【Zurich】飛時電容法用於高電子移動率電晶體之檢測

捕捉微秒級的電荷陷阱：Zurich Instruments HF2LI 在 GaN HEMT 飛時電容法 (C-OTF) 的極限量測方案

作者:麥家銘/日期:2026/7/31

 

在下一代半導體技術的賽道上，碳化矽 (SiC) 與氮化鎵 (GaN) 等寬能隙材料，憑藉著高電氣崩潰電場與高導熱率，已成為功率電子元件的明日之星。此外，在高電場下極高的載子漂移速度，更使其成為高頻快速切換應用的關鍵材料。

然而，在 GaN 元件（如高電子移動率電晶體 HEMT）的實際運作中，「電荷捕捉 (Charge trapping)」現象會嚴重降低元件的效能與可靠度。特別是發生在 AlGaN/SiN 介面處的電子捕捉，一直是元件物理學家急欲克服的難題。

為了精準揪出這些隱藏在介面的缺陷，研究人員引入了飛時電容法 (Capacitance-on-the-fly, C-OTF) 來量測快速的電容瞬態變化。本文將探討傳統量測設備在 C-OTF 面臨的頻寬與數據處理瓶頸，並展示 Zurich Instruments HF2LI 鎖相放大器如何以「全數位化」的優勢，為半導體失效分析帶來革命性的突破。

 

實驗痛點：捕捉稍縱即逝的瞬態與龐大的時間跨度

在進行 C-OTF 量測時，實驗的目標是在施加閘極應力電壓 (Stress voltage) 的瞬間，直接測量金氧半結構 (MIS) 的劣化過程。對於單一電子陷阱能階，電荷捕捉會導致電容隨時間呈現指數衰減 ()。

然而，真實的半導體元件內部存在著極度廣泛的陷阱能階分佈，這導致電容衰減的過程會橫跨非常多個時間數量級 (Decades in time)。這給傳統儀器帶來了兩個極端的硬體挑戰：

• 極限的時間解析度要求：為了不遺漏反應最快的缺陷，系統必須在應力施加後「盡可能快」地開始測量電容變化。
• 龐大且冗餘的數據災難：量測時間必須從微秒 (µs) 等級一路記錄到數百秒，如果採用傳統的線性取樣，將會產生極度龐大且難以處理的無效數據，拖垮整個量測系統的通訊負載。

 

Zurich Instruments HF2LI 的絕對優勢：專為動態半導體測試打造的數位中樞

Zurich Instruments 的 HF2LI 鎖相放大器 結合了極速的數位解調能力與高度整合的類比前端，完美克服了 C-OTF 實驗中的所有硬體障礙：

1. 2 µs 的極速時間解析度與 7 個數量級的時間跨度

憑藉著強大的數位訊號處理核心，HF2LI 能夠對動態訊號進行極快速的解調，提供高達 2 µs 的時間解析度。這項優勢使得系統能夠精準捕捉應力施加瞬間的最快電容瞬變，並允許測量時間橫跨 7 個數量級。

2.智慧型的 API 對數取樣 (Logarithmic Sampling)

針對橫跨長時間尺度的量測，HF2LI 提供了直覺且強大的應用程式介面 (API) 以進行遠端控制。透過編寫簡單的腳本，研究人員可以執行對數取樣，這在收集長週期數據時，能夠極其有效地降低主機電腦上的數據密度，將運算資源保留給關鍵的物理分析。

3.內建直流偏壓源與無縫硬體整合

在 C-OTF 實驗中，必須將直流應力電壓與交流參考訊號疊加。HF2LI 具備內建的偏壓源功能 (Built-in bias source)，可以直接在儀器內部將自定義的 DC 偏壓 (V_DC) 加總到 AC 輸出訊號 (V_AC) 上。同時，搭配專屬的 HF2TA 電流前置放大器，能提供從 100 V/A 到 100 MV/A 的超寬自定義增益範圍，精準放大極微弱的電容響應電流。

結論：讓複雜的電容瞬態量測化繁為簡
在寬能隙半導體元件的可靠度驗證與失效分析中，時間就是還原物理真相的關鍵。Zurich Instruments 透過 HF2LI 鎖相放大器，將極速數位解調、直流/交流訊號整合以及智慧化的資料取樣完美揉合於單一系統中。這些高度整合的優勢，使得極速電容瞬態的量測與分析，比起市面上任何其他商用設備都來得更快速且方便。
我們團隊具備豐富的精密量測與系統整合經驗，將全力協助您擺脫繁雜的底層硬體拼湊與除錯。讓您的研發團隊能毫無後顧之憂地專注於解析介面電荷捕捉的物理機制，徹底釋放每一顆次世代半導體元件的極限潛能。