[发明专利]氮化镓场效应晶体管的可靠性内置自测装置、电路和方法

说明书

本发明为一种氮化镓场效应晶体管的可靠性内置自测装置、电路和方法。所述装置包括：高端氮化镓场效应晶体管；低端氮化镓场效应晶体管；高端驱动器，耦合到所述高端氮化镓场效应晶体管的栅极；低端驱动器，耦合到所述低端氮化镓场效应晶体管的栅极；以及驱动器电路，耦合到所述高端驱动器和所述低端驱动器并被配置成产生能够驱动所述高端氮化镓场效应晶体管和所述低端氮化镓场效应晶体管的驱动信号，其中在所述高端驱动器和所述低端驱动器及所述驱动器电路内，所述高端氮化镓场效应晶体管和所述低端氮化镓场效应晶体管及所述晶体管在前道(FEOL)工艺期间在同一半导体器件层上被图案化。

技术领域

本公开实施例涉及一种用于鉴定动态导通状态电阻退化的氮化镓可靠性内置自测装置和方法。

背景技术

氮化镓(Gallium Nitride，GaN)半导体技术可用作制作高功率场效应晶体管(field effect transistor，FET)的制作材料，与最先进的硅FET(例如，金属氧化物半导体FET(metal oxide semiconductor FET，MOSFET))相比，高功率场效应晶体管表现出较低的栅极电容(C_g)和栅极电荷(Q_g)。GaN FET的另一优点是GaN半导体技术提供应变感应压电电荷(strain induced piezo-electric charge)，此使得不需要掺杂便能够在GaN系半导体器件中形成传导沟道(例如，二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)区)。因此，消除对GaN FET进行掺杂的需要可降低半导体器件的杂质散射效应，并使得能够在电流传导沟道(例如，2DEG区)中形成内在移动载流子，从而产生低导通电阻(R_DSON)。

目前，GaN FET的性能能够比MOSFET好4到5倍(例如，开关速度可为硅FET的1/4到1/5)，并且据信GaN FET的性能潜在地能够比MOSFET好100倍。例如，GaN系FET可以比具有同等功率损耗的MOSFET高得多的开关频率进行开关。此意味着在不改变操作频率的情况下，GaN系FET能够在功率电路中实现比MOSFET更高的功率效率。

然而，GaN系FET可能含有移动载流子陷阱(mobile carrier trap)，由于与GaNFET相关联的带隙可能为大，所述移动载流子陷阱可能会在GaN内捕获或吸引并保留移动载流子。这些陷阱可能导致与GaN系半导体器件相关联的被称为电流崩塌(currentcollapse)的不利影响，此可能导致电流传导沟道中的移动载流子数量减少。此外，GaN FET可依赖于GaN衬底和共用衬底(例如，硅(Si)衬底、碳化硅(SiC)衬底或由表现出与Si或SiC相似的电学和化学性质的材料制成的其他类似类型的衬底)的组合以在不增加成本的情况下提高半导体器件相对于其他类型半导体器件的性能。在GaN系半导体器件中，Si系衬底可能会由于GaN衬底与Si衬底的不同晶格常数而引发许多晶体缺陷(例如，空位、边缘位错、螺旋位错和/或失配位错)。此外，依赖于GaN衬底和共用衬底的组合的GaN系半导体器件可能遭受异常高的陷阱率，此可能导致GaN系半导体器件无效和不可用。例如，由于电子捕获效应导致的GaN系半导体器件中的电流崩塌可能使GaN系半导体器件的R_DSON增加100倍，且实际上使得GaN半导体器件在大多数应用中无用。