一种GaNHEMT器件跨导频散特性的测量系统及方法转让专利
申请号 : CN201010575278.3
文献号 : CN102565650B
文献日 : 2013-12-25
发明人 : 蒲颜 , 庞磊 , 陈晓娟 , 欧阳思华 , 李艳奎 , 刘新宇
申请人 : 中国科学院微电子研究所
摘要 :
本发明涉及一种GaNHEMT器件跨导频散特性的测量系统及方法，属于集成电路技术领域。所述测量系统包括第一直流电源、第二直流电源、交流信号提供装置、电容、电感、电阻、第一电压表和第二电压表；漏极和电阻相连，电阻和第一直流电源相连，第一电压表和电阻相并联；栅极和第二电压表相并联，电容连接在栅极和交流信号提供装置之间，电感连接在栅极和第二直流电源之间。通过本发明测量系统测得的频散特性可以推断器件表面态和陷阱的多少，进而判断材料和器件的优劣；同时包含频散特性的跨导曲线可以准确表征器件的直流特性，与模型中频率散射参数的提取相关，对器件模型的建立也很有意义。
权利要求 :
1.一种GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括第一直流电源、第二直流电源、交流信号提供装置、电容、电感、电阻、第一电压表和第二电压表，所述GaN HEMT器件包括栅极、漏极和源极；所述GaN HEMT器件的源极接地，所述GaN HEMT器件的漏极和电阻相连，所述电阻和第一直流电源相连，所述第一直流电源用于为GaN HEMT器件的漏极提供正向偏置电压，所述第一电压表和电阻相并联，所述第一电压表用于测量电阻两端的电压；所述GaN HEMT器件的栅极和第二电压表相并联，所述第二电压表用于对GaN HEMT器件的栅源电压进行监测，所述电容连接在GaN HEMT器件的栅极和交流信号提供装置之间，所述交流信号提供装置用于为GaN HEMT器件的栅极提供交流信号，所述电感连接在GaN HEMT器件的栅极和第二直流电源之间，所述第二直流电源用于为GaN HEMT器件的栅极提供负向偏置电压。
2.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统，其特征在于，所述交流信号提供装置提供的交流信号的幅度小于250mV，交流信号的频率在10Hz～1MHz之间。
3.一种基于权利要求1所述GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统的GaN HEMT器件跨导频散特性的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
1)调节交流信号提供装置使其提供不同频率的交流信号，并监测和电阻相并联的第一电压表，以及与GaN HEMT器件栅极并联的第二电压表，分别记录下不同频率的交流信号下第一电压表的读数VR和第二电压表的读数Vgs；
2)通过公式IR=VR/R计算出不同频率的交流信号下流过电阻的电流IR，该电流IR和GaN HEMT器件的漏源电流Ids相等，从而得到GaN HEMT器件的漏源电流和交流信号频率之间的关系；
3)通过公式gm=Ids/Vgs计算出不同GaN HEMT器件漏源电流Ids对应的GaN HEMT器件的跨导，从而得到GaN HEMT器件的跨导和交流信号频率之间的关系。
说明书 :
一种GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统及方法，尤其涉及一种GaN HEMT器件跨导低频散射特性的测量系统及方法，属于集成电路技术领域。
背景技术
[0002] 由于GaN材料是一种新材料，该材料还处于发展和研究阶段，同时其外延生长也处于不成熟的阶段，因此在生长过程中会引入位错或者断层，这样会使材料本身引入杂质或者缺陷，同时在器件的不同材料界面处也会引入界面态，并在材料内部存在陷阱等缺陷，这样在能带中就会产生很深的陷阱能级，它们会对器件沟道中的载流子产生捕获和释放的过程，这样就会影响源漏电流的变化，相应的也会影响器件的功率特性，对整个器件的电学特性都有很大影响。
[0003] 陷阱效应会带来很多不良影响，会导致器件的电流和功率都有很大的降低。由于陷阱所对应能级的时间因子大部分在微秒到毫秒之间，也就是说这些陷阱大部分只能对1MHz以下的交流信号产生响应，而不会随着更高频率的信号发生变化，因为陷阱的充放电过程跟不上更高频率的信号的变化速率，所以陷阱在很高频率下基本上不会表现出状态的改变。因此可以通过对GaN HEMT器件跨导的低频响应的测量判断器件中陷阱的多少，进而判断材料质量和器件工艺制程的可靠性与稳定度，因此它能够从宏观上表征材料和器件的好坏。同时由于在大信号模型的建立过程中，也需要考虑陷阱效应，通过跨导的低频散射特性的测量，可以提取出与陷阱效应相关的部分参数，对GaN HEMT器件大信号模型的建立也很有意义。综上所述，准确测量GaN HEMT器件的频率散射特性相当重要。
发明内容
