专利名称：一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体芯片直流性能的测试方法领域，具体为一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统。
背景技术：
GaN及SiC等半导体材料因其具有禁带宽、高热导率、高载流子饱和漂移速度等优良特性，决定了将它们大量应用在宽禁带半导体器件制作之中。基于GaN及SiC等半宽禁带导体材料可制作芯片，芯片经过宽禁带半导体芯片封装后称为器件。芯片在封装之前需要对其直流性能进行测量，保证芯片合格。宽禁带半导体芯片直流性能由以下参数表征饱和电流、跨导、夹断电压、击穿电压等，测量芯片直流性能即对上述参数完成测量。 GaN及SiC材料制作的芯片具有工作电压高、工作电流大的特点，其工作电压一般为28-48V，比GaAs高得多，工作电流由其输出功率决定，一般为1A-10A。我们把饱和电流小于2A的GaN及SiC芯片称为小栅宽芯片，饱和电流大于2A的GaN及SiC芯片称为大栅宽芯片。如上所述，大栅宽GaAs芯片为低压、大电流芯片，大栅宽GaN及SiC芯片称为高压、大电流芯片。对于小栅宽芯片，测量其直流参数采用一般的图示仪即可实现。但对于大栅宽芯片，普通图示仪会出现很多问题。尤其在测量饱和电流、跨导、夹断电压时，由于器件承受的功率为直流功率，测试电压及测试电流较大，直流功率高达几十瓦，热耗散很大，容易热烧毁。当测量芯片饱和电流时，由于芯片处于开态工作状态，电流较大，易出现自激现象，容易造成芯片烧毁。目前宽禁带半导体大栅宽芯片高压大电流直流性能测试是宽禁带半导体芯片制作的难点之一。虽然目前已有公司推出了专门用于测量大电流的图示仪，但其制造成本高达15-130万元，较为昂贵。且可靠性较低，体积大、重量大。此种图示仪可采用脉冲工作方式，但普遍存在测试效率低、脉冲条件不能连续可调的缺点。无法满足大规模生产的需要。为了降低成本，常用的一种测试方法为用小栅宽宽禁带半导体芯片直流性能推导大栅宽宽禁带半导体芯片直流性能，但此种方法不能真实反映芯片直流性能，同样无法满足大规模生产的需要。
发明内容
针对宽禁带半导体芯片直流性能测试中存在的问题，本发明提供了一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，该系统以低成本实现了宽禁带半导体芯片直流性能测试，且提高了直流性能测试的灵活性和准确度，同时为宽禁带半导体芯片特性的表征积累了宝贵数据，为宽禁带半导体器件性能的提高和成本的降低提供了基础。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，包括用于提供直流电源的栅极电源和漏极电源、栅极电流表和漏极电流表、测试信号发生器、测试信号调制器以及用于放置目标测试芯片的、带有栅极输入端和漏极输入端的探针台；所述栅极电源的输出端经由栅极电流表与探针台的栅极输入端相连接，所述漏极电源依次经由漏极电流表、测试信号调制器后与探针台的漏极输入端相连接；所述测试信号发生器的输出端与测试信号调制器的触发端相连接。在所述栅极电流表和探针台的栅极输入端之间还设有测试信号调制器；所述测试信号发生器的输出端与测试信号调制器的触发端相连接。还包括测试信号监测器，所述测试信号监视器的输入端与测试信号调制器的输出端相连接。所述测试信号监测器为示波器。还包括滤波模块，所述滤波模块设于栅极电流与探针台之间或/和测试信号调制器与探针台之间。所述栅极电源和漏极电源均为直流稳压电源。
所述栅极电流表和漏极电流表均为台式万用表。本发明利用现有的成熟的仪器仪表搭建了一套测试系统，成功实现了宽禁带半导体芯片的直流性能测试；所用仪器仪表成本很低，且占用体积小、消耗功率小，更具有易拆卸的优点；所用仪器仪表在目前在器件测试中经常使用，成熟性高，可靠性高，设备维护成本很低；上述系统采用电压步进方式成功解决了宽禁带半导体芯片测试中遇到的高电压、大电流导致测试器件容易烧毁的问题，同时也可降低宽禁带半导体芯片的制作成本，大大提高了宽禁带半导体芯片的测试效率，为宽禁带半导体芯片特性的表征积累了宝贵数据，为宽禁带半导体器件性能的提高提供了可靠保障。
图I为本发明的组成结构 图2为本发明实施例I的组成结构 图3为本发明实施例2的组成结构图。
具体实施例方式实施例I
由图I和图2所示可知，
