CN110824322B - 量测高电子移动率晶体管之装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及了一种量测高电子移动率晶体管之装置及方法。所提出的装置包含控制器、保护电路、负载电路及电连接于所述负载电路与所述保护电路之间的切换电路。所述控制器经组态以在第一时间点提供具有第一值的第一控制讯号至所述半导体组件及在第二时间点提供具有第二值的第二控制讯号至所述切换电路。所述半导体组件藉由所述第一控制讯号的所述第一值开启，且所述切换电路藉由所述第二控制讯号的所述第二值开启。所述第二时间点晚于所述第一时间点。

Description

量测高电子移动率晶体管之装置及方法
技术领域
本揭露大体上涉及一种量测高电子移动率晶体管之装置及方法，具体而言涉及一种量测动态电阻之装置及方法。
背景技术
高电子移动率晶体管(High electron mobility transistor,HEMT)是场效应晶体管的一种，它使用两种或两种以上具有不同能隙的材料形成异质结，为载子提供通道。与金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)不同，金属氧化物半导体场效晶体管直接使用掺杂的半导体来形成导电通道。
高电子移动率晶体管可包含III-V族半导体。III-V族半导体拥有一些比硅(Si)还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率，使得以III-V族半导体制作的HEMT可以用在例如频率高于250GHz的环境中。如果III-V族半导体和Si组件同时都操作在高频时，III-V族半导体具有有较少的噪声。也因为III-V族半导体有较高的崩溃电压，所以III-V族半导体比同样的Si组件更适合操作在高功率的场合。也因为这些特性，III-V族半导体电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点联机、雷达系统等领域。
氮化镓(Gallium nitride,GaN)是氮和镓的化合物，是一种III族和V族的直接能隙的半导体。
以III-V族半导体制作HEMT的技术近年来不断发展。在技术发展过程中，研发人员可对III-V族HEMT进行结构、材料或制程上的改良。若能精准量测III-V族HEMT的性能参数，研发人员能准确得知其对III-V族HEMT结构或材料上的更改是否产生良好结果，加快其研发速度。反之，若无法精准量测III-V族HEMT的性能参数，研发人员将在反复的实验摸索中耗费大量时间精力。此时III-V族HEMT的品质量测便成为研发过程中一重要的课题。
性能参数的量测在III-V族HEMT的量产过程中亦相当重要。量产过程中需对每片晶圆上的HEMT进行抽样检测以确保性能。若无法精准量测III-V族HEMT的性能参数，将大幅降低生产效率。
现有的III-V族HEMT量测方式有许多缺陷，包括精准度差、需要复杂的导通电压补偿、量测时使用的二极管的反向恢复造成量测误差、以及测量速度慢等等问题。举例言之，电流塌陷现象导致GaN功率器件的动态导通电阻增加，而动态导通电阻是评估GaN器件整体性能的一个重要依据。直接测量动态导通电阻有两个难点:第一，关断时GaN功率器件的Vds电压高达几百伏，导通时的Vds电压只有毫伏或更低，直接测量导通电压降容易使示波器的通道饱和；第二，直接测量时精度比较差。
因此，提出一种可解决上述问题之量测装置及方法。
发明内容
提出一种量测高电子移动率晶体管之装置。所提出的装置包含控制器、保护电路、负载电路及电连接于所述负载电路与所述保护电路之间的切换电路。所述控制器经组态以在第一时间点提供具有第一值的第一控制讯号至所述半导体组件及在第二时间点提供具有第二值的第二控制讯号至所述切换电路。所述半导体组件藉由所述第一控制讯号的所述第一值开启，且所述切换电路藉由所述第二控制讯号的所述第二值开启。所述第二时间点晚于所述第一时间点。
提出一种量测高电子移动率晶体管之装置。所提出的装置包含控制器、保护电路、负载电路及电连接于所述负载电路与所述保护电路之间的切换电路。所述控制器经组态以控制所述半导体组件在第一时间点至第四时间点之间开启且控制所述切换电路在第二时间点至第三时间点之间开启。所述第二时间点晚于所述第一时间点且所述第四时间点晚于所述第三时间点。
提出一种量测半导体组件的方法。所提出的方法包含在第一时间点提供具有第一值的第一讯号以开启所述半导体组件。所提出的方法包含在第二时间点提供具有第二值的第二讯号以开启与所述半导体组件电连接的切换电路。所提出的方法进一步包含在第三时间点提供具有第三值的所述第二讯号以关闭所述切换电路，以及在第四时间点提供具有第四值的所述第一讯号以关闭所述半导体组件。所述第二时间点晚于所述第一时间点，且所述第四时间点晚于所述第三时间点。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述容易理解本揭露的各方面。应注意，各种特征可能未按比例绘制，且各种特征的尺寸可出于论述的清楚起见而任意增大或减小。
图1说明根据本揭露的一些实施例的III-V族HEMT结构示意图。
