一種測(cè)量及表征半導(dǎo)體器件陷阱參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件可靠性領(lǐng)域，主要應(yīng)用于耗盡型（常開(kāi)型溝道）GaN基 HEMT(Gallium Nitride Based High Electron Mobility Transistor)器件的陷講相關(guān)參 數(shù)的測(cè)量與分析。
【背景技術(shù)】
[0002] GaN基HEMT器件以其速度快、噪聲低、工作電壓高、射頻輸出功率大、耐高溫等特 點(diǎn)，成為雷達(dá)、衛(wèi)星通信、精密制導(dǎo)和電子對(duì)抗設(shè)備中新一代關(guān)鍵核心元器件。
[0003] 出于對(duì)器件性能參數(shù)、性價(jià)比的綜合考慮，GaN基HEMT器件多以在SiC、藍(lán)寶石或 Si基襯底上外延生長(zhǎng)，或在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移的GaN基襯底上制備而成。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加之材料 自身特性，在器件的異質(zhì)材料界面處，尤其是AlGaN/GaN材料界面位置存在大量的缺陷和 陷阱。而這是造成器件在高頻大功率應(yīng)用下電學(xué)參數(shù)退化的重要因素。
[0004] 目前，對(duì)電子陷阱和缺陷表征方法主要以深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS)測(cè)量為主。DLTS雖 然能較好的測(cè)量器件陷阱類型，但在陷阱數(shù)目測(cè)量，測(cè)量精度和方便性方面尚存在局限和 不足，并且DLTS主要應(yīng)用于材料級(jí)陷阱參數(shù)測(cè)量，對(duì)于小尺寸器件因無(wú)法精確獲得其電容 瞬態(tài)而難以實(shí)際應(yīng)用。GaN基HEMT器件中陷阱與缺陷是影響其可靠性的重要因素，但在陷 阱與缺陷類型以及數(shù)目的準(zhǔn)確表征方面尚缺乏有效的手段和技術(shù)，亟待需要理論和技術(shù)上 的突破。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)可以應(yīng)用于耗盡型，即常開(kāi)型溝道GaN基HEMT器件的陷阱參數(shù)測(cè)量， 可以獲取陷阱的種類，時(shí)間常數(shù)及俘獲電量等信息，為對(duì)GaN基HEMT器件的陷阱效應(yīng)進(jìn)一 步研究提供了新的測(cè)量方法。且該測(cè)量方法簡(jiǎn)便、快捷，無(wú)損，可應(yīng)用于小尺寸器件，適用于 電子器件的可靠性測(cè)試領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 當(dāng)GaN基HEMT器件柵極處以某一偏壓下，在其漏源端加上恒定的電壓，其漏極電 流會(huì)隨著時(shí)間變化。其變化原因主要?dú)w為兩點(diǎn)，一是自熱效應(yīng)引起的漏源電流的變化，一是 由不同陷阱對(duì)載流子的俘獲和發(fā)射引起的。在較低的功率下，自熱效應(yīng)的影響可以忽略，而 此時(shí)漏源電流的變化完全由陷阱及缺陷引起，因此，對(duì)漏源電流的變化進(jìn)行提取，處理，分 析可以得到其中包含的陷阱及缺陷的相關(guān)參數(shù)信息。
[0007] 根據(jù)這一特性，我們提出了一種陷阱的RC網(wǎng)絡(luò)等效模型，對(duì)漏源電流的信息進(jìn)行 處理即可獲得模型中各個(gè)器件的電學(xué)參數(shù)，從而獲得相關(guān)的陷阱信息。
[0008] 對(duì)GaN基HEMT器件漏源加上恒定的電壓Vds后，測(cè)其漏源電流瞬態(tài)響應(yīng)曲線I⑴， 則其瞬態(tài)電阻R(t)可表示為：
[0009]
[0010] 我們提出的GaN基HEMT器件陷阱的等效模型為如圖1的Foster RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模 型。該模型的合理性在于以下三點(diǎn)。一，陷阱對(duì)載流子的俘獲與釋放速率與陷阱中已俘獲 的載流子濃度成比例，而這就是一個(gè)e指數(shù)的衰減和增加的過(guò)程；二，陷阱對(duì)載流子的俘獲 和釋放過(guò)程與電容的充放電的過(guò)程完全類似，因此可以用電容來(lái)等效陷阱作用；三，實(shí)際測(cè) 量結(jié)果表明陷阱作用導(dǎo)致的溝道電流變化符合e指數(shù)規(guī)律。以上分別從理論，經(jīng)驗(yàn)，和實(shí)踐 上表明了該模型的正確性與合理性。
[0011] 在圖1中的等效模型中我們假設(shè)有三種不同時(shí)間常數(shù)的陷阱（實(shí)際測(cè)量中可根據(jù) 時(shí)間常數(shù)譜的峰值數(shù)量確定陷阱種類數(shù)），分別對(duì)應(yīng)的&和C 1;R 2和C 2;R 3和C3所組成的三 個(gè)節(jié)點(diǎn)，陷阱的時(shí)間常數(shù)分別為τ i= R Α，τ 2= R2C2, τ 3= R3C3，陷阱儲(chǔ)存的電荷量即為 對(duì)應(yīng)電容上的電荷量，分別為Q1, Q2，Q3。
[0012] 如附圖1所示Foster模型中，在t = 0時(shí)刻施加恒定電壓Vds后其瞬態(tài)電阻R(t) 可以用時(shí)間常數(shù)的e指數(shù)組合表示：
