn)是CVU，白色的電線(xiàn)是PMU，在RPM的輸出端是特別的藍色的多功能Cable，能夠同時(shí)為這三種測試服務(wù)。
圖5 4225-PMU三種工作模式 通過(guò)這樣的設置，客戶(hù)可以在一個(gè)測試的設定下依次完成DVIC、CV及超快速I(mǎi)V的量測而不需要更換連線(xiàn)。從圖中可以看到，4200SMU可以測得非常準，如果給4200SMU1秒鐘的時(shí)間，它能準確的測量出0.1fA的電流，但是4200SMU最快的測量也需要10毫秒才能完成。再看PMU，如果給PMU10毫秒，它能準確的測量到pA級別的電流，同時(shí)PMU也能夠在納秒的級別進(jìn)行量測，也即是說(shuō)PMU在速度和精度之間找到了最好的平衡點(diǎn)。 PMU的關(guān)鍵參數。PMU最大的電壓和電流分別是40V和0.8A，電流和電壓的精度分別是0.5%+800pA和0.25%+10mV，采樣率是每5ns量測一個(gè)點(diǎn)，PMU內部脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生50MHz的激勵信號，最小的脈沖寬度是20ns。 PMU工作模式 PMU有三種基本的工作模式，分別是脈沖IV、瞬態(tài)IV和脈沖信號輸出。脈沖IV指的是用PMU模仿SMU的工作模式，即DC like的測試，PMU可以和SMU一樣進(jìn)行電壓掃描，多個(gè)PMU也可以進(jìn)行組合掃描，當然和SMU不同的是PMU輸出的激勵信號不是直流的電壓偏置，而是一系列的脈沖信號；之前提到的脈沖掃描是脈沖的幅值和基準電壓的掃描。另外一種有趣的模式是瞬態(tài)IV，我們更愿意稱(chēng)之為波形抓取功能，有人會(huì )以為是一個(gè)示波器，它是像示波器一樣工作，不同的是PMU有一個(gè)內部的脈沖發(fā)生器給器件提供激勵。另外PMU不僅能夠測量電壓波形，也能夠直接測量電流波形，因為PMU內置的是一個(gè)電流示波器加一個(gè)電壓示波器。最后，PMU不需要測量的時(shí)候可以輸出更加復雜的波形，例如三角波、鋸齒波、正玄波、白噪聲波等，PMU也可以當成一個(gè)任意波形發(fā)生器來(lái)使用。 看一個(gè)波形抓取時(shí)機的例子，用一個(gè)PMU測試一個(gè)場(chǎng)效應管，PMU的通道1連接到場(chǎng)效應管的gate，通道2連接到場(chǎng)效應管的dran，通道1和通道2同時(shí)向場(chǎng)效應管打出一個(gè)脈沖信號，當VG和VD的脈沖到達場(chǎng)效應管后，就會(huì )激勵出ID和IG的脈沖。我們用兩個(gè)通道的電壓和電流示波器來(lái)抓取這四個(gè)脈沖信號，IG的脈沖波形有一個(gè)明顯的凸起，可以猜測一下這是由于什么原因造成的。我們知道在一個(gè)電容器的兩端發(fā)生電壓變化時(shí)就會(huì )產(chǎn)生充電或放電的電流，電流等于電容乘以Dl/Dt。注意圖中的波形，上升沿和下降沿的時(shí)間分別是100納秒，而D-outside可以看出一個(gè)電容，就形成了看到的IG脈沖波形，對于dran端，DX電容比D-outside小很多，但還是能夠看到一個(gè)小小的凸起。 波形抓取可以說(shuō)是脈沖IV的基礎，所謂脈沖IV就是根據需求打一系列波形到待測器件上，然后測試激勵出來(lái)的電流波形，測試的核心思想是在一個(gè)預先設定的測量窗口內，將測到的所有電流點(diǎn)取平均。舉一個(gè)例子，如果脈沖寬度是100納秒，測量窗口預設為75%到90%，則測量就會(huì )在75納秒到90納秒內完成。之前提到測量的間隔是5納秒，那么在75納秒到90納秒之間有5個(gè)點(diǎn)，這5個(gè)點(diǎn)的電流取平均就是我們要測試的目標電流，而客戶(hù)需要定義的是這一系列脈沖信號的參數，比如脈沖寬度、上升沿下降沿的時(shí)間、脈沖的幅值和基準電壓等。 最后看一下作為脈沖發(fā)生器PMU可以做什么。首先PMU可以輸出一個(gè)標準的脈沖信號，其次PMU可以用一種second mode方式產(chǎn)生多階脈沖信號，最后PMU可以產(chǎn)生任意波形，可以在前兩種信號形式下進(jìn)行任意量測。 問(wèn)答選編 問(wèn)：此測試技術(shù)的誤差一般會(huì )有多大？ 答：誤差和測量的速度有關(guān)，假設你希望測量在100ns內完成，精度為50uA，如果測量在1ms內完成，則精度可以到pA量級。 問(wèn)：能介紹一下這里所說(shuō)的變革與之前的主要差異在哪里嗎？ 答：以前的測試是用直流的SMU中的儀表進(jìn)行量程的，而PMU則是用內置的示波器和脈沖發(fā)生器完成的。 問(wèn)：超快速I(mǎi)V測試的超快速反映在哪些指標上？ 答：最快的脈沖是20ns，采樣率是200MS/S也就是5ns一個(gè)測試點(diǎn)。 問(wèn)：超快速I(mǎi)V測試的輸出結果有幾種形式? 能和PC相連嗎? 答：PMU是吉時(shí)利4200-SCS的一塊插卡，你必須有一臺4200-SCS才能進(jìn)行超快速I(mǎi)V量測。 問(wèn)：納米管的IV特性如何進(jìn)行測量?需要什么樣的儀器? 