图2说明根据本揭露的一些实施例的量测装置的示意图。
图3说明根据本揭露的一些实施例的量测装置的示意图。
图4说明根据本揭露的一些实施例的量测装置的示意图。
图5A、5B、5C、5D及5E说明根据本揭露的一些实施例的量测波形的示意图。
图6A、6B、6C及6D说明根据本揭露的一些比较实施例的量测装置的示意图。
贯穿图式和详细描述使用共同参考标号来指示相同或类似组件。根据以下结合附图作出的详细描述，本揭露将将更显而易见。
具体实施方式
以下公开内容提供用于实施所提供的标的物的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的特定实例。当然，这些仅是实例且并不意图为限制性的。在本揭露中，在以下描述中对第一特征在第二特征之上或上的形成的参考可包含第一特征与第二特征直接接触形成的实施例，并且还可包含额外特征可形成于第一特征与第二特征之间从而使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。另外，本揭露可能在各个实例中重复参考标号和/或字母。此重复是出于简化和清楚的目的，且本身并不指示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
下文详细论述本揭露的实施例。然而，应了解，本揭露提供了可在多种多样的特定情境中实施的许多适用的概念。所论述的特定实施例仅仅是说明性的且并不限制本揭露的范围。
图1说明根据本揭露的一些实施例的III-V族HEMT结构示意图。
在图1所示之实施例中，III-V族HEMT可以是一种GaN HEMT。GaN HEMT 100可包含基板1、缓冲层2、通道3、阻挡层4、绝缘层5及钝化层6。GaN HEMT 100进一步包含源极7、汲极8与门极9。
基板1可包含硅。缓冲层2可包含GaN及氮化铝镓(AlGaN)。具有高二维电子密度的通道3形成于缓冲层2与阻挡层4之间。阻挡层4可包含AlGaN。绝缘层5可包含氮化铝(AlN)。
GaN HEMT可应用于高频及/或高功率环境中。例如，当GaN HEMT应用于高功率(high power)环境时，其优势在于从高压关断状态切换到低压导通状态后，可获得非常低的动态导通电阻(Rds-on)。然而，当GaN HEMT应用于高频(high frequency)或射频(radiofrequency，RF)环境时，GaN HEMT经常存在动态开关问题(OFF/ON issue)。上述动态开关问题反应于GaN HEMT的Rds-on数值变化。亦即，当GaN HEMT在OFF/ON状态之间切换后的一段时间内，其Rds-on阻抗值仍保持高水平，在降至预期的低水平前有一时间间隔。
上述动态开关问题对GaN HEMT应用于同时要求高频及高功率的系统产生了限制。
以下参照图1对Rds-on数值变化之形成原因进行描述。
当源极7与汲极8之间施加高电压时，电子可能被阻挡层4及绝缘层5交界处之能量陷阱捕获。当对闸极9施加电压开启(turn on)GaN HEMT 100时，被捕获的电子可能不会立即消散。在阻挡层4及绝缘层5交界处被捕获的电子可能会排斥通道3中之电子，造成通道3中电子数量减少，从而增加Rds-on。随后，当受困电子消散时，GaN HEMT的Rds-on值恢复成预期的低水平。
这种现象会影响GaN HEMT 100的效能，特别是当GaN HEMT 100在高频工作的时候，对于效能的影响可能更为显著。
此外，过高的阻抗值可能导致系统过热而失效。因此，Rds-on值之大小可视为GaNHEMT品质标准之一。量测GaN HEMT的Rds-on值亦成为一重要课题。由于Rds-on值与阻挡层4及绝缘层5交界处之能量陷阱相关，因此Rds-on值可通过对外延长晶程序进行适当修改而设计。
若能精准量测GaN HEMT的Rds-on值，研发人员能准确得知其对GaN HEMT结构或材料上的更改是否产生良好结果，加快其研发速度。
图2说明根据本揭露的一些实施例的量测装置的示意图。
量测装置200包含控制器10、切换电路11、驱动电路12、驱动电路14、负载电路16及保护电路18。待测装置13之一端与负载电路16连接(B点)。
待测装置13之一端与切换电路11连接(B点)。待测装置13之一端连接至保护电路18(C点)。
控制器10可以是一种微处理器。控制器10可以是一种可程序化集成电路。控制器10可以是一种可程序化逻辑电路。在某些实施例中，控制器10内的运算逻辑在控制器10制造后便无法更改。在某些实施例中，控制器10内的运算逻辑在控制器10制造后可程序化更改。在某些实施例中，控制器10可以是一种硬件组件。在某些实施例中，控制器10的功能可以藉由软件实现。
切换电路11可以是一种开关。在某些实施例中，切换电路11可以是一种MOSFET。在某些实施例中，切换电路11可以是n型MOSFET。在某些实施例中，切换电路11可以是p型MOSFET。切换电路11电连接于B点与A点之间。切换电路11电连接于待测装置13与保护电路18之间。切换电路11电连接于待测装置13之一端与保护电路18之一端之间。切换电路11电连接于负载电路16与保护电路18之间。切换电路11电连接于负载电路16之一端与保护电路18之一端之间。