[0013]
[0014] 公式中η為R1C1節(jié)點(diǎn)數(shù)（即不同時(shí)間常數(shù)的陷阱種類數(shù)），取η = 3時(shí)即和附圖1 模型相對(duì)應(yīng)。式中R1 (i = 1，2, 3)分別與電阻R1, R2, R3相對(duì)應(yīng)；R s與電阻Rs相對(duì)應(yīng)；時(shí)間 常數(shù) τ i (i = 1，2, 3)分別等于 R1C1, R2C2, R3C3。
[0015] 當(dāng)t = O+時(shí)刻（瞬態(tài)電阻最小）電路總電阻：
[0016]
[0017] 當(dāng)t = +①時(shí)（穩(wěn)態(tài)）電路總電阻：
[0018]
[0019] 三個(gè)節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)電阻W (t)為：
[0020]
[0021] 再對(duì)f (t)進(jìn)行熱時(shí)間常數(shù)譜的反卷積計(jì)算可以得到其對(duì)應(yīng)的Foster模型中各 個(gè)電學(xué)器件的參數(shù)，從而獲得相應(yīng)陷阱信息，再根據(jù)獲得的陷阱參數(shù)來(lái)評(píng)估器件的性能。
[0022] -種測(cè)量及表征半導(dǎo)體器件陷阱參數(shù)的方法，其特征在于先建立以下模型：
[0023] M5PC1并聯(lián)；R^C2并聯(lián)；依次類推，RjPCn并聯(lián)后串聯(lián)組成共η個(gè)節(jié)點(diǎn)，η個(gè)節(jié) 點(diǎn)串聯(lián)后和R s串聯(lián)，由此組成了包含陷阱效應(yīng)的溝道的RC網(wǎng)絡(luò)模型。
[0024] 其中，η為時(shí)間常數(shù)譜函數(shù)中峰值的個(gè)數(shù)，即不同時(shí)間常數(shù)的陷阱的總個(gè)數(shù)；每一 個(gè)由R和C組成的節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)時(shí)間常數(shù)的陷阱，其時(shí)間常數(shù)值等于RC乘積；&為無(wú)陷阱 作用時(shí)的溝道電阻。
[0025] 包括以下步驟：
[0026] 1).選擇一被測(cè)器件，在柵源施加一恒定工作電壓Vtis;在漏源兩端施加一漏源電 壓Vds同時(shí)獲取漏源電流的瞬態(tài)響應(yīng)I (t)，并保證功率密度P d_lty< 0. 5W/mm ;
[0027] 2).對(duì)采集的漏源電流I(t)進(jìn)行處理，具體步驟如下（1)-⑷式順序。其中，漏源 電壓V ds恒定且已知，
[0028] 總瞬態(tài)電阻：
[0029]
⑴
[0030] t = O+時(shí)刻瞬態(tài)電阻最小，
[0031] (2>
[0032] t = + 時(shí)瞬態(tài)電阻最大，
[0033] (3)
[0034] 所有節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)電阻
[0035]
⑷
[0036] 對(duì)R' (t)進(jìn)行時(shí)間常數(shù)譜的反卷積計(jì)算，解得時(shí)間常數(shù)譜函數(shù)，其中η為峰值的 個(gè)數(shù)，η代表節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)即不同時(shí)間常數(shù)的陷阱，峰值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為其時(shí)間常數(shù)值τ i，峰 值之間對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)的之比為節(jié)點(diǎn)之間電阻的之比。
[0037] 進(jìn)一步，結(jié)合公式（2)和（3)求出R1，又已知τ i，求出
[0038] 進(jìn)一步，穩(wěn)態(tài)后
又τ i已知，故C1S儲(chǔ)電量、為：
[0039] Qi= C1(V1-Vw) = C1R1Im= TiIm0
[0040] 在器件經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用或者退化后，根據(jù)陷阱的R和C數(shù)值的變化來(lái)評(píng)估器件 性能，具體如下：
[0041] (1)在相同漏源電流測(cè)量下，τ瀨加表明該陷阱俘獲的電荷量增加；如公式（5) 所示；
[0042] (5)
[0043]
[0044] (2)在相同漏源電流測(cè)量下，R1的增加將導(dǎo)致其所對(duì)應(yīng)的電流降幅增加，即為器件 出現(xiàn)DC電流崩塌；
[0045] (3)在相同漏源電流測(cè)量下，C1的增加將導(dǎo)致其所對(duì)應(yīng)的電流下降更快，即為器件 出現(xiàn)RF電流崩塌。
[0046] (4)本發(fā)明提出了一種GaN基HEMT器件的陷阱效應(yīng)等效模型，并可以測(cè)量出陷阱 種類數(shù)（τ )，時(shí)間常數(shù)大小，俘獲電量等參數(shù)，并且能夠通過(guò)提取的參數(shù)來(lái)評(píng)估器件的 性能變化。測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)便，