[0004] 本发明的目的是基于频散特性可以用于对器件材料质量和器件性能的评估，同时跨导的低频（1MHz以下）散射特性对器件模型的建立也提供了重要的数据，而且由于器件表面和材料中的陷阱效应主要对1MHz以内的信号产生响应，故为了研究低频信号对GaN HEMT器件跨导特性的影响，而提供一种GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统及方法。 [0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统包括第一直流电源、第二直流电源、交流信号提供装置、电容、电感、电阻、第一电压表和第二电压表，所述GaN HEMT器件包括栅极、漏极和源极；所述GaN HEMT器件的源极接地，所述GaN HEMT器件的漏极和电阻相连，所述电阻和第一直流电源相连，所述第一直流电源用于为GaN HEMT器件的漏极提供正向偏置电压，所述第一电压表和电阻相并联，所述第一电压表用于测量电阻两端的电压；所述GaN HEMT器件的栅极和第二电压表相并联，所述第二电压表用于对GaN HEMT器件的栅源电压进行监测，所述电容连接在GaN HEMT器件的栅极和交流信号提供装置之间，所述交流信号提供装置用于为GaN HEMT器件的栅极提供交流信号，所述电感连接在GaN HEMT器件的栅极和第二直流电源之间，所述第二直流电源用于为GaN HEMT器件的栅极提供负向偏置电压。
[0006] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0007] 进一步，所述交流信号提供装置提供的交流信号的幅度小于250mV，交流信号的频率在10Hz～1MHz之间。
[0008] 本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种GaN HEMT器件跨导频散特性的测量方法包括以下步骤：
[0009] 1)调节交流信号提供装置使其提供不同频率的交流信号，并监测和电阻R相并联的第一电压表，以及与GaN HEMT器件栅极并联的第二电压表，分别记录下不同频率的交流信号下第一电压表的读数VR和第二电压表的读数Vgs；
[0010] 2)通过公式IR=VR/R计算出不同频率的交流信号下流过电阻的电流IR，该电流IR和GaN HEMT器件的漏源电流Ids相等，从而得到GaN HEMT器件的漏源电流和交流信号频率之间的关系；
[0011] 3)通过公式gm=Ids/Vgs计算出不同GaN HEMT器件漏源电流Ids对应的GaN HEMT器件的跨导，从而得到GaN HEMT器件的跨导和交流信号频率之间的关系。
[0012] 本发明的有益效果是：通过本发明GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统获得的GaN HEMT器件跨导特性的测量数据，由于GaN HEMT器件跨导的频散特性与器件的陷阱效应相关，可以从频散特性的严重程度定性的推断GaN器件表面态和陷阱的多少，进而判断材料和器件的优劣；测量数据可以评估外延材料生长质量的好坏，监测工艺一致性和稳定性的程度，从宏观上定性反映材料和器件性能的优劣；同时频散特性反映出一种输出信号相对于输入信号的延迟特性，包含频散特性的跨导曲线可以准确表征器件的直流特性，可以提取大信号模型中与陷阱相关的部分参数，对器件模型的建立也提供了必要的数据，包含了频率散射参数的模型可以更加准确的反映器件的实际特性。
附图说明
[0013] 图1为本发明实施例GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统的结构示意图；
[0014] 图2为本发明实施例GaN HEMT器件的跨导和交流信号频率的变化曲线图。
具体实施方式
[0015] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0016] 图1为本发明实施例GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统的结构示意图。如图1所示，所述GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统包括第一直流电源103、第二直流电源108、交流信号提供装置106、电容105、电感107、电阻101、第一电压表102和第二电压表104，所述GaN HEMT器件100包括栅极、漏极和源极；所述GaN HEMT器件100的源极接地，所述GaN HEMT器件100的漏极和电阻101相连，所述电阻101和第一直流电源103相连，所述第一直流电源103用于为GaN HEMT器件100的漏极提供正向偏置电压，所述第一电压表