控制器10可以提供控制讯号至切换电路11。控制器10可以提供控制讯号至待测装置13。在某些实施例中，控制器10可以直接提供控制讯号至切换电路11。在某些实施例中，控制器10经由驱动电路12提供控制讯号至切换电路11。在某些实施例中，控制器10可以直接提供控制讯号至待测装置13。在某些实施例中，控制器10经由驱动电路14提供控制讯号至待测装置13。
如图2所示，切换电路11可由控制讯号s2开启/关闭。待测装置13可由控制讯号s1控制。电阻器Rs是用来测试装置13导通时的电流，可以是具有高精准度的电阻。在某些实施例中，电阻器Rs可以连接于C点及输入电压Vin之间。在某些实施例中，电阻器Rs可以与待测装置13串联。
驱动电路12可将控制器10提供的控制讯号放大。驱动电路12可将放大的控制讯号提供至切换电路11。驱动电路12的输入讯号s2'与输出讯号s2之间可以具有一比例关系。驱动电路14可将控制器10提供的控制讯号放大。驱动电路14可将放大的控制讯号提供至待测装置13。驱动电路14的输入讯号s1'与输出讯号s1之间可以具有一比例关系。
在某些实施例中，输入讯号s2'与输出讯号s2之间的比例关系与输入讯号s1'与输出讯号s1之间的比例关系不同。在某些实施例中，输入讯号s2'与输出讯号s2之间的比例关系与输入讯号s1'与输出讯号s1之间的比例关系相同。
负载电路16一端连接至待测装置13(B点)。负载电路16一端连接至输入电压Vin。负载电路16可调整流经待测装置13的电流大小。负载电路16可调整待测装置13的跨压大小。负载电路16可稳定流经待测装置13的电流。负载电路16可防止待测装置13在测试过程中烧毁。
保护电路18的一端连接至切换电路11(A点)。保护电路18的一端连接至输入电压Vin(C点)。一外部量测装置(图中未显示)可以连接至保护电路18两端显示量测结果。一外部量测装置(图中未显示)可以连接至A点及C点以显示量测结果。在某些实施例中，所述外部量测装置可以是一示波器。在某些实施例中，所述外部量测装置可以是一电压量测器。在某些实施例中，所述外部量测装置可以是一电流量测器。在某些实施例中，所述外部量测装置可以是一阻抗量测器。
保护电路18可以作为一保险电路。保护电路18可以在切换电路11损坏时避免外部量测装置损坏。
保护电路18的输入阻抗与切换电路11的阻抗有关。保护电路18的输入阻抗与切换电路11的阻抗有一特定关系。保护电路18的输入阻抗远大于切换电路11开启时的阻抗。保护电路18的输入阻抗远小于切换电路11关闭时的阻抗。保护电路18的输入阻抗远大于切换电路11开启时的阻抗,这样可保证测量电压VS等于待测装置13的导通电压Vds(即Vs＝Vds)。保护电路18的输入阻抗远小于切换电路11关闭时的阻抗，保证在待测装置13和切换电路11关断时，VS是低电压,从而保证了高的测量精度。因此，装置13导通时，Vs＝Vds；装置13关断时，也能够保证Vs是低电压；通过测量Vs的电压间接测量待测装置13导通时间的电压，避免了在待测装置13关断时直接测量Vds电压过高导致的测量精度低的缺点。
藉由开启/关闭切换电路11，控制器10可以控制B点与A点之间的讯号传递。藉由开启/关闭切换电路11，控制器10可以控制外部量测装置所量测到的讯号。藉由开启/关闭切换电路11，控制器10可以使外部量测装置量测到用户所预期的讯号。
藉由控制切换电路11与待测装置13的开启时间，控制器10可以使外部量测装置量测到用户所预期的待测装置13的参数。藉由控制切换电路11与待测装置13的关闭时间，控制器10可以使外部量测装置量测到用户所预期的待测装置13的参数。
因量测装置200藉由控制器10主动地控制待测装置13及切换电路11的开启/关闭，量测装置200可称为一种主动式量测装置。
图3说明根据本揭露的一些实施例的量测装置的示意图。
图3所示之量测装置300与图2所示之量测装置200类似。量测装置300具有负载电路16a及保护电路18a。负载电路16a包括并联连接的二极管D1及电感器Lf。在某些实施例中，电感器Lf可以用一电阻器取代。
二极管D1可作为一箝位二极管。二极管D1可作为一续流二极管。当待测装置13a关闭时，二极管D1可防止B点电压超过输入电压Vin。
量测装置300用于量测待测装置13a。在某些实施例中，待测装置13a是一种半导体装置。在某些实施例中，待测装置13a是一种半导体组件。在某些实施例中，待测装置13a可以是III-V族半导体装置。在某些实施例中，待测装置13a可以是一GaN HEMT。GaN HEMT的闸极G连接至驱动电路14的输出。GaN HEMT的闸极G接收控制器10提供的控制讯号。GaN HEMT的汲极D连接至B点。GaN HEMT的源极S连接至电阻器Rs之一端。
藉由开启/关闭切换电路11a，控制器10可以控制B点与A点之间的讯号传递。在某些实施例中，切换电路11a可以是n型MOSFET。在某些实施例中，切换电路11a可以是p型MOSFET。
保护电路18a具有二极管D2、D3及D4。二极管D3及D4彼此串联后与二极管D2并联。如图3所示，二极管D2的阴极连接至二极管D3的阳极，二极管D2的阳极连接至二极管D4的阴极。