一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，包括用于提供直流电源的栅极电源和漏极电源、栅极电流表和漏极电流表、测试信号发生器、测试信号调制器以及用于放置目标测试芯片的、带有栅极输入端和漏极输入端的探针台；所述栅极电源的输出端经由栅极电流表与探针台的栅极输入端相连接，所述漏极电源依次经由漏极电流表、测试信号调制器后与探针台的漏极输入端相连接；所述测试信号发生器的输出端与测试信号调制器的触发端相连接；该测试系统还包括测试信号监测器，所述测试信号监视器的输入端与测试信号调制器的输出端相连接。所述测试信号监测器为示波器。必要时，该测试系统还可以包括滤波模块，所述滤波模块设于栅极电流与探针台之间或测试信号调制器与探针台之间，也可以在栅极电流与探针台之间和测试信号调制器与探针台之间分别设有滤波模块。所述栅极电源和漏极电源均为直流稳压电源；所述栅极电流表和漏极电流表均为台式万用表。在图I的基础上，选用脉冲信号作为测试信号，即为本实施例。利用本实施例进行的具体的性能测试操作步骤为
1)准备直流稳压电源2台，作为用于提供直流电源的栅极电源和漏极电源；脉冲信号发生器和脉冲信号调制器各I台作为测试信号发生器和测试信号调制器；示波器I台，作为测试信号监测器；台式万用表2台作 为栅极电流表和漏极电流表；
2)准备各种连接线，必要时需要制作滤波模块；
3)使用各种连接线将上述第I)步中的各种设备连接起来，使用电缆将脉冲信号发生器的输出端与脉冲信号调制器的触发端相连接，使脉冲信号发生器触发脉冲信号调制器，并将示波器的输入端与脉冲信号调制器的输出端相连接，利用示波器监测脉冲信号调制器的输出波形，亦即要加载在目标测试芯片上的信号波形；使用连接线将作为栅极电源和漏极电源的直流稳压电源分别与作为栅极电流表和漏极电流表的台式万用表相应连接；再将漏极电流表的输出端通过连接线与脉冲信号调制器的输入端相连接；
4)使用连接线将作为栅极电流表的台式万用表的输出端、脉冲信号调制器的输出端分别与探针台的栅极输入端和漏极输入端相应连接；必要时，可在台式万用表与探针台之间或脉冲信号调制器与探针台之间接入滤波模块，或者在台式万用表与探针台之间和脉冲信号调制器与探针台之间都接入滤波模块；
5)上述连接完成后，使探针台的探针与目标测试芯片的相应端相接触；把目标测试芯片放入探针台；然后，仪器、仪表通电；设定脉冲信号调制器处于外触发状态；
6)调整脉冲信号发生器输出参数达到规定值，增大稳压电源电压至规定值，读取台式万用表即可测量目标测试芯片的饱和电流、跨导、夹断电压等参数。上述步骤中，各仪器作用如下所述
所述栅极电源通过连接与栅极电流表的输入端相连，栅极电流表的输出端通过连接线与探针台的栅极输入端相连。栅极电源可提供连续的电压输出，电压步进精度可达到
O.001V，普通图示仪栅极电压步进仅为O. IV，因此本系统测量电压的步进精度远大于现有图示仪，且采用独立的栅极电源可以从精度上更好的控制测量信号，从而相应提高测量精度。当漏极电压一定时，通过改变栅极电压来测量待测芯片的跨导、夹断电压等参数。高精度的电压步进可保证测量跨导、夹断电压的准确性。所述漏极电源通过连接线与漏极电流表输入端相连，漏极电流表的输出端通过连接线与脉冲信号调制器的输入端相连，脉冲信号调制器的输出端与探针台的漏极输入端相连。漏极电源也提供直流电压，并通过漏极电流表进入脉冲信号调制器的输入端，经过调制器调制后的直流电压变成测试用的脉冲电压，将连续的直流电压测试变成脉冲电压测试。所述脉冲信号发生器与脉冲信号调制器触发输入端相连，脉冲信号发生器可对脉冲信号调制器产生的脉冲电压的脉宽、占空比等参数精确控制。当脉宽较小、占空比较小时，测量过程产生的漏极脉冲电压较小，因此等效的直流电压也较小，进而产生的漏极电流也就随之减小。由于漏极电压与漏极电流的乘积即为测试芯片的直流功耗，漏极电流、漏极电压越小，待测芯片的功耗越小，待测芯片越不易自激，越不容易烧毁。因此，脉冲信号调制器的存在降低了待测芯片的直流功耗，提高了测试的可靠性。所述滤波模块可连接在栅极电流表与探针台之间，或者脉冲信号调制器与探针台之间，这样可以避免芯片自激，提高了芯片测试可靠性。示波器与脉冲信号调制器的输出端相连，可监测脉冲信号调制器输出的脉冲电压的波形、脉宽、占空比等参数，保证漏极脉冲输出准确性。实施例2
由图3所示可知，与实施例I不同的是，在所述栅极电流表和探针台的栅极输入端之间还设有测试信号调制器；所述测试信号发生器的输出端与测试信号调制器的触发端相连接；在测试信号调制器的输出端也设有监测信号的测试信号监视器。由于栅极电压通常很小，因此将其转换成脉冲电压的必要性不是很大。如果在测试时也需要将栅极电压转换成脉冲形式，那么可以在栅极电流表和探针台的栅极输入端之间设置脉冲信号调制器，以实现此功能。本发明已经成功应用于SiC MESFET 24mm栅宽芯片直流测试。
具体实施方式
如下 所述
芯片描述1)栅宽24mm ；2)测试条件-脉宽50 μ s’占空比5% ；3)测试参数饱和电流、跨导、夹断电压。具体操作步骤如下
O按照本发明的描述搭建所需的直流测试系统；
2)保证所有设备旋钮归零后再打开所有设备，并保证通电正常；
3)设定脉冲信号调制器的触发方式为外触发，设定脉冲信号发生器脉冲输出条件脉宽50 μ S，占空比5% ；
4)把待测芯片放在探针台上，使芯片的相应电极与探针台的输入端正确连接，开始待测芯片的直流参数测量；
