专利名称：超快三极管hemt器件工作频率的测量系统及测量方法
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 lOOGHz，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》Vo1. 45,761-768(1997) (1971年《微波理论与技术》第45巻，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)。
—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巻，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-g丽p/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. Ryzhi i等人在IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. 35,928-935(1999) (1999年量子电子学杂志，第35巻，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 —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； 光学对准器件，用于将飞秒激光器产生脉冲激光对准于超快三极管HEMT的栅极 和源极之间； 空间电磁波收集器件，用于收集脉冲激光照射到超快三极管HEMT的栅极和源极 之间时向空间辐射出电磁波； 超快电光取样器件，用于探测所述空间电磁波收集器件收集的电磁波，记录超快 三极管HEMT的栅极和源极瞬时导通后，源极和漏极之间的电子在高电场下运动所辐射出 的太赫兹波，获得从源极到漏极的电子非平衡动态运动过程； 工作频率计算器件，首先通过麦克斯韦方程计算所述探测的电磁波和电子的加速 度的关系；然后根据电子非平衡动态运动过程，得到驰豫时间t ;最后根据下式计算得到 工作在亚太赫兹波段的超快三极管HEMT的工作频率 /T=^~。 进一地，还包括位于飞秒激光器与所述光学对准器件之间的脉冲激光光路上的分 束镜，用于将脉冲激光分成泵浦光和探测光。 进一地，还包括参考光源，所述光学对准器件包括依次位于泵浦光光路上的第 一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、聚焦透镜和CCD探测器件，所述第二反射镜、第三反射 镜、CCD探测器件位于所述参考光源的光路上。 进一地，所述空间电磁波收集器件包括依次位于辐射出的电磁波传输路径上的硅 棱镜、第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜，所述硅棱镜包括一用于承载超快三极管HEMT 的承载面。 进一地，所述超快电光取样器件包括一电光晶体、四分之一玻片和光电探测器，所 述超快电光取样器件的电光晶体、四分之一玻片和光电探测器依次位于所述探测光的光路
5上。 进一地，在所述第一分束镜与所述电光晶体之间的探测光的光路上，还包括光路 延迟器件。 进一地，在所述光路延迟器件与所述电光晶体之间的探测光的光路上，还包括硅 反射镜，并且所述硅反射镜位于所述第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜之间的所述探 测光的光路上。 进一地，所述电光晶体为锑化锌电光晶体。 —种超快三极管HEMT工作频率的测定方法，包括 通过将泵浦光入射到栅极和源极之间，以瞬时改变栅极电场，通过电光取样，探测 由于栅极电场的突然改变而引起的源极和漏极之间的电子运动所辐射出的空间电磁波；通 过麦克斯韦方程计算得到电子的加速度和其运动所辐射出的电磁波的关系，推算出源极和 漏极之间电子的非平衡动态运动过程，通过探测的从源极到漏极的电子非平衡动态运动过 程，得到电子非平衡运动过程的驰豫时间t ，进而得到工作在亚太赫兹波段的超快三极管
HEMT的工作频率，/r = ^。 本发明测量超快三极管HEMT的工作频率时采用发明装置中的泵浦光，瞬时激发 HEMT的栅极和源极之间的电子_空穴对，使得栅极和源极之间瞬时导通。利用电光取样的 技术，记录栅极和源极导通后，由于栅极电压突然发生改变而引起的源极和漏极之间的非 平衡载流子在高电场(漏极和源极之间的电场)下运动所辐射出的太赫兹波(时间域)，得 到电子的非平衡动态运动状态，进而精确测量可持续到亚太赫兹波段的HEMT器件的工作 频率(工作频率可达到亚太赫兹波段)(频率域)。有效地解决传统网络分析方法所无法直 接测量的亚太赫兹波段的三极管的工作频率的问题。