保护电路18a可以作为一种箝位网络。当切换电路11a开启/关闭时，保护电路18a可以防止A点电压突然升至高压，也可以防止A点电压突然下降至低压。A点电压的突然上升或下降会影响量测的精准度。A点电压的突然上升或下降会提高量测的难度。
现参照图3进行量测装置300的操作说明。
初始，切换电路11a与待测装置13a均为关闭状态，当待测装置13a开通时B点电压下降到0伏特附近。随后开启切换电路11a，切换电路11a开启后A点电压等于B点电压。
在设定开通时间点，先关闭切换电路11a后再关闭待测装置13a。此时B点电压上升，A点也跟着上升，但被D3和D4箝制在一个较低的电压。当待测装置13a关闭时，负载电路16a使B点电压不会超过输入电压Vin。D2、D3、D4组成的箝位网络可防止切换电路11a开通/关断时，A点电压短时间内升到很高的高压或降到很低的负压。A点电压的陡升及陡降会影响测量精准度。
切换电路11a开启时，A点电压等于B点电压。相较于使用传统二极管，不需补偿二极管的导通压降。
量测装置300与使用MOSFET的被动式量测方案(例如，图6B及6C所示比较实施例)相比亦具有优势。因MOSFET在线性区(待测装置13a关断时)和饱和区(待测装置13a开通时)切换时A点电压范围比较大。举例言之，图6B及6C所示晶体管50t1和晶体管60t1在线性区(待测装置13a关断时)和饱和区(待测装置13a开通时)切换时测量电压Vs范围比较大，测量精度差。相较之下，图3所示量测装置300的测量电压Vs被箝位网络(D2、D3、D4组成)箝在一个低电压范围，保证了测量精度。
因量测装置300藉由控制器10主动地控制待测装置13a及切换电路11a的开启/关闭，量测装置300可称为一种主动式量测装置。
图4说明根据本揭露的一些实施例的量测装置的示意图。
图4所示之量测装置400与图2所示之量测装置300类似。
量测装置400与量测装置300之差异在于量测装置的保护电路18不同。保护电路18b包含电阻器R1及电容器C1。电阻器R1与电容器C1并联。并联的电阻器R1与电容器C1连接于A点及C点之间。电阻器R1的阻抗与切换电路11a的阻抗具有特定关系。在某些实施例中，电阻器R1的阻抗值远大于切换电路11a开启时的阻抗。电容器C1提供滤波功能。电容器C1可以避免A点电压突然产生变化。电容器C1可以使A点电压维持在一个很小的电压范围内。A点电压的稳定性可提高了对待测装置13的量测精准度。A点电压的稳定性可降低量测待测装置13的难度。
因量测装置400藉由控制器10主动地控制待测装置13a及切换电路11a的开启/关闭，量测装置400可称为一种主动式量测装置。
见图3及图4，待测装置13a的开通时刻要提前于切换装置11a的开通时刻，但关断时刻滞后于切换装置11a的关断时刻(见图5A)；并且保护电路18a/18b的输入阻抗远大于切换装置11a开启时的输出阻抗，同时保护电路18a/18b的输入阻抗远小于切换装置11a关闭时的输出阻抗。因此，装置11a导通时，Vs＝Vds；装置11a关断时，也能够保证Vs是低电压。通过测量Vs的电压间接测量待测装置13a导通的电压Vds，避免了直接测量待测装置13a的导通Vds电压时由于关断时电压过高导致的测量精度低、示波器通道易饱和的缺点。这种主动测试方案也是一种间接测试方案，通过测量Vs来间接测量装置13a的导通电压Vds，从而达到测量装置13a动态导通电阻的目的。
图5A、5B、5C、5D及5E说明根据本揭露的一些实施例的量测波形的示意图。
图5A所示的量测波形可以从量测装置200、量测装置300或量测装置400获得。
以下参照量测装置200进行说明。图5A显示控制讯号s1及s2的波形。控制讯号s1用于控制待测装置13，控制讯号s2用于控制切换电路11。如图5A所示，控制讯号s1在时间点t1升至高电位以开启待测装置13。在t1之后，控制讯号s2在时间点t2升至高电位以开启切换电路11。在某些实施例中，控制讯号s1在时间点t1升至电压值V1，控制讯号s2在时间点t2升至电压值V2。在某些实施例中，电压值V1与电压值V2可以相同。在某些实施例中，电压值V1与电压值V2可以不同。
时间点t1与时间点t2之间的差值可以根据待测装置13而调整。在某些实施例中，时间点t1与时间点t2之间的差值可以在30纳秒(nanosecond)至100纳秒的范围内。
控制讯号s2在时间点t3降低至低电位以关闭切换电路11。在t3之后，控制讯号s1在时间点t4降低至低电位以关闭待测装置13。在某些实施例中，控制讯号s2在时间点t3降低至电压值V3，控制讯号s1在时间点t4降低至电压值V4。在某些实施例中，电压值V3与电压值V4可以相同。在某些实施例中，电压值V3与电压值V4可以不同。
时间点t3与时间点t4之间的差值可以根据待测装置13而调整。在某些实施例中，时间点t3与时间点t4之间的差值可以在30纳秒至100纳秒的范围内。
当控制讯号s2在t2至t3之间开启切换电路11期间，一外部量测装置可以量测A点与C点之间的电压。又因切换电路11开启期间阻抗几乎为零，A点与B点间的电压相等。因此，可以通过测量Vs的电压间接测量待测装置13导通时间t2至t3之间的电压。
