半导体材料特性表征测试方法及其系统与流程

1.本发明实施例涉及通信技术领域，特别是涉及一种半导体材料特性表征测试方法及其系统。


背景技术：

2.gan(gallium nitride，氮化镓)材料以其独特的性能优势，是目前通信领域功率放大器的首选材料。但是gan材料存在天然的缺陷，在电应力变化时会产生电流塌缩和恢复效应，即trapping效应，不同的trapping特性对系统的影响差异较大。传统方案对trapping特性的表征主要在材料方面，与系统应用无直接对应关系，对材料的改进、器件的选型以及系统优化均存在制约。
3.gan外延生长中自身存在及hemt(high electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管)器件制造中会引入缺陷和陷阱，由于缺陷的存在，会对不同能量状态的电子俘获或者释放，造成功放管在打开-关闭过程，或者大信号-小信号切换过程，电子被失配晶格捕获而导致的静态电流、增益、相位出现爬坡或者下降的现象，这些现象都叫做gan功放的trapping特性。trapping特性的存在会对功放指标产生影响，主要体现为不同程度的记忆效应，进而影响功放acpr(adjacent channel power ratio，邻道功率泄露比)、evm(error vector magnitude，矢量幅度误差)指标或者整个系统流量特性。
4.在相关技术中，对gan材料trapping特性分析主要有两种：光谱分析和drain-lag测试，但这两种方法均无法准确表征gan材料的trapping特性。


技术实现要素：

5.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
6.本发明实施例提供了一种半导体材料特性表征测试系统、电子设备、半导体材料特性表征测试方法、测试装置以及计算机可读存储介质，能够准确表征gan材料在实际业务场景中的trapping特性，使得gan材料特性指标完全可以量化。
7.第一方面，本发明实施例提供了一种半导体材料特性表征测试系统，包括：
8.第一信号源，用于为待测器件提供激励信号；
9.第二信号源，用于为所述待测器件提供特性提取信号；
10.合路模块，用于合成所述激励信号和所述特性提取信号得到合路信号，所述第一信号源和所述第二信号源的输出端分别连接到所述合路模块的输入端，所述合路模块的输出端通过所述待测器件连接到所述第二信号源的输入端，以由所述第二信号源根据所述合路信号对所述待测器件进行特性分析。
11.第二方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括有如上第一方面所述的半导体材料特性表征测试系统。
12.第三方面，本发明实施例提供了一种半导体材料特性表征测试方法，应用于半导
体材料特性表征测试系统，所述半导体材料特性表征测试系统包括第一信号源、第二信号源和合路模块，所述第一信号源和所述第二信号源的输出端分别连接到所述合路模块的输入端，所述合路模块的输出端通过待测器件连接到所述第二信号源的输入端；
13.所述测试方法包括：
14.当所述待测器件处于旁路状态、所述第一信号源处于关闭状态及所述第二信号源处于开启状态，所述第二信号源获取第一输入信号，并根据所述第一输入信号确定环境校准参数；
15.当所述待测器件从旁路状态切换至接通状态、所述第一信号源处于开启状态及所述第二信号源处于开启状态，所述第二信号源获取第二输入信号；
16.所述第二信号源根据所述环境校准参数和所述第二输入信号确定所述待测器件的特性参数。
17.第四方面，本发明实施例提供了一种测试装置，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上第三方面所述的半导体材料特性表征测试方法。
18.第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行程序，所述计算机可执行程序用于使计算机执行如上第三方面所述的半导体材料特性表征测试方法。
