一种提取GaN HEMT晶体管动态串联电阻的方法技术

本发明专利技术涉及一种提取GaN HEMT晶体管动态串联电阻的方法，在直流和脉冲测试条件下，通过提出的方法，可以在不同的偏置和电压‑电流条件下直接提取GaN HEMT晶体管动态串联栅源电阻R

【技术实现步骤摘要】
一种提取GaNHEMT晶体管动态串联电阻的方法
本专利技术涉及集成电路
，尤其是一种提取GaNHEMT晶体管动态串联电阻的方法。
技术介绍
作为第三代半导体的主要代表,氮化镓(GaN)基材料在光电子学和微电子学领域都有重要的应用价值,也是当今国际半导体的研究热点之一。GaN材料具有宽禁带、高电子迁移率、高饱和速度和高击穿电场等优异的材料特性,因此GaN基器件不仅在光电器件领域得到广泛重视,还显示出大电流、高击穿电压和大功率等特性,具很的功率器件特性。虽然GaN高电子迁移率晶体管HEMT在高频、高压、高温领域取得了重大进展,但在稳定性和可靠性等方面的问题仍限制着GaN基器件的广泛应用,其中由陷阱效应导致的电流崩塌效应是此类功率器件的一个独特现象，对功率器件的性能和工作影响较为严重。电流崩塌效应产生的原因一般认为有两个：其一是表面陷阱在器件工作过程中俘获电子,在表面形成一定的电势,影响沟道中的耗尽层,从而导致漏极电流的减小,即所谓的“虚栅”效应；另一个因素是由于缓冲层陷阱俘获沟道热电子导致的。无论是表面陷阱俘获电子还是缓冲层陷阱俘获沟道热电子，均导致器件事实上的电流传导受阻，出现过多的阻碍电流流动的表面态，从而出现动态串联电阻的增加，结果导致减低器件的电压电流稳定性，影响功率器件的正常工作。因此,要进一步了解陷阱或表面态对GaNHEMT电流崩塌的影响机理,提出改善电流崩塌效应的方法，准确提取和表征GaNHEMT器件的动态串联电阻，就是一个亟待解决的问题。过去的研究表明：GaNHEMT高频工作时出现的高密度表面态阻碍电流的流动，也就是器件的动态电阻增大是导致GaNHEMT电流崩塌的主要原因之一。其作用机理为：在栅与漏、源欧姆接触之间未覆盖栅电极的区域可看作一“虚拟栅”，它通过其下方被俘电荷密度的改变调制耗尽层，当栅电压突然变化时，“虚拟栅”的响应时间由载流子俘获或释放的特征时间决定，这就导致了漏电流响应时间的延迟，于是在一定频率下发生电流崩塌。过去的研究表明：给栅源与栅漏之间分别施加同等强度的电压应力后，测量器件电流电压特性，结果表明栅源区域对电流崩塌影响更大。栅源区和栅漏区电阻均对电流崩塌起着不可忽视的作用，虽已被许多实验结果所证实，但是二者在电流崩塌中的不同作用和区别还未见任何研究报告和分析。实际上，在GaNHEMT出现电流崩塌时，随着栅源、栅漏区表面态俘获电子，表面电势变负，使得其沟道下对应的沟道串联电阻Rs和RD变化，出现显著的动态串联电阻增大。GaNHEMT的性能受到串联电阻的很大影响，串联电阻也导致器件的跨导增益和噪声优值退化。另一方面，精确确定动态串联电阻对表征器件的饱和速度和阈值电压也非常重要，因为这些物理特征量的提取和表征直接受到动态串联电阻的影响。因此，既然GaNHEMT的电流崩塌现象与源漏区的动态串联电阻有关，那么源漏区的动态串联电阻变化就可用于表征GaNHEMT器件的区域表面态充电状况。本专利技术基于直流和脉冲电流-电压输出特性综合实验测试数据，根据电流电压曲线的变化和栅源、栅漏表面区电阻在脉冲电流电压崩塌特性中的不同作用，直接提取增大的栅源、栅漏动态串联电阻，并导出直接由脉冲和直流电流电压近似表达的动态串联电阻Rs和RD公式,通过实测数据对该方法給予验证。通过将这种方法采集的直流和脉冲电流电压曲线进行正常参数变化情况，包括电流变化、电压变化、应力时间变化和测试现场情况下的对比试验表明:本专利技术提出的这种方法适用于在线的动态串联电阻提取,有利于建立GaNHEMT功率器件不同结构的标准动态串联电阻数据库。
技术实现思路
如何提供一种提取GaNHEMT晶体管动态串联电阻的方法，本专利技术公开了一种方法，主要包括以下步骤：一种提取GaNHEMT晶体管动态串联电阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选用栅极长度在15um-30um，源漏间距为25um-40um，栅极宽度为110um-130um的凹栅型GaNHEMT器件。优选的，选用栅极长度为23um，源漏间距为30um，栅极宽度为122um的凹栅型GaNHEMT器件。