图5B显示待测装置13两端(VDS)的电压波形。图5B所示的量测波形可以从量测装置200、量测装置300或量测装置400获得。
在时间点t1之前待测装置13保持关闭，待测装置13两端电压与输入电压Vin近似。控制讯号s1在时间点t1开启待测装置13，待测装置13两端电压VDS因待测装置13导通而降至低电位。当待测装置13在t1至t4之间保持开启时待测装置13两端电压VDS保持低电位。
在t1至t2之间待测装置13两端电压VDS从高电位降至低电位。因t1与t2时间点待测装置13两端电压的差异很大，造成精准量测的困难。举例言之，时间点t1之前待测装置13两端电压VDS可高达几百伏特，而时间点t2之后待测装置13两端电压VDS可降至几十毫伏特或更低。因此在t1至t2之间量测待测装置13将产生精准度不佳的问题。举例言之，若以示波器的低电压檔位量测时间点t1时待测装置13两端的电压VDS，则示波器将过载无法量测。若以示波器的高电压檔位量测时间点t2时待测装置13两端的电压VDS，因时间点t2时待测装置13两端的电压VDS太小，无法得到准确数值。
同样的，在t3至t4之间待测装置13两端电压从低电位升至高电位。因t3与t4时间点待测装置13两端电压的差异很大，造成精准量测的困难。
因此本申请揭露的量测装置200、量测装置300或量测装置400将待测装置13的量测时间限定于t2至t3之间。本申请揭露的量测方法排除了时间点t1至t2间的量测。本申请揭露的量测方法排除了时间点t3至t4间的量测。
一外部量测装置在t2至t3之间对待测装置13进行量测。从图5B可知待测装置13两端电压VDS在t2至t3之间保持低电位，因此所述外部量测装置(例如一示波器)可以调整至低档位。所谓的低档位代表外部量测装置可以对小量值范围进行精准量测。在t2至t3之间外部量测装置可以精准量测待测装置13两端之电压VDS。在某些实施例中，因挑选适当的檔位，在t2至t3之间量测待测装置13的电压精准度可以提高5倍。
图5C显示保护电路18两端(VAC)的电压波形。图5C显示A点与C点两端的电压波形。图5C显示之波形与图5B显示之波形相似。A点与C点两端的电压为待测装置13两端电压及装置11a两端电压之和。
图5D显示负载电路16a中电感器Lf之电流波形。电感器Lf之电流大小随时间增加而升高。从电感器Lf之电流波形可看出负载的大小。
图5E显示流经电阻器Rs之电流IRs波形。电流IRs与流经待测装置13两端之电流ID相同。
在t2至t3之间量测待测装置13开启，藉由在t2至t3之间量测获得之精准电压VAC(此时VAC＝VDS)及精准电流IRS(IRS＝ID)即可得到精确的动态导通电阻Rds-on。
本申请揭露之量测方法通过控制待测装置13和切换电路11的开关时序，使待测装置13在切换电路11之前开通，且切换电路11在待测装置13之前关闭。保护电路18的输入阻抗远大于切换电路11的导通阻抗，但远小于切换电路11的关闭阻抗。这样待测装置13开启时，测试点(A点)电压就等于待测装置13的开启电压。待测装置13关闭时，测试点(A点)之电压被限制在很小范围内，保证了测量的精准度。
图6A、6B、6C及6D说明根据本揭露的一些比较实施例的量测装置的示意图。
如图6A所示，量测装置40包含电阻器40r1、二极管40d1及二极管40d2。电阻器40r1与二极管40d1连接。二极管40d1与二极管40d2串联。在某些实施例中，二极管40d2可以是齐纳二极管(Zener diode)。在某些实施例中，为了避免逆向恢复时间及反相电流的问题，二极管40d2可选用萧特基二极管(Schottky diode)。待测装置13可以连接于量测装置40的端子D及端子S之间。
在某些实施例中，待测装置13可以是一GaN HEMT。当GaN HEMT关闭时，端子D与端子S之间是高电压，大阻值的电阻40r1和二极管40d2一起阻断高电压。此时VS等于二极管40d2的箝位电压。当GaN HEMT开通时电压VS等于GaN HEMT两端电压VDS。获得待测装置13开启时的VS电压及电流IRS，便可获得待测装置13的动态导通电阻Rds-on。
量测装置40不使用控制讯号主动切换待测装置13，也可称为一种被动量测装置。当待测装置13是一种GaN HEMT时，因GaN HEMT关闭时电压VS较高，一外部量测装置(例如一示波器)需调整至高档位以量测待测装置13。调整至高档位的外部量测装置无法精确量测小电压，故使用量测装置40将导致GaN HEMT开通时的测量精度低。此外，量测装置40较大的RC常数导致放电时间长，反应速度慢，进而需要相对较长的量测时间。
在HEMT的制造过程中，需对晶圆(wafer)上的HEMT进行检测。有时可以采用抽样方式对晶圆上的HEMT进行检测。然有时必需对对晶圆上的所有HEMT进行检测以判断制程的良率。现今的一片12吋或18晶圆上可以包含的III-V族HEMT数量约在3000至7500(以HEMT组件面积4.6mm*4.6mm估算)。若对晶圆上单一HEMT组件的检测时间耗时增加1分钟，则整片晶圆的检测将耗时增加50小时至125小时。上述检测所耗费的时间将大大降低生产效率。