19.本发明实施例包括：半导体材料特性表征测试方法应用于半导体材料特性表征测试系统，半导体材料特性表征测试系统包括第一信号源、第二信号源和合路模块，第一信号源和第二信号源的输出端分别连接到合路模块的输入端，合路模块的输出端通过待测器件连接到第二信号源的输入端。当待测器件处于旁路状态、第一信号源处于关闭状态及第二信号源处于开启状态，第二信号源获取第一输入信号，并根据第一输入信号确定环境校准参数；当待测器件从旁路状态切换至接通状态、第一信号源处于开启状态及第二信号源处于开启状态，第二信号源获取第二输入信号；第二信号源根据环境校准参数和第二输入信号确定待测器件的特性参数。基于此，能够准确表征gan材料在实际业务场景中的trapping特性，使得gan材料特性指标完全可以量化。相对于现有的测试方法，本发明采用两个信号源通过合路模块进行合路，可以得到合路信号并作用在待测器件上，第二信号源可以分析合路信号经过待测器件的特性，如幅度特性以及相位特性。两个信号源可以根据系统应用灵活配置，特性信息提取没有任何电路或配置方面的局限性，可以是关键的单级电路，也可以是整个射频链路网络，且提取的幅度相位特性可以和系统应用分析很好结合。使用该方法，对关键的幅度相位特性信息进行折算并制定标准，可以量化器件要求，可以让厂家在器件优化时有一个明确的目标，也可以进行出厂筛选；在电路实现过程，可以对系统所需的指标进行优化；另外提取的相关特性可以作为算法的输入进行优化迭代，最终使系统指标达到最优状态。
20.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
21.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
22.图1为本发明一个实施例提供的一种半导体材料特性表征测试系统的结构示意图；
23.图2为本发明一个实施例提供的一种半导体材料特性表征测试系统的结构示意图；
24.图3为本发明一个实施例提供的一种半导体材料特性表征测试系统的结构示意图；
25.图4是本发明一个实施例提供的一种半导体材料特性表征测试方法流程图；
26.图5为本发明一个实施例提供的测试结果增益示意图；
27.图6为本发明一个实施例提供的测试结果相位示意图；
28.图7是本发明一个实施例提供的测试装置结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.应了解，在本发明实施例的描述中，多个(或多项)的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
31.gan作为第三代半导体材料，近10年来得到迅速发展。由于其具有材料带隙宽、电子饱和速率高，击穿场强大、耐高温、耐高压、耐分解、耐腐蚀、抗辐射性能高、具备形成二维电子气的异质结体系等特点。gan材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，在无线通讯领域的基站功放上被广泛采用。
32.gan材料以其独特的性能优势，是目前通信领域功率放大器的首选材料。但是gan材料存在天然的缺陷，在电应力变化时会产生电流塌缩和恢复效应，即trapping效应，不同的trapping特性对系统的影响差异较大。传统方案对trapping特性的表征主要在材料方面，与系统应用无直接对应关系，对材料的改进、器件的选型以及系统优化均存在制约。
33.gan外延生长中自身存在及hemt器件制造中会引入缺陷和陷阱，由于缺陷的存在，会对不同能量状态的电子俘获或者释放，造成功放管在打开-关闭过程，或者大信号-小信号切换过程，电子被失配晶格捕获而导致的静态电流、增益、相位出现爬坡或者下降的现象，这些现象都叫做gan功放的trapping特性。trapping特性的存在会对功放指标产生影响，主要体现为不同程度的记忆效应，进而影响功放acpr、evm指标或者整个系统流量特性。
34.在相关技术中，对gan材料trapping特性分析主要有两种：光谱分析和drain-lag测试，但这两种方法均无法准确表征gan材料的trapping特性。
35.针对现有技术中无法准确表征gan材料的trapping特性的问题，本发明实施例提供了一种半导体材料特性表征测试方法及其系统,其中，半导体材料特性表征测试方法应
用于半导体材料特性表征测试系统，半导体材料特性表征测试系统包括第一信号源、第二信号源和合路模块，第一信号源和第二信号源的输出端分别连接到合路模块的输入端，合路模块的输出端通过待测器件连接到第二信号源的输入端。当待测器件处于旁路状态、第一信号源处于关闭状态及第二信号源处于开启状态，第二信号源获取第一输入信号，并根据第一输入信号确定环境校准参数；当待测器件从旁路状态切换至接通状态、第一信号源处于开启状态及第二信号源处于开启状态，第二信号源获取第二输入信号；第二信号源根据环境校准参数和第二输入信号确定待测器件的特性参数。基于此，能够准确表征gan材料在实际业务场景中的trapping特性，使得gan材料特性指标完全可以量化。