102和电阻101相并联，所述第一电压表102用于测量电阻101两端的电压；所述GaN HEMT器件100的栅极和第二电压表104相并联，所述第二电压表104用于对GaN HEMT器件100的栅源电压进行监测，所述电容105连接在GaN HEMT器件100的栅极和交流信号提供装置
106之间，所述交流信号提供装置106用于为GaN HEMT器件100的栅极提供交流信号，所述电感107连接在GaN HEMT器件100的栅极和第二直流电源108之间，所述第二直流电源
108用于为GaN HEMT器件100的栅极提供负向偏置电压。由于需要在栅极同时加入直流和交流信号激励，所以需要采用电容把交流信号耦合进来，并且防止直流电源的干扰，直流电源也需要采用电感把交流信号隔离。漏极处连接的外接电阻能够起到稳定GaN HEMT器件的作用，在本实施例中，所述电阻选取与漏端输出电阻Rds相当的阻值，一般大于50欧姆，所以选取100欧或者200欧，但是不同的器件Rds略有差别，需要根据实际情况选取。电感和电容越大越好，这样隔离效果就越好，也就是选择能够找到的最大电感和电容，在本实施例中，电容为几百uF，电感为自制的电感线圈。
102和电阻101相并联，所述第一电压表102用于测量电阻101两端的电压；所述GaN HEMT器件100的栅极和第二电压表104相并联，所述第二电压表104用于对GaN HEMT器件100的栅源电压进行监测，所述电容105连接在GaN HEMT器件100的栅极和交流信号提供装置
106之间，所述交流信号提供装置106用于为GaN HEMT器件100的栅极提供交流信号，所述电感107连接在GaN HEMT器件100的栅极和第二直流电源108之间，所述第二直流电源
108用于为GaN HEMT器件100的栅极提供负向偏置电压。由于需要在栅极同时加入直流和交流信号激励，所以需要采用电容把交流信号耦合进来，并且防止直流电源的干扰，直流电源也需要采用电感把交流信号隔离。漏极处连接的外接电阻能够起到稳定GaN HEMT器件的作用，在本实施例中，所述电阻选取与漏端输出电阻Rds相当的阻值，一般大于50欧姆，所以选取100欧或者200欧，但是不同的器件Rds略有差别，需要根据实际情况选取。电感和电容越大越好，这样隔离效果就越好，也就是选择能够找到的最大电感和电容，在本实施例中，电容为几百uF，电感为自制的电感线圈。
[0017] 在本实施例中，所述GaN HEMT器件在测量时放在Cascade summit 9000探针台上，采用HP6624A电源中的两路信号分别给GaN HEMT器件中的栅极和漏极提供偏置电压，其中，栅极提供负向偏置电压，漏极提供正向偏置电压。所述交流信号提供装置为Agilent33220A函数发生器，为栅极提供一个交流信号，幅度为250mV，手动调节频率的变化，并采用电容耦合进入栅极，防止直流信号对其的干扰，同时栅极的直流偏置采用与电感串联的方式接入栅极，防止交流信号对直流源的干扰。采用第二电压表对栅源电压Vgs进行监测，在漏极串接一个电阻，其两端并联第一电压表，这样可以通过IR=VR/R对电流进行监测，再通过计算gm=Ids/Vgs=IR/Vgs，每一个交流信号的频率，对应着不同的Vgs和IR，也就得到不同的gm值，这样就得到跨导和频率的对应关系，也就是跨导的频率散射特性。还可以改变栅压，从而可以获得不同栅压下对应的频散特性。
[0018] 图2为本发明实施例GaN HEMT器件的跨导和交流信号频率的变化曲线图。如图2所示，可以看出在接近于直流状态的低频下跨导值稍微大一些，随着频率的增加跨导也逐渐减小，到最后1MHz附近最小，如果频率再往上增加，跨导基本不会变化，因为此时的陷阱已经跟不上高频信号的变化速率，跨导也不会随着频率的继续增加而不断下降。
[0019] GaN材料等化合物半导体材料的高纯度生长条件还在不断发展过程中，因此其界面特性相对于传统半导体更加复杂，又由于GaN材料的独特物理特性，在材料界面或者是内部会存在或者是掺杂其他不必要的缺陷，因此在器件表面会存在表面态，内部会引入缺陷，这些都会导致GaN HEMT器件有很多陷阱存在，这些陷阱会导致很多不好的影响，包括栅延迟、漏延迟、电流崩塌、频率散射等效应。而此处的跨导频率散射效应，可以用于评价材料的生长质量，监测工艺流程的纯净度和准确性，分析器件的物理特性参数等。
[0020] 本发明GaN HEMT器件跨导频散特性的测量系统测量得到器件跨导随着频率的变化关系，可以根据跨导随频率变化的剧烈程度，不同结构的器件跨导随频率变化，进而分析对比器件材料的生长情况，判断不同工艺流程对器件特性的影响，同时给GaN HEMT器件的模型提供所需要参数提取数据，频散参数的引入使得器件模型能够更好的进行非线性特性的仿真。实践证明GaN HEMT器件跨导频散特性的测量对HEMT器件相关工作的研究提供了很大的指导作用。这种测量方法也适用于GaAs HEMT及其它受到陷阱效应影响的HEMT器件跨导频散特性的测量。
[0021] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。