如图6B所示，量测装置50包含电阻器50r1、辅助电源50s1及晶体管50t1。待测装置13可以连接于量测装置50的端子D及端子S之间。在某些实施例中，待测装置13可以是一GaNHEMT。
GaN HEMT关闭时，端子D及端子S之间是高电压，晶体管50t1处于线性状态，电压VS近似等于辅助电源50s1之电压。GaN HEMT开启时,晶体管50t1处于开启状态，电压VS等于端子D及端子S之间的电压VDS。获得待测装置13开启时的VS电压及电流IRS，便可获得待测装置13的动态导通电阻Rds-on。
量测装置50不使用控制讯号主动切换待测装置13，也可称为一种被动量测装置。
图6B中，在晶体管50t1关断时，辅助电源50s1电压将会叠加在测量电压中，导致测量探头(Probe)的测量灵敏度小，从而导致精度小。辅助电源50s1之电压可能会导致GaNHEMT开启时的测量精度降低。辅助电源50s1之电压会降低GaN HEMT开启时的小Rds-on测量精度。此外，晶体管50t1在线性区(GaN HEMT关闭时)和饱和区(GaN HEMT开启时)自然切换速度慢，容易引起震荡，影响测量的结果。
如图6C所示，量测装置60包含电阻器60r1、电阻器60r2、电容器60c1、辅助电源60s1、二极管60d1、60d2、60d3及晶体管60t1。待测装置13可以连接于量测装置60的端子D及端子S之间。在某些实施例中，待测装置13可以是一GaN HEMT。
GaN HEMT关闭时，端子D及端子S之间是高电压,晶体管60t1处于线性状态,电压VS近似等于辅助电源60s1之电压Vcc。GaN HEMT开启时,晶体管60t1处于开通状态，电压VS等于端子D及端子S之间的电压VDS。获得待测装置13开启时的VS电压及电流IRS，便可获得待测装置13的动态导通电阻Rds-on。量测装置60不使用控制讯号主动切换待测装置13的，也可称为一种被动量测装置。
图6C中，在晶体管60t1关断时，辅助电源60s1电压将会叠加在测量电压中，导致测量探头(Probe)的测量灵敏度小，从而导致精度小。辅助电源60s1之电压会导致GaN HEMT开启时的测量精度降低。辅助电源60s1之电压会降低GaN HEMT开启时的小Rds-on测量精度。此外，晶体管60t1在线性区(GaN HEMT关闭时)和饱和区(GaN HEMT开启时)自然切换速度慢，容易引起震荡，影响测量的结果。
如图6D所示，量测装置70包含电阻器70r1、70r2、70r3、70r4及70r5。量测装置70进一步包含二极管70d1、70d2、70d3、70d4及70d5。量测装置70进一步包含电容器70c1。待测装置13可以连接于量测装置70的端子D及端子S之间。在某些实施例中，待测装置13可以是一GaN HEMT。
当GaN HEMT关闭时，端子D及端子S之间是高电压,大阻值的电阻70r1和齐纳二极管70d4及70d5一起来阻断高电压。电压VS近似等于齐纳二极管70d3的钳位电压。GaN HEMT开通时，电压VS减去二极管70d2的导通压降等于电压VDS。
获得待测装置13开启时的VS电压、二极管70d2的导通压降及电流IRS，便可获得待测装置13的动态导通电阻Rds-on。
量测装置70不使用控制讯号主动切换待测装置13的，也可称为一种被动量测装置。
当待测装置13是一种GaN HEMT时，因GaN HEMT关闭时电压VS较高，一外部量测装置(例如一示波器)需调整至高档位以量测待测装置13。调整至高档位的外部量测装置无法精确量测小电压，故使用量测装置70将导致GaN HEMT开通时的测量精度低。此外，二极管的导通压降会随着负载不同而有所变化，因此需要相对较为复杂的补偿电路，因此具有相对较高之成本。此外，使用装置70去测量装置13(GaN HEMT)的动态电阻时，由于关断的测量电压VS等于齐纳二极管70d3的电压，开通时测量电压VS等于待测装置13(GaN HEMT)的开通电压加上二极管70d2的导通电压，相比图2至图4的方案，测量探头(Probe)的灵敏度小，所以测量精度低，并且二极管的导通电压所负载不同而有所变化，因此补偿复杂。
如本文中所使用，术语“近似地”、“基本上”、“基本”及“约”用于描述并考虑小变化。当与事件或情况结合使用时，所述术语可指事件或情况精确地发生的例子以及事件或情况极近似地发生的例子。如本文中相对于给定值或范围所使用，术语“约”大体上意味着在给定值或范围的±10％、±5％、±1％或±0.5％内。范围可在本文中表示为自一个端点至另一端点或在两个端点之间。除非另外规定，否则本文中所公开的所有范围包括端点。术语“基本上共面”可指沿同一平面定位的在数微米(μm)内的两个表面，例如，沿着同一平面定位的在10μm内、5μm内、1μm内或0.5μm内。当参考“基本上”相同的数值或特性时，术语可指处于所述值的平均值的±10％、±5％、±1％或±0.5％内的值。