相对于现有技术，本发明采用两个信号源通过合路模块进行合路，可以得到合路信号并作用在待测器件上，第二信号源可以分析合路信号经过待测器件的特性，如幅度特性以及相位特性。两个信号源可以根据系统应用灵活配置，特性信息提取没有任何电路或配置方面的局限性，可以是关键的单级电路，也可以是整个射频链路网络，且提取的幅度相位特性可以和系统应用分析很好结合。本发明对关键的幅度相位特性信息进行折算并制定标准，可以量化器件要求，可以让厂家在器件优化时有一个明确的目标，也可以进行出厂筛选；在电路实现过程，可以对系统所需的指标进行优化；另外提取的相关特性可以作为算法的输入进行优化迭代，最终使系统指标达到最优状态。
36.如图1所示，图1是本发明一个实施例提供的一种半导体材料特性表征测试系统的结构示意图。半导体材料特性表征测试系统包括第一信号源110、第二信号源120和合路模块130。其中，第一信号源110用于为待测器件140提供激励信号，第二信号源120用于为待测器件140提供特性提取信号，合路模块130，用于合成激励信号和特性提取信号得到合路信号，第一信号源110和第二信号源120的输出端分别连接到合路模块130的输入端，合路模块130的输出端通过待测器件140连接到第二信号源120的输入端，以由第二信号源120根据合路信号对待测器件140进行特性分析。其中，待测器件140可以是单个gan功放器件，也可以是多个gan功放器件组成的链路；第一信号源110输出的激励信号可以是脉冲信号；第二信号源120具有输入端和输出端，其输出端输出的特性提取信号可以是单音信号，其输入端用于接收信号进行分析；合路模块130可以将脉冲信号和单音信号进行时域叠加得到合路信号。具体测试时，第一信号源110输出的激励信号和第二信号源120输出的特性提取信号，经过合路模块130合成后得到合路信号，第二信号源120根据接收到的合路信号对待测器件140进行特性分析，包括但不限于幅度特性以及相位特性。
37.需要说明的是，第一信号源110可以采用包括但不限于信号发生器，只要可以实现信号产生的模块即可，例如数据电路板等。第二信号源120可以采用包括但不限于矢量网络分析仪，只要可以实现信号产生以及可以分析计算幅度和相位特性信息的模块即可，例如数字处理单元等。合路模块130不局限于任何形式的功率合成模块，只要可以实现功率合成即可，包括但不限于合路器器件、合路器电路板等模块。
38.可以理解的是，如图2所示，半导体材料特性表征测试系统还可以包括驱动模块150，驱动模块150连接于合路模块130和待测器件140之间。驱动模块150的采用与否主要根据系统评估设置是否必要而决定。对于待测器件140是由多个gan功放器件组成链路的情形下，驱动模块150可以根据链路的实际情况去选择，而选择的依据取决于链路增益，其作用是可以将待测器件140推到预设的功率水平。需要说明的是，驱动模块150包括但不限于驱
动级放大器。
39.可以理解的是，如图3所示，半导体材料特性表征测试系统还可以包括衰减模块160，衰减模块160连接于待测器件140和第二信号源120之间。衰减模块160的作用是调节衰减量，使最终进入到第二信号源120的合路信号在其线性采样范围内。需要说明的是，衰减模块160包括但不限于衰减器。
40.基于此，本发明可以实现对trapping特性射频链路幅度、相位提取，最终和系统性能对标。在整个产业链中从材料到器件，再到电路，最终到系统性能提供了一个非常有效的联系纽带，实现产业链各环节解耦。
41.本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括有上述的半导体材料特性表征测试系统。
42.在一实施例中，由于电子设备采用了上述的半导体材料特性表征测试系统，因此，本电子设备同样能够解决现有技术中无法准确表征gan材料的trapping特性的问题。本电子设备采用两个信号源通过合路模块进行合路，可以得到合路信号并作用在待测器件上，第二信号源可以分析合路信号经过待测器件的特性，如幅度特性以及相位特性。两个信号源可以根据系统应用灵活配置，特性信息提取没有任何电路或配置方面的局限性，可以是关键的单级电路，也可以是整个射频链路网络，且提取的幅度相位特性可以和系统应用分析很好结合。
43.如图4所示，本发明实施例还提供了一种半导体材料特性表征测试方法，应用于半导体材料特性表征测试系统，半导体材料特性表征测试系统包括第一信号源、第二信号源和合路模块，第一信号源和第二信号源的输出端分别连接到合路模块的输入端，合路模块的输出端通过待测器件连接到第二信号源的输入端；