5)饱和电流的测量设定栅极电源的输出电压为0V，逐步增大漏极电源的输出电压至测试电压10V，读取栅极电流表数值，此时即为栅极电流值，读取漏极电流表数值，此时即为饱和电流值；
6)夹断电压的测量保持漏极电源的输出电压为10V，逐步增大栅极电源的输出电压，直至漏极电流保持不变，读取栅极电源的输出电压，此时即为夹断电压；
7)跨导的测量保持漏极电源的输出电压为10V，减小栅极电源的输出电压直至上述第6)步中测量得到的夹断电压的数值的3/4，此时读取漏极电流Idsi，减小栅极电源的输出电压至夹断电压数值的3/4再减IV，此时，读取漏极电流Ids2，跨导即为Ghi=Idsi-Ids2 ；
8)减小漏极电源输出电压为0V，减小栅极电源输出电压为0V，关闭电源，测量结束。表I所示为利用本发明的直流测试系统和现有图示仪对的24_栅宽SiC芯片直流测试结果的比较。表I
I饱和电流(A) I跨导(mS) I夹断电压(V)
图示仪 ^.8400-12.0
本系统 |5. 7|3901-12. I
通过表I的数据可知，利用本发明的直流测试系统测试所得的结果与利用现有图示仪
的测试结果相差无几，这也说明本发明的直流测试系统的测试精度是完全可以保证的。但是，本发明的整个直流测试系统的成本很低，一台直流稳压电源约3000元，台式万用表约2000元，脉冲信号调制器5000元，脉冲信号发生器20000元，示波器3000元，搭建整个系统所用资金共计3. 8万元，远低于现有的图示仪的价格，而且本系统的仪器为最常用的仪器，无需另外购置，使用时灵活搭建，不用搭建系统是时还可以继续独立，大大降低了测试的成本，提高了测试的灵活性。本发明所用的仪器均为本领域最常见的设备，故设备型号不再明确给出。在实际应用过程中，根据实际需要选择合适型号的设备使用即可。
显然，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，其特征在于包括用于提供直流电源的栅极电源和漏极电源、栅极电流表和漏极电流表、测试信号发生器、测试信号调制器以及用于放置目标测试芯片的、带有栅极输入端和漏极输入端的探针台；所述栅极电源的输出端经由栅极电流表与探针台的栅极输入端相连接，所述漏极电源依次经由漏极电流表、测试信号调制器后与探针台的漏极输入端相连接；所述测试信号发生器的输出端与测试信号调制器的触发端相连接。
2.根据权利要求I所述的一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，其特征在于在所述栅极电流表和探针台的栅极输入端之间还设有测试信号调制器；所述测试信号发生器的输出端与测试信号调制器的触发端相连接。
3.根据权利要求I或2所述的一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，其特征在于还包括测试信号监测器，所述测试信号监视器的输入端与测试信号调制器的输出端相连接。
4.根据权利要求3所述的一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，其特征在于所述测试信号监测器为示波器。
5.根据权利要求I或2所述的一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，其特征在于还包括滤波模块，所述滤波模块设于栅极电流与探针台之间或/和测试信号调制器与探针台之间。
6.根据权利要求I所述的一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，其特征在于所述栅极电源和漏极电源均为直流稳压电源。
7.根据权利要求I所述的一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，其特征在于所述栅极电流表和漏极电流表均为台式万用表。
全文摘要
本发明公开了一种宽禁带半导体芯片直流性能测试系统，属于半导体芯片直流性能的测试方法领域。本发明包括用于提供直流电源的栅极电源和漏极电源、栅极电流表和漏极电流表、测试信号发生器、测试信号调制器以及用于放置目标测试芯片的探针台。本发明利用现有的成熟设备搭建了一个测试平台，用简单的方法实现了宽禁带半导体芯片的直流性能测试，该测试系统成本低，便于操作和维护，性能稳定，可靠性高，同时降低了宽禁带半导体芯片的制作成本，提高了宽禁带半导体芯片的测试效率，为宽禁带半导体芯片特性的表征积累了宝贵数据，为宽禁带半导体器件性能的提高提供了可靠保障。
文档编号G01R31/26GK102830337SQ201210312040
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者默江辉, 李静强, 马杰, 李亮, 崔玉兴, 付兴昌, 蔡树军, 杨克武 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所