(2)由安捷能半导体参数测试仪测试得到直流和脉冲条件下GaNHEMT的I-V特性；(3)在栅极上加载频率1Hz，脉宽1ms的周期脉冲，得到脉冲I-V特性曲线；(4)直流I-V特性测试中直接提取原有源极和漏极区的串联电阻Rs和Rd值，根据直流测试结果得到这两个电阻值的表达式为：Rds＝RS+RD+L/(Cox(VGS-VT)W)1)RD-RS＝[dVGS/dIg]d-[dVGS/dIg]s2)(5)根据GaNHEMT功率器件的饱和电流公式可得：脉冲测试过程中的动态串联电阻Rs动态栅漏串联电阻增量ΔRD公式为：优选的，所述凹栅型GaNHEMT器件的制作工艺如下：通过在H2SO4：H2O2：H2O中蚀刻，然后用H2O漂洗来制备衬底的半绝缘(100)GaN，在薄膜外延生长之前通过原位热脱附去除所得的表面氧化物；AlGaN/GaN结构在930℃下生长，由1-um厚的未掺杂GaN缓冲层组成，被80埃的未掺杂Alo.3Gao.7N覆盖，而该覆盖层又被458-600埃的Si掺杂(-1X1018)Al0..3Gao.7N层覆盖；根据测试，AlGaN/GaN异质结结构的迁移率达到6800-7450cm2/V.s(300K)和22000-52000cm2/V.s(77K)，薄层电子浓度为(7-13)X1011cm-2。通过使用H2O2：HN4OH：H2O溶液腐蚀来减薄AlGaN层至约600埃的厚度，使用台面蚀刻来隔离器件，沉积和合金化Ni/Au/Ge层以形成源极和漏极，从而形成了凹栅型GaNHEMT；漏极和源极形成欧姆接触，并在淀积厚度为2000埃的Al膜以进行肖特基栅金属化之前，在栅区中蚀刻处AlGaN有源区；通过改变栅极下方的AlGaN层厚度，可以制造常开和常态关断器件。有益效果：在本专利技术的方法中，通过直流和脉冲电流电压测试实验，从电流变化曲线上提取动态栅漏串联电阻RD和动态栅源串联电阻RS变化，可以区分源和漏表面区域在GaNHEMT电流崩塌效应中的不同作用。在电流崩塌过程中，栅漏、栅源区域表面态变化所对应的RS和RD变化和作用分别是增加膝电压和降低饱和电流，表征了直流输出特性到脉冲输出特性的崩塌效应及其大小，即膝电压变大和饱和电流降低是栅漏、栅源表面区域共同起作用的结果，并由此推导得出直接从直流和脉冲电流电压I-V曲线估算RS和RD的表达式。通过RS和RD的变化和增量提取结果的大小直接来表征和测试GaNHEMT器件电流崩塌效应导致的表面态变化，对GaNHEMT功率器件的电流崩塌效应的分析和器件优化设计具有直接的定量指导意义。附图说明图1为本专利技术一种提取GaNHEMT晶体管动态串联电阻的方法的沟道电阻等效电路；图2为本专利技术一种提取GaNHEMT晶体管动态串联电阻的方法的GaNHEMT功率器件直流与脉冲I-V输出特性比较；图3本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提取GaN HEMT晶体管动态串联电阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)选用栅极长度在15um-30um，源漏间距为25um-40um，栅极宽度为110um-130um的凹栅型GaN HEMT器件；/n(2)由安捷能半导体参数测试仪测试得到直流和脉冲条件下GaN HEMT的I-V特性；/n(3)在栅极上加载频率1Hz，脉宽1ms的周期脉冲，得到脉冲I-V特性曲线；/n(4)直流I-V特性测试中直接提取原有源极和漏极区的串联电阻R

【技术特征摘要】
1.一种提取GaNHEMT晶体管动态串联电阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选用栅极长度在15um-30um，源漏间距为25um-40um，栅极宽度为110um-130um的凹栅型GaNHEMT器件；
(2)由安捷能半导体参数测试仪测试得到直流和脉冲条件下GaNHEMT的I-V特性；
(3)在栅极上加载频率1Hz，脉宽1ms的周期脉冲，得到脉冲I-V特性曲线；
(4)直流I-V特性测试中直接提取原有源极和漏极区的串联电阻RS和RD值，根据直流测试结果得到这两个电阻值的表达式为：
Rds＝RS+RD+L/(Cox(VGS-VT)W)1)
RD-RS＝[dVGS/dIg]d-[dVGS/dIg]s2)
(5)根据GaNHEMT功率器件的饱和电流公式可得：



脉冲测试过程中的动态串联电阻Rs



动态栅漏串联电阻增量ΔRD公式为：





2.根据权利要求1所述的一种提取GaNHEMT晶体管动态串联电阻的方法，
其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：何进，何燕冬，魏益群，李春来，胡国庆，何箫梦，
申请(专利权)人：深港产学研基地北京大学香港科技大学深圳研修院，北京大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44