44.该测试方法包括但不限于如下步骤：
45.步骤401，当待测器件处于旁路状态、第一信号源处于关闭状态及第二信号源处于开启状态，第二信号源获取第一输入信号，并根据第一输入信号确定环境校准参数；
46.步骤402，当待测器件从旁路状态切换至接通状态、第一信号源处于开启状态及第二信号源处于开启状态，第二信号源获取第二输入信号；
47.步骤403，第二信号源根据环境校准参数和第二输入信号确定待测器件的特性参数。
48.测试时，先对系统环境进行校准，即可以对待测器件加旁路，关闭第一信号源并开启第二信号源，以使得待测器件处于短路状态、第一信号源处于关闭状态及第二信号源处于开启状态，此时，第二信号源获取第一输入信号，并根据第一输入信号确定环境校准参数。第二信号源确定环境校准参数后，撤销对待测器件的旁路，开启第一信号源和第二信号源，以使得待测器件从短路状态切换至接通状态、第一信号源处于开启状态及第二信号源处于开启状态，此时，第二信号源获取第二输入信号，第二输入信号为合路信号经过待测器件后传输到第二信号源的信号，其中，第一信号源可以为待测器件提供激励信号，第二信号源可以为待测器件提供特性提取信号，合路模块将激励信号和特性提取信号合成而得到合路信号。最后，第二信号源根据环境校准参数和第二输入信号确定待测器件的特性参数，特性参数包括但不限于幅度特性参数以及相位特性参数。相对于现有技术，本测试方法采用两个信号源通过合路模块进行合路，可以得到合路信号并作用在待测器件上，第二信号源
可以分析合路信号经过待测器件的特性，如幅度特性以及相位特性。两个信号源可以根据系统应用灵活配置，特性信息提取没有任何电路或配置方面的局限性，可以是关键的单级电路，也可以是整个射频链路网络，且提取的幅度相位特性可以和系统应用分析很好结合。基于此，本测试方法能够准确表征gan材料在实际业务场景中的trapping特性，使得gan材料特性指标完全可以量化。
49.需要说明的是，第一信号源可以采用包括但不限于信号发生器，只要可以实现信号产生的模块即可，例如数据电路板等。第二信号源可以采用包括但不限于矢量网络分析仪，只要可以实现信号产生以及可以分析计算幅度和相位特性信息的模块即可，例如数字处理单元等。合路模块不局限于任何形式的功率合成模块，只要可以实现功率合成即可，包括但不限于合路器器件、合路器电路板等模块。
50.可以理解的是，根据系统的实际需要，半导体材料特性表征测试系统还可以包括驱动模块，驱动模块连接于合路模块和待测器件之间。驱动模块的采用与否主要根据系统评估设置是否必要而决定。对于待测器件是由多个gan功放器件组成链路的情形下，驱动模块可以根据链路的实际情况去选择，而选择的依据取决于链路增益，其作用是可以将待测器件推到预设的功率水平。需要说明的是，驱动模块可以采用包括不但不限于驱动级放大器。需要指出的是，对于待测器件是由多个gan功放器件组成链路的情形下，在进行系统环境进行校准时，可以将驱动模块和待测器件一起加旁路。
51.可以理解的是，根据系统的实际需要，半导体材料特性表征测试系统还可以包括衰减模块，衰减模块连接于待测器件和第二信号源之间。衰减模块的作用是调节衰减量，使最终进入到第二信号源的合路信号在其线性采样范围内。需要说明的是，衰减模块可以采用包括不但不限于衰减器。
52.在一实施例中，在步骤401之前，测试方法还可以包括但不限于如下步骤：
53.确定第一信号源和第二信号源的输出功率。
54.在对系统环境进行校准前，先确定第一信号源和第二信号源的输出功率。例如，当第一信号源处于开启状态及第二信号源处于关闭状态，确定第一信号源的峰值功率；当第一信号源处于关闭状态及第二信号源处于开启状态，确定第二信号源的平均功率。具体地，开启第一信号源并关闭第二信号源，此时，确定第一信号源的峰值功率；然后，关闭第一信号源并开启第二信号源，此时，确定第二信号源的平均功率。
55.需要说明的是，第一信号源输出的是脉冲信号，可以配置的参数有峰值功率p1、频率f1、脉冲宽度w和脉冲周期t；第二信号源输出的是单音信号，可以配置的参数有平均功率p2，频率f2。对于第一信号源的参数频率f1、脉冲宽度w和脉冲周期t以及第二信号源的参数频率f2，可以根据待测器件自身工作的功率、频段信息以及关注的频率特性来确定。
56.以下结合附图和具体实施例进一步介绍本发明提供的半导体材料特性表征测试方法。
57.参照图3所示，以下实施例以半导体材料特性表征测试系统包括第一信号源、第二信号源、合路模块、驱动模块和衰减模块为例，其中，第一信号源为信号发生器，第二信号源为矢量网络分析仪。