如本文中所使用，术语“近似地”、“基本上”、“基本”和“约”用于描述和解释小的变化。当与事件或情况结合使用时，所述术语可指事件或情况精确地发生的例子以及事件或情况极近似地发生的例子。举例来说，当与数值结合使用时，术语可指小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差小于或等于所述值的平均值的±10％(例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“基本上”或“约”相同。举例来说，“基本上”平行可以指相对于0°的小于或等于±10°的角度变化范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°，或小于或等于±0.05°。举例来说，“基本上”垂直可以指相对于90°的小于或等于±10°的角度变化范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°，或小于或等于±0.05°。
举例来说，如果两个表面之间的位移等于或小于5μm、等于或小于2μm、等于或小于1μm或等于或小于0.5μm，那么两个表面可以被认为是共面的或基本上共面的。如果表面相对于平面在表面上的任何两个点之间的位移等于或小于5μm、等于或小于2μm、等于或小于1μm或等于或小于0.5μm，那么可以认为表面是平面的或基本上平面的。
如本文中所使用，术语“导电(conductive)”、“导电(electrically conductive)”和“电导率”是指转移电流的能力。导电材料通常指示对电流流动呈现极少或零对抗的那些材料。电导率的一个量度是西门子/米(S/m)。通常，导电材料是电导率大于近似地104S/m(例如，至少105S/m或至少106S/m)的一种材料。材料的电导率有时可以随温度而变化。除非另外规定，否则材料的电导率是在室温下测量的。
如本文中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一(a/an)”和“所述”可包含复数指示物。在一些实施例的描述中，提供于另一组件“上”或“上方”的组件可涵盖前一组件直接在后一组件上(例如，与后一组件物理接触)的情况，以及一或多个中间组件位于前一组件与后一组件之间的情况。
如本文中所使用，为易于描述可在本文中使用空间相对术语例如“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”、“下部”、“左侧”、“右侧”等描述如图中所说明的一个组件或特征与另一组件或特征的关系。除图中所描绘的定向之外，空间相对术语意图涵盖在使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相对描述词同样可相应地进行解释。应理解，当一组件被称为“连接到”或“耦合到”另一组件时，其可直接连接或耦合到所述另一组件，或可存在中间组件。
如本文中所使用，术语“大约”、“基本上”、“大体”以及“约”用以描述和考虑小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可以指其中事件或情形明确发生的情况以及其中事件或情形极接近于发生的情况。如在本文中相对于给定值或范围所使用，术语“约”通常意指在给定值或范围的±10％、±5％、±1％或±0.5％内。范围可在本文中表示为从一个端点到另一端点或在两个端点之间。除非另外指定，否则本文中所公开的所有范围包括端点。术语“基本上共面”可指在数微米(μm)内沿同一平面定位，例如在10μm内、5μm内、1μm内或0.5μm内沿着同一平面的的的两个表面。当参考“基本上”相同的数值或特征时，术语可指处于所述值的平均值的±10％、±5％、±1％或±0.5％内的值。
前文概述本公开的若干实施例和细节方面的特征。本公开中描述的实施例可容易地用作用于设计或修改其它过程的基础以及用于执行相同或相似目的和/或获得引入本文中的实施例的相同或相似优点的结构。这些等效构造不脱离本公开的精神和范围并且可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出不同变化、替代和改变。

Claims (17)

1.一种用于量测半导体组件的装置，其包括：
控制器；
保护电路；
负载电路；及
电连接于所述负载电路与所述保护电路之间的切换电路，其中所述保护电路的输入阻抗大于所述切换电路开启时的阻抗，且所述保护电路的所述输入阻抗小于所述切换电路关闭时的阻抗；
所述控制器经组态以在第一时间点提供具有第一值的第一控制讯号至所述半导体组件及在第二时间点提供具有第二值的第二控制讯号至所述切换电路；
所述半导体组件藉由所述第一控制讯号的所述第一值开启(turned on)，且所述切换电路藉由所述第二控制讯号的所述第二值开启(turned on)；
所述第二时间点晚于所述第一时间点；
所述控制器经进一步组态以：
在第三时间点提供具有第三值的第二控制讯号至所述切换电路；及
在第四时间点提供具有第四值的第一控制讯号至所述半导体组件；其中
所述切换电路藉由所述第二控制讯号的所述第三值关闭(turned off)；
所述半导体组件藉由所述第一控制讯号的所述第四值关闭(turned off)；且
所述第四时间点晚于所述第三时间点。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括第一驱动电路及第二驱动电路，所述控制器藉由所述第一驱动电路提供所述第一控制讯号至所述半导体组件，且所述控制器藉由所述第二驱动电路提供所述第二控制讯号至所述切换电路。