答：您需要一臺4200半導體測試儀，用4200內部的SMU進(jìn)行直流IV的測試，用4200內部的CVU進(jìn)行CV的量測，內部的PMU進(jìn)行超快速I(mǎi)V量測。 問(wèn)：采用超快速I(mǎi)V測試會(huì )有什么優(yōu)勢? 答：采用超快速I(mǎi)V測試會(huì )解決在超快速測量下保持相當好的精度，在很多瞬態(tài)測試中有著(zhù)尖端需求。 問(wèn)：DDR3的測試還需要配置哪些附屬設備? 答：DDR3的測試通常不需要使用PMU這樣的儀器，您只需要一個(gè)脈沖發(fā)生器對DDR3進(jìn)行擦寫(xiě)，然后用SMU進(jìn)行量測。 問(wèn)：有車(chē)載產(chǎn)品的信號調理的實(shí)例嗎？ 答：為進(jìn)一步了解您的測試需求，我們需要了解您提到的車(chē)載產(chǎn)品的應用需求。PMU是針對半導體特性分析領(lǐng)域的產(chǎn)品，您可以進(jìn)一步關(guān)注keithley精密電子市場(chǎng)相關(guān)的測試儀表。 問(wèn)：超快速I(mǎi)V測試需要考慮器件的熱效應或熱阻的影響嗎? 答：我們可以提供100ns內的IV量測，如果您的器件的自熱在100ns后才會(huì )發(fā)生，那么就能得到一組沒(méi)有自熱效應的曲線(xiàn)。 問(wèn)：常規的IV特性測試和頻響測試有何異同點(diǎn)？ 答：常規的IV特性是直流下的特性，也就是說(shuō)SMU施加的應力會(huì )一直加載在器件上，而SMU完成量測通常要幾個(gè)毫秒，這種應力的施加會(huì )使得器件發(fā)生一些反應，而超快速I(mǎi)V量測則可以在ns級別完成測試。 問(wèn)：Model4225-PMU模塊的探頭有幾種類(lèi)性? 有探針的嗎? 答：我們針對Cascade和Suss的探針臺有兩款專(zhuān)門(mén)的探針組，分別是4210-MMPC-C和4210-MMPC-S。對于別的探針臺我們提供一組特別的Y-Cable，實(shí)現近段接地。 問(wèn)：Model4225-PMU電壓和電流地測量精度有多高? 重復性如何? 答：根據不同的測量速度有不同的精度，100ns脈沖下完成的測試，精度為50uA，而1ms下的脈沖精度則可以提高到800pA 問(wèn)：吉時(shí)利儀器超快速I(mǎi)V測試技術(shù)是否具有獨特創(chuàng )新優(yōu)勢？ 答：PMU是第一個(gè)能實(shí)現在ns級別下進(jìn)行準確IV量測的儀器，PMU將電流示波器、電壓示波器以及一個(gè)脈沖發(fā)生器整合在一個(gè)儀表內，這樣的設計在過(guò)去是沒(méi)有的。 問(wèn)：目前照明用LED的結溫測試多用恒流脈沖測試其正向壓降得出，請介紹一下超快速I(mǎi)V測試技術(shù)在這方面的應用。 答：LED的結溫測試是keithley的典型應用之一，PMU產(chǎn)生的是電壓脈沖，你可以關(guān)注keithley 2600系列源表，還有2651A的產(chǎn)品在LED節溫測試的應用。 問(wèn)：超快速I(mǎi)V特性具體內涵是什么? 對器件特性的了解有何好處? 答：如果您想測試的器件有瞬態(tài)效應，例如自發(fā)熱效應、電荷捕獲效應等，就會(huì )需要超快速I(mǎi)V量測了。 問(wèn)：如何避免地線(xiàn)所形成的回路電流對測量的影響? 答：要解決接地點(diǎn)問(wèn)題，多點(diǎn)共地，消除接地點(diǎn)的電位差，可以避免地線(xiàn)形成回路電流。 問(wèn)：Model4225-PMU Ultra-Fast IV模塊和哪那些測試設備一起使用? 答：任何半導體器件，都可能需要直流IV、超快速I(mǎi)V以及CV，4200-SCS半導體參數測試儀就可以完成這三種測試。 問(wèn)：DDR3測試主要包括哪些內容?Model4225-PMU Ultra-Fast IV模塊能完成嗎? 答：DDR3并不是PMU的目標應用，通常DDR值需要脈沖發(fā)生器和SMU就可以測試了。 問(wèn)：4200-SCS自身電源對信號采集有干擾嗎？ 答：4200的電源是來(lái)自于建筑物的電網(wǎng)，如果電網(wǎng)的接地有問(wèn)題，就有可能會(huì )對測試產(chǎn)生影響。 問(wèn)：超快速I(mǎi)V特性能捕捉瞬態(tài)波形并存儲么？ 答：可以，這是PMU的一種工作模式，也就是波形抓取。 在線(xiàn)座談（Online Seminar）是中電網(wǎng)于2000年推出的創(chuàng )新服務(wù)，通過(guò)“視頻演示＋專(zhuān)家解說(shuō)＋在線(xiàn)問(wèn)答”三位一體相結合的形式，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò )平臺的便捷性，實(shí)現了先進(jìn)半導體技術(shù)提供商與系統設計工程師的實(shí)時(shí)互動(dòng)交流，其形式和內容都廣受電子行業(yè)工程師的好評。本刊每期將挑選一些精華內容整理成文，以饗讀者。欲了解更多、更詳細的內容，敬請登錄http://seminar.eccn.com。 |