以下结合附图及实施例进一步说明本发明。
图1为本发明超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统实施例的结构示意图。
图2为泵浦光照射到超快三极管HEMT的栅极和源极之间的示意图。
图3为外加泵浦光照射到栅极和源极之间后，造成的栅极和源极瞬时导通，从而 瞬时改变栅极电场的示意图； 图4为瞬时改变的栅极电场造成了源极和漏极之间有瞬时电流流过的示意图；
图5为瞬时流过的源_漏电流辐射出电磁波的示意图； 图6为富士通提供的150nm沟道HEMT在外加栅极电压V(GS)、源-漏电压V(DS)
和有外加泵浦光照射的情况下，HEMT中所辐射出的实测的太赫兹电磁波示意图； 图7为三种情况下富士通提供的150nm沟道HEMT辐射出的太赫兹电磁波示意图。
具体实施方式
实施例一 如图1所示，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1 ，用于产生脉冲激光；
光学对准器件，用于将飞秒激光器1产生脉冲激光对准于超快三极管HEMT30的栅 极和源极之间； 空间电磁波收集器件，用于收集脉冲激光照射到超快三极管HEMT30的栅极和源 极之间时向空间辐射出电磁波(太赫兹波)； 超快电光取样器件，用于探测所述空间电磁波收集器件收集的电磁波，记录超快 三极管HEMT30的栅极和源极瞬时导通后，源极和漏极之间的电子在高电场下运动所辐射 出的太赫兹波(如图5所示)，获得从源极到漏极的电子非平衡动态运动过程(如图4所 示)。 工作频率计算器件，首先通过麦克斯韦方程计算所述探测的电磁波和电子的加速 度的关系；然后根据电子非平衡动态运动过程(时间域)，得到驰豫时间t (如图4所示)； 最后根据下式计算得到工作在亚太赫兹波段的超快三极管HEMT的工作频率(频率域) /t = ^ 。 其中，还包括位于飞秒激光器1与所述光学对准器件之间的脉冲激光光路上的分 束镜21 ，用于将脉冲激光分成泵浦光和探测光。其中，所述探测光用于电光取样由所述源极 和漏极之间的电子运动而辐射出的电磁波在某一时间点的幅值，从而达到探测电磁波的目 的。 其中，还包括参考光源31 (本实施例中为白光)，所述光学对准器件包括依次位 于泵浦光光路上的第一反射镜2、第二反射镜22、第三反射镜23、聚焦透镜4和CCD (电荷耦 合器件)探测器件3，所述第二反射镜22、第三反射镜23、 CCD探测器件3位于所述参考光 源31的光路上。 其中，所述空间电磁波收集器件包括依次位于辐射出的电磁波传输路径上的硅棱 镜5、第一抛物面反射镜61、第二抛物面反射镜62，所述硅棱镜5包括一用于承载超快三极 管HEMT30的承载面。辐射出的电磁波透过所述硅棱镜5后，分别由所述第一抛物面反射镜 61和第二抛物面反射镜62反射后汇聚于所述超快电光取样器件。 其中，所述超快电光取样器件包括一电光晶体8、四分之一玻片9和光电探测器 10。 其中，所述超快电光取样器件的电光晶体8、四分之一玻片9和光电探测器10依次 位于所述第一分束镜21分出的探测光光路上。 其中，在所述第一分束镜21与所述电光晶体8之间的探测光光路上，还包括光路 延迟器件11。该光路延迟器件11用于增加探测光的光程，使得探测光能在时间上被延迟， 从而与由所述源极和漏极之间的电子运动而辐射出的电磁波的不同位置进行作用，达到超 快电光取样、描述电磁波的目的。 其中，在所述光路延迟器件11与所述电光晶体8之间的探测光光路上，还包括硅 反射镜7，并且所述硅反射镜7位于所述第一抛物面反射镜61和第二抛物面反射镜62之间 的所述探测光的光路上。所述硅反射镜7的作用是，在几乎没有损耗的透射由所述源极和 漏极之间的电子运动而辐射出的电磁波的同时，反射探测光，使得探测光和电磁波能沿着 同 一准直光路被聚焦到电光晶体上。 其中，所述电光晶体8为锑化锌(ZnTe)或其它II-VI族的电光晶体。
实施例二 —种超快三极管HEMT工作频率的测定方法，通过将泵浦光入射到栅极和源极之间，以达到瞬时改变栅极电场，通过电光取样方法，探测由于栅极电场的突然改变而引起的源极和漏极之间的电子运动所辐射出的空间电磁波；通过麦克斯韦方程计算得到电子的加速度和其运动所辐射出的电磁波的关系，从而推算出源极和漏极之间电子的非平衡动态运动过程，通过探测的从源极到漏极的电子非平衡动态运动过程，得到电子非平衡运动过程