58.第一步，根据待测器件工作的功率、频段信息以及关注的频率特性，确定第一信号源频率f1，脉宽w和周期t，以及确定第二信号源频率f2，并根据系统功率信息和检测范围确
定驱动模块放大值和衰减模块衰减值。
59.第二步，开启第一信号源，关闭第二信号源，根据电路增益确定第一信号源峰值功率p1。
60.第三步，关闭第一信号源，开启第二信号源，根据电路增益确定第二信号源平均功率p2。
61.第四步，将待测器件加旁路，关闭第一信号源，开启第二信号源，对环境进行校准。(对于待测器件是由多个gan功放器件组成链路的情形下，在进行系统环境进行校准时，可以将驱动模块和待测器件一起加旁路)。
62.第五步，接通待测器件，打开第一信号源和第二信号源，用第二信号源提取待测器件时域幅度和相位信息。
63.最终结果如图5和图6所示，图5和图6分别为幅度信息和相位信息。mark2处为脉冲功率，mark1、mark 3、mark 4为脉冲信号冲击前后的信息。典型的，mark 1和mark 3的差值刻画了trapping严重程度，mark 3和mark 4刻画trapping恢复状态。
64.如图7所示，本发明实施例还提供了一种测试装置。
65.具体地，该报文转发装置包括：一个或多个处理器和存储器，图7中以一个处理器及存储器为例。处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，图7中以通过总线连接为例。
66.存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序，如上述本发明实施例中的半导体材料特性表征测试方法。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序以及程序，从而实现上述本发明实施例中的半导体材料特性表征测试方法。
67.存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储执行上述本发明实施例中的半导体材料特性表征测试方法所需的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
68.实现上述本发明实施例中的半导体材料特性表征测试方法所需的非暂态软件程序以及程序存储在存储器中，当被一个或者多个处理器执行时，执行上述本发明实施例中的半导体材料特性表征测试方法，例如，执行以上描述的图4中的方法步骤401至步骤403，采用两个信号源通过合路模块进行合路，可以得到合路信号并作用在待测器件上，第二信号源可以分析合路信号经过待测器件的特性，如幅度特性以及相位特性。两个信号源可以根据系统应用灵活配置，特性信息提取没有任何电路或配置方面的局限性，可以是关键的单级电路，也可以是整个射频链路网络，且提取的幅度相位特性可以和系统应用分析很好结合。基于此，本测试方法能够准确表征gan材料在实际业务场景中的trapping特性，使得gan材料特性指标完全可以量化。
69.此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行程序，该计算机可执行程序被一个或多个控制处理器执行，例如，被图
7中的一个处理器执行，可使得上述一个或多个处理器执行上述本发明实施例中的半导体材料特性表征测试方法，例如，执行以上描述的图4中的方法步骤401至步骤403，采用两个信号源通过合路模块进行合路，可以得到合路信号并作用在待测器件上，第二信号源可以分析合路信号经过待测器件的特性，如幅度特性以及相位特性。两个信号源可以根据系统应用灵活配置，特性信息提取没有任何电路或配置方面的局限性，可以是关键的单级电路，也可以是整个射频链路网络，且提取的幅度相位特性可以和系统应用分析很好结合。基于此，本测试方法能够准确表征gan材料在实际业务场景中的trapping特性，使得gan材料特性指标完全可以量化。
70.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读程序、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读程序、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
71.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的共享条件下还可作出种种等同的变形或替换，这些等同的变形或替换均包括在本发明权利要求所限定的范围内。