脉冲发生器PMU可以做什么？

　　超快速IV测量技术是过去十年里吉时利推出的最具变革性的方法和仪器，吉时利一直以其高精度高品质的SMU即原测试单元而著称，吉时利的原测试单元在过去的三十年里一直被当做直流伏安测试的标准，一些著名的产品例如236、237、240、2600、4200都被广泛应用于半导体、光电、光伏、纳米材料等行业，如2010年诺贝尔物理学奖获得者所研究的石墨硒就是使用吉时利的原测试单元进行量测的。
　　随着科学的发展，科学家和工程师发现越来越多的器件具有瞬态效应，例如功率的瞬态效应会在1微秒内完成，这些瞬态效应往往瞬态即逝，难以捕捉。为了研究这些效应就需要SMU具有更快的测量速度，但是由于SMU在设计上的一些局限性，使得SMU无法提供非常快速的量测，于是基于超快速IV量测技术的PMU就应运而生。这里将介绍测试单元PUM和超快速IV量测技术给半导体器件特性分析带来的革命性的变化。
　　
　　图1 量测技术时间精度对比
　　使用超快速IV量测的目的
　　SMU即原测试单元由四个部分组成：电压源、电流源、电压表和电流表，SMU可以输出电压测量电流，也可以输出电流测量电压。需要强调的是，SMU内部集成的四个仪表都是直流的高精度仪表，吉时利最高精度的SMU可以分辨0.01fA的电流和1µV的电压。为了得到如此高的测量精度，SMU使用的AV转换是积分模式的，如果您使用过SMU，您一定知道SMU是需要积分概念的，积分时间的单位是PLC，一个PLC等于20个毫秒，要得到准确的测量结果，就需要在至少一个PLC内做积分，这样看来SMU是一个测得准但测得很慢的仪器。
　　另外一种使用AD转换模式的仪器是数字示波器。数字示波器使用的AD转换是差分模式，这种模式可以提供非常高的测量速度，但相对于SMU，示波器的测量精度就惨不忍睹，事实上多数示波器只能测量电压，而电压的测量能准确到一个毫伏就很好了。如果用示波器来测量电流通常有两种方式，一个是使用电流探头，另外一个是测量已知组织电阻两端的电压，这两种方法都不能得到准确的电流测量，而且连线也特别复杂。示波器在设计之初就没有为精确的IV量测提供服务。
　　从另外一个角度来看待这个问题，精度和速度就像鱼和熊掌永远不可兼得，精度需要牺牲速度来换取，反之亦然。另外，如果使用示波器来测量前面提到的器件的瞬态效应还有另外一个问题，示波器没有内部的信号机理，脉冲发生器就是用来提供高速率的信号机理的，但是脉冲发生器只能提供信号机理，而不能进行信号的测试，只有把脉冲发生器和示波器做在一个测试系统内，才能实现SMU能实现的量测。
　　
　　图2 4225-PM超快速测量模块
　　事实上吉时利有很多客户在很久前就向我们提出了准确表征器件瞬态效应的要求，如同幻灯片所示，这些要求曾经是让客户抓狂的事情，SMU可以给他们提供足够的精度和方便的测试设定，但却无法提供足够的速度。正如之前提到的，SMU的量测都是在1毫秒以后完成的，而这里所列的事情在1毫秒以内早已完成，也曾经有一些动手能力很强的客户，他们试着用脉冲发生器和示波器搭建超快速IV量测系统，但这样的系统往往连线非常复杂，而且往往得不到准确和可重复的数据。如果无法在实验室里得到可重复的数据，又如何发表研究成果呢？
　　再深入看几个实际的例子。这里所示的是一种SOI器件，我们知道MOS衬底是硅，SOI的衬底则是硅的氧化物。之所以用硅的氧化物作为衬底就是为了降低功耗，因为氧化硅的绝缘性比硅要好很多，从衬底流走的电流都会被二氧化硅所阻挡，但是SOI器件有一个副作用，在氧化硅阻挡电流的同时也阻挡了热量的散发。栅极通常都是二氧化硅，如果衬底也是二氧化硅的话，就好像在热天下面垫毛毯上面盖棉被，而SOI工艺通常被用在高功率器件上，这样功率大产生的热量就更多。从图上可以看到，用SMU测得的电流会有一个明显下降的趋势，这是由于器件发热造成的。而用超快速IV量测就可以得到器件没有发热时的本身特性，通过这个方法，我们就能够准确评估器件发了多少热量，以及发热对器件的影响到底有多大。
　　
　　图3 4225-PMU连接电路图
　　另外一个例子是HIKI材料。栅极电容大小决定了栅极对沟道的控制能力，随着器件越做越小，简单的把栅极氧化层做得更薄已经无法满足需求，这个时候就需要引入HIKI材料。所谓HIKI通常指在硅的氧化物里再掺加一些别的元素，以提高材料的界电常数。但世界上没有免费的午餐，引入HIKI材料固然提高了栅极的控制力，却使得原来成熟的材料变得缺陷多多，载流子在运行的时候，就会被这些缺陷捕获，这效应被称为电荷陷阱效应。看幻灯右边的两张图，给器件打2V的脉冲，在上升沿和下降沿分别测试IDS曲线，上面的图两条曲线几乎重合，而下面的图却区别明显，这是因为脉冲宽度不同。下面图的脉冲宽度是5微秒，而正是5微秒的等待使一些载流在被捕获到栅极内，使得器件的特性发生了很大的变化。
　　接下来的例子是和场效应管的可靠性有关的。目前发现的场效应管的可靠性问题主要有两个，一个是热载流子GHCI，另一个是负偏压高温不稳定性MBTI。热载流子是比较传统的可靠性测试项目，而MBTI同它相比有一些独特的地方，对MBTI效应来说，只要把施加在器件上的应力祛除，器件的衰退就会发生迅速的恢复，恢复速度非常快并且和温度有关，在常温下可以实现100%的恢复，如果测试的速度太慢，就无法准确表征MBTI效应。