的驰豫时间t ，进而得到工作在亚太赫兹波段的超快三极管HEMT的工作频率，/r = ^。 进一步地，还包括对准步骤，通过CCD对准光路，使得泵浦光光束能够准确地打在超快三极管HEMT的栅极和源极之间，从而瞬时的改变栅极电场，使源极和漏极之间有瞬态非平衡电流流过。 进一步地，利用时域太赫兹波谱系统，通过两个抛物面镜来收集由于源-漏极之间的瞬态电流而辐射出的电磁波。 进一步地，通过电光晶体，如ZnTe等，来探测空间的被收集的电磁波。 对于由不同材料(如GaN、 InP)制备的超快三极管HEMT，通过得到不同材料制备
的HEMT与从其中辐射出的太赫兹波的关系，进而得到这些不同材料制备的HEMT的工作频率。 实例 本实例中，采用富士通提供的150nm沟道超快三极管HEMT进行测试，测试过程如下 第一步将飞秒激光器1产生的70飞秒的激光(中心波长800nm，脉冲重复周期80MHz)经第一分束镜21分成泵浦光和探测光，如图1所示； 第二步泵浦光照射到超快三极管HEMT30的栅极和源极之间，如图2所示，其中栅极为G，源极为S，漏极为D，栅极G和源极S之间瞬时导通，造成栅极电压V(GS)瞬时下降。此时在源极S和漏极D之间，由于V(GS)的突然改变，会产生瞬时的非平衡电流。非平衡载流子在源极S和漏极D之间运动，并向空间辐射出电磁波。外加泵浦光照射到栅极和源极之间后，造成的栅极和源极瞬时导通，从而瞬时改变了栅极电场。瞬时改变的栅极电场造成了源极和漏极之间有瞬时电流流过。瞬时流过的源-漏电流辐射出电磁波(太赫兹波)。
第三步空间电磁波被收集，和探测光一起被聚集在ZnTe电光晶体上，如图1所示； 第四步运用超快电光取样技术，探测空间电磁波，记录栅极G和源极S瞬时导通后，源极和漏极之间的电子在高电场下运动所辐射出的太赫兹波，从而得到从源极到漏极的电子非平衡动态运动过程，如图6、图7所示。图6为富士通提供的150nm沟道HEMT在外加栅极电压V (GS)、源_漏电压V (DS)和有外加泵浦光照射的情况下，HEMT中所辐射出的实测的太赫兹电磁波示意图。图7为在以下三种情况下，富士通提供的150nm沟道HEMT辐射出的太赫兹电磁波，其中，曲线A:V(GS)=开(ON)，V(DS) 二开；曲线B:V(GS)=关鹏，V(DS) 二开；曲线C:V(GS):开，V(DS)=关。由此可见，只有在同时外加栅极电压V(GS)和源-漏电压V(DS)的情况下面，才有太赫兹电磁波从HEMT中辐射出来，即有非平衡的载流子在源极和漏极之间流过。
第五步通过探测的从源极到漏极的电子非平衡动态运动过程，得到电子非平衡运动过程的驰豫时间"1.35ps，如图6、图7所示，进而得到工作在亚太赫兹波段的超快
三极管HEMT的工作频率，/r =^ = 120GHz ，本发明有效地解决传统网络分析方法所无
法直接测量的亚太赫兹波段的三极管的工作频率的问题。根据网络分析法，采用Agilent
N5250A系统推算的结果，此HEMT的工作频率为110GHz ;这一数据和本发明的基于太赫兹波
谱系统的超快三极管(HEMT)的工作频率测量仪所得到的结果几乎完全一致。 以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内
的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范
围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
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权利要求
一种超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统，其特征在于包括飞秒激光器(1)，用于产生脉冲激光；光学对准器件，用于将飞秒激光器(1)产生脉冲激光对准于超快三极管HEMT(30)的栅极和源极之间；空间电磁波收集器件，用于收集脉冲激光照射到超快三极管HEMT(30)的栅极和源极之间时向空间辐射出电磁波；超快电光取样器件，用于探测所述空间电磁波收集器件收集的电磁波，记录超快三极管HEMT(30)的栅极和源极瞬时导通后，源极和漏极之间的电子在高电场下运动所辐射出的太赫兹波，获得从源极到漏极的电子非平衡动态运动过程；工作频率计算器件，首先通过麦克斯韦方程计算所述探测的电磁波和电子的加速度的关系；然后根据电子非平衡动态运动过程，得到驰豫时间τ；最后根据下式计算得到工作在亚太赫兹波段的超快三极管HEMT的工作频率 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mi>πτ</mi> </mrow></mfrac><mo>.</mo> </mrow>