3.根据权利要求2所述的装置，所述第一控制讯号与所述第一驱动电路的输入信号之间具有第一比例，所述第二控制讯号与所述第二驱动电路的输入信号之间具有第二比例，所述第一比例与所述第二比例不同。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述半导体组件系氮化镓(GaN)高电子移动率晶体管(HEMT)且具有闸极，其中所述控制器经组态提供所述第一控制讯号至所述半导体组件的所述闸极。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述负载电路包括并联连接的第一二极管及第一电感器，所述负载电路与所述半导体组件电连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述保护电路包括第二二极管、第三二极管及第四二极管，所述第三二极管与所述第四二极管串联连接，所述第二二极管的阴极连接至所述第三二极管的阳极，所述第二二极管的阳极连接至所述第四二极管的阴极。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述保护电路包括并联连接的第一电阻器及第一电容器。
8.一种用于量测半导体组件的装置，其包括：
控制器；
保护电路；
负载电路；及
电连接于所述负载电路与所述保护电路之间的切换电路，其中所述保护电路的输入阻抗大于所述切换电路开启时的阻抗，且所述保护电路的所述输入阻抗小于所述切换电路关闭时的阻抗；
所述控制器经组态以控制所述半导体组件在第一时间点至第四时间点之间开启且控制所述切换电路在第二时间点至第三时间点之间开启；其中
所述第二时间点晚于所述第一时间点且所述第四时间点晚于所述第三时间点。
9.根据权利要求8所述的装置，所述控制器进一步经组态以控制所述切换电路在所述第三时间点之后关闭且控制所述半导体组件在所述第四时间点之后关闭。
10.根据权利要求8所述的装置，其中在所述第一时间点之前所述半导体组件两端具有第一电压，且在所述第二时间点至所述第三时间点之间所述半导体组件两端具有第二电压，所述第二电压小于所述第一电压。
11.根据权利要求8所述的装置，其中在所述第二时间点至所述第三时间点之间所述半导体组件两端具有第二电压，且在所述第四时间点之后所述半导体组件两端具有第三电压，所述第二电压小于所述第三电压。
12.根据权利要求8所述的装置，其中所述半导体组件系氮化镓(GaN)高电子移动率晶体管(HEMT)具有闸极，且其中所述控制器经组态藉由提供第一控制讯号至所述半导体组件的所述闸极以开启所述半导体组件。
13.根据权利要求8所述的装置，其中所述半导体组件电连接至所述切换电路，且所述半导体组件经由所述切换电路电连接至所述保护电路。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述装置进一步包括第一电阻器，且所述半导体组件经由所述第一电阻器电连接至所述保护电路。
15.一种量测半导体组件的方法，包含：
在第一时间点提供具有第一值的第一讯号以开启所述半导体组件；
在第二时间点提供具有第二值的第二讯号以开启与所述半导体组件电连接的切换电路；
在第三时间点提供具有第三值的所述第二讯号以关闭所述切换电路；以及
在第四时间点提供具有第四值的所述第一讯号以关闭所述半导体组件；其中
所述第二时间点晚于所述第一时间点，且所述第四时间点晚于所述第三时间点。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包含：
在所述第二时间点及所述第三时间点之间量测所述半导体组件两端的第一电压；以及
在所述第二时间点及所述第三时间点之间量测流经所述半导体组件的第一电流。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述半导体组件系氮化镓(GaN)高电子移动率晶体管(HEMT)具有闸极，所述方法进一步包含藉由提供第一控制讯号至所述半导体组件的所述闸极以开启所述半导体组件。
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Denomination of invention: Device and method for measuring high electron mobility transistors

Effective date of registration: 20230504

Granted publication date: 20220215

Pledgee: Guangfa Bank Co.,Ltd. Zhuhai Yinhua Branch

Pledgor: INNOSCIENCE (ZHUHAI) TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980039776

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