　　PMU工作原理和基本操作方式
　　PMU是Pulse Measure Unit的简称，即脉冲测试单元，这是吉时利仪器2011年才推出的产品。PMU由两个部分组成，一个是插在4200主机箱里的4225PMU插卡，每块PMU插卡有两个完全独立的通道；另外一个是远端的测试附件4225RPM。
　　
　　图4 PMU连线方式
　　PMU架构
　　一块PMU由两个独立的通道组成，每个通道由一个50MHz的脉冲发生器，一组采样率为200M的测试单元和电压测试单元组成，可以理解为一个50MHz的脉冲发生器带一个电压示波器和一个电流示波器。PMU有非常广阔的电压和电流的测试和输出范围，每个PMU通道都可以连接一个4225RPM以提高其测试的准确度。由于脉冲发生器和示波器都是内置的，就不需要复杂的连线了，而且吉时利独到的设计保证了PMU在高速测量下依然能够得到准确的数据，可以说在速度和经典之间找到了一个完美的平衡。
　　PRM可以用来提高PMU测试的准确度，它还有另外一个功能，可以用来做DCIV、IV和超快速IV之间的切换，在RPM上有一个多色的LED灯，分别用红色、蓝色和绿色代表CV、DCIV以及超快速IV。由于超快速IV本质上是一种高频测试，所以将PMU连接到线上的时候就需要注意高频信号的保护，需要特别注意。由于一个半导体器件经常需要进行DCIV、CV及超快速IV三种量测，而这三种量测所需的连线各有不同，这需要用户在这三种连线间进行切换。在推出PMU的时候，吉时利就注意到了这个问题，如图右面所示，在RPM输入端黑色的电线是SMU，红色的电线是CVU，白色的电线是PMU，在RPM的输出端是特别的蓝色的多功能Cable，能够同时为这三种测试服务。
　　
　　图5 4225-PMU三种工作模式
　　通过这样的设置，客户可以在一个测试的设定下依次完成DVIC、CV及超快速IV的量测而不需要更换连线。从图中可以看到，4200SMU可以测得非常准，如果给4200SMU1秒钟的时间，它能准确的测量出0.1fA的电流，但是4200SMU最快的测量也需要10毫秒才能完成。再看PMU，如果给PMU10毫秒，它能准确的测量到pA级别的电流，同时PMU也能够在纳秒的级别进行量测，也即是说PMU在速度和精度之间找到了最好的平衡点。
　　PMU的关键参数。PMU最大的电压和电流分别是40V和0.8A，电流和电压的精度分别是0.5%+800pA和0.25%+10mV，采样率是每5ns量测一个点，PMU内部脉冲发生器可以产生50MHz的激励信号，最小的脉冲宽度是20ns。
　　PMU工作模式
　　PMU有三种基本的工作模式，分别是脉冲IV、瞬态IV和脉冲信号输出。脉冲IV指的是用PMU模仿SMU的工作模式，即DC like的测试，PMU可以和SMU一样进行电压扫描，多个PMU也可以进行组合扫描，当然和SMU不同的是PMU输出的激励信号不是直流的电压偏置，而是一系列的脉冲信号；之前提到的脉冲扫描是脉冲的幅值和基准电压的扫描。另外一种有趣的模式是瞬态IV，我们更愿意称之为波形抓取功能，有人会以为是一个示波器，它是像示波器一样工作，不同的是PMU有一个内部的脉冲发生器给器件提供激励。另外PMU不仅能够测量电压波形，也能够直接测量电流波形，因为PMU内置的是一个电流示波器加一个电压示波器。最后，PMU不需要测量的时候可以输出更加复杂的波形，例如三角波、锯齿波、正玄波、白噪声波等，PMU也可以当成一个任意波形发生器来使用。
　　看一个波形抓取时机的例子，用一个PMU测试一个场效应管，PMU的通道1连接到场效应管的gate，通道2连接到场效应管的dran，通道1和通道2同时向场效应管打出一个脉冲信号，当VG和VD的脉冲到达场效应管后，就会激励出ID和IG的脉冲。我们用两个通道的电压和电流示波器来抓取这四个脉冲信号，IG的脉冲波形有一个明显的凸起，可以猜测一下这是由于什么原因造成的。我们知道在一个电容器的两端发生电压变化时就会产生充电或放电的电流，电流等于电容乘以Dl/Dt。注意图中的波形，上升沿和下降沿的时间分别是100纳秒，而D-outside可以看出一个电容，就形成了看到的IG脉冲波形，对于dran端，DX电容比D-outside小很多，但还是能够看到一个小小的凸起。
　　波形抓取可以说是脉冲IV的基础，所谓脉冲IV就是根据需求打一系列波形到待测器件上，然后测试激励出来的电流波形，测试的核心思想是在一个预先设定的测量窗口内，将测到的所有电流点取平均。举一个例子，如果脉冲宽度是100纳秒，测量窗口预设为75%到90%，则测量就会在75纳秒到90纳秒内完成。之前提到测量的间隔是5纳秒，那么在75纳秒到90纳秒之间有5个点，这5个点的电流取平均就是我们要测试的目标电流，而客户需要定义的是这一系列脉冲信号的参数，比如脉冲宽度、上升沿下降沿的时间、脉冲的幅值和基准电压等。
　　最后看一下作为脉冲发生器PMU可以做什么。首先PMU可以输出一个标准的脉冲信号，其次PMU可以用一种second mode方式产生多阶脉冲信号，最后PMU可以产生任意波形，可以在前两种信号形式下进行任意量测。