2. 根据权利要求1所述的超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统，其特征在于 还包括位于飞秒激光器(1)与所述光学对准器件之间的脉冲激光光路上的分束镜(21)，用于将脉冲激光分成泵浦光和探测光。
3. 根据权利要求2所述的超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统，其特征在于 其中，还包括参考光源(31)，所述光学对准器件包括依次位于泵浦光光路上的第一反射镜(2)、第二反射镜(22)、第三反射镜(23)、聚焦透镜(4)和CCD探测器件(3)，所述第 二反射镜(22)、第三反射镜(23)、CCD探测器件(3)位于所述参考光源(31)的光路上。
4. 根据权利要求2或3所述的超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统，其特征在于所述空间电磁波收集器件包括依次位于辐射出的电磁波传输路径上的硅棱镜(5)、第 一抛物面反射镜(61)、第二抛物面反射镜(62)，所述硅棱镜(5)包括一用于承载超快三极 管HEMT(30)的承载面。
5. 根据权利要求4所述的超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统，其特征在于 所述超快电光取样器件包括一电光晶体(8)、四分之一玻片(9)和光电探测器(10)，所述超快电光取样器件的电光晶体(8)、四分之一玻片(9)和光电探测器(10)依次位于所述 探测光的光路上。
6 根据权利要求5所述的超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统，其特征在于 在所述第一分束镜(21)与所述电光晶体(8)之间的探测光的光路上，还包括光路延迟器件(11)。
7. 根据权利要求6所述的超快三极管HEMT器件工作频率的测量系统，其特征在于 在所述光路延迟器件(11)与所述电光晶体(8)之间的探测光的光路上，还包括硅反射镜(7)，并且所述硅反射镜(7)位于所述第一抛物面反射镜(61)和第二抛物面反射镜(62) 之间的所述探测光的光路上。
8. 根据权利要求5至7中任一权利要求所述的超快三极管HEMT器件工作频率的测量 系统，其特征在于所述电光晶体为锑化锌电光晶体。
9. 一种超快三极管HEMT工作频率的测定方法，其特征在于通过将泵浦光入射到栅极和源极之间，以瞬时改变栅极电场，通过电光取样，探测由 于栅极电场的突然改变而引起的源极和漏极之间的电子运动所辐射出的空间电磁波；通 过麦克斯韦方程计算得到电子的加速度和其运动所辐射出的电磁波的关系，推算出源极和 漏极之间电子的非平衡动态运动过程，通过探测的从源极到漏极的电子非平衡动态运动过 程，得到电子非平衡运动过程的驰豫时间t ，进而得到工作在亚太赫兹波段的超快三极管HEMT的工作频率，A = ^。
全文摘要
超快三极管HFMT器件工作频率的测量系统及测量方法，通过将泵浦光入射到栅极和源极之间，以瞬时改变栅极电场，通过电光取样，探测由于栅极电场的突然改变而引起的源极和漏极之间的电子运动所辐射出的空间电磁波；通过麦克斯韦方程计算得到电子的加速度和其运动所辐射出的电磁波的关系，推算出源极和漏极之间电子的非平衡动态运动过程，通过探测的从源极到漏极的电子非平衡动态运动过程，得到电子非平衡运动过程的驰豫时间，进而得到工作在亚太赫兹波段的超快三极管HEMT的工作频率，有效地解决传统网络分析方法所无法直接测量的亚太赫兹波段的三极管的工作频率的问题。
文档编号G01R23/02GK101710155SQ20091020025
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者卞金鑫, 彭滟, 朱亦鸣, 袁明辉, 贾晓轩, 陈麟 申请人:上海理工大学