[发明专利]一种提取GaN HEMT晶体管动态串联电阻的方法

说明书

本发明涉及一种提取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_S和栅漏串联电阻R_D及其变化，从而理解和分析GaN HEMT器件大电流情形导致的电流崩塌效应，热效应和沟道表面损伤产生的栅源‑栅漏表面态特征，这些参数和信息有助优化GaN HEMT的器件及电路设计和改善工作条件。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其是一种提取GaN HEMT晶体管动态串联电阻的方法。

背景技术

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GaN HEMT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GaN HEMT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：GaN HEMT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GaN HEMT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GaN HEMT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R_D变化，出现显著的动态串联电阻增大。GaN HEMT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GaN HEMT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GaN HEMT器件的区域表面态充电状况。本发明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R_D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:本发明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GaN HEMT功率器件不同结构的标准动态串联电阻数据库。

发明内容