CN102338846B - 一种GaN基HEMT器件的可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GaN基HEMT器件的可靠性评估方法，属于半导体器件技术领域。所述方法：搭建用于测量GaN基HEMT器件低频噪声的测试平台；利用测试平台测量GaN基HEMT器件的低频噪声曲线；对低频噪声曲线进行分析，获得表征GaN基HEMT器件的低频噪声特性参数。本发明通过搭建用于GaN基HEMT器件低频噪声测试的测试平台，对器件的低频噪声特性进行相应的测量，结合已有的低频噪声模型，通过一系列的拟和分析，获得器件的低频噪声特征参数，实现对器件可靠性的评价。

Description

一种GaN基HEMT器件的可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及一种GaN基HEMT器件的可靠性评估方法，尤其涉及一种利用GaN基HEMT器件的低频噪声特性进行器件可靠性评估的方法，属于半导体器件技术领域。

背景技术

器件的噪声性能是器件应用的关键，特别是低频噪声在器件退化机理研究中的应用，可以实现对器件可靠性全面而系统的研究。低频噪声对测试样品的研究不具有破坏性，从而降低了研究的成本。低频噪声的研究方法以其高灵敏度、无损伤及成本低等优点在器件可靠性评价方法中具有明显的优势。GaN基HEMT器件中产生的复合噪声(G-R)和闪烁(1/f)噪声是评价器件可靠性的两个重要参数。其中，通过对闪烁(1/f)噪声进行分析得到的Hooge系数对评价材料和器件的质量有重要意义，实验中测得GaN基HEMT器件的Hooge因子差别很大，一般在10^-5～10^-4，通常其值越小，说明材料的质量越好。GaN基HEMT器件中G-R噪声与频率的依赖关系可以确定缺陷密度、捕获面、缺陷时间常数和激活能等反映缺陷的特性参数。

GaN基HEMT器件中高浓度的二维电子气是通过AlGaN/GaN界面之间的极化效应形成的，异质界面不可避免的存在高的缺陷密度。器件的漏电过大直接影响着器件性能的提高，降低了器件的可靠性。确定器件缺陷密度的分布和缺陷密度的大小，对引起器件漏电的原因进行分析，利于对器件失效模式的确定，提高器件的可靠性。例如：器件内的沟道材料的缺陷密度过大或者金-半接触的界面缺陷密度过大，都会引起器件的漏电过大，从而降低了器件的功率特性。

发明内容

本发明为了提高GaN基HEMT器件的可靠性而提供一种GaN基HEMT器件的可靠性评估方法，使用该方法可以通过分析器件的低频噪声特性获得器件中缺陷密度的大小，该信息反馈到器件的制作过程中，可以降低器件的漏电，改善器件的性能，提高其可靠性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种GaN基HEMT器件的可靠性评估方法包括以下步骤：

步骤10：搭建用于测量GaN基HEMT器件低频噪声的测试平台；

步骤20：利用所述测试平台测量GaN基HEMT器件的低频噪声曲线；

步骤30：对所述低频噪声曲线进行分析，获得表征GaN基HEMT器件的低频噪声特性参数。

进一步，所述步骤10具体包括：

步骤101：提供模块直流电源、滤波器、探针台、低噪声电流前置放大器和频谱分析仪；

步骤102：将所述模块直流电源的输出端连接到所述滤波器的输入端，再将所述滤波器的输出端连接到所述探针台的输入端，接着将所述探针台的输出端连接到所述低噪声电流前置放大器的输入端，最后将所述低噪声电流前置放大器的输出端连接到所述频谱分析仪的输入端；

步骤103：设置所述低噪声电流前置放大器的栅电压，再设置低噪声电流前置放大器的补偿电流和偏置电压两个参数。

进一步，所述滤波器为1Hz～100kHz的低通滤波器。

进一步，所述设置低噪声电流前置放大器的补偿电流和偏置电压两个参数具体为：使用参数提取软件或直流参数测试仪测试得到低噪声电流前置放大器的I-V曲线，计算得到低噪声电流前置放大器的补偿电流和偏置电压。

进一步，所述步骤30具体为：包括利用Origin分析软件，再结合公式

对所述低频噪声曲线进行拟合，得到GaN基HEMT器件低频噪声的缺陷参数N_ts和τ，其中，N_ts为缺陷面密度，L₀、W分别为沟道长度和宽度，n_s为2DEG面密度，ω为圆频率，τ为缺陷时间常数，F为费米分布函数。

进一步，所述步骤30具体为：利用Origin分析软件，再结合公式

对所述低频噪声曲线进行拟合，得到GaN基HEMT器件低频噪声的Hooge系数和γ值，其中，α为Hooge系数，γ通常为接近1的指数，f为频率，N为栅下总载流子数，可表示为

其中R为用噪声测量时的源漏电阻近似值，μ为霍耳迁移率，L₀为沟道长度。

本发明的有益效果是：本发明通过搭建用于GaN基HEMT器件低频噪声测试的测试平台，对器件的低频噪声特性进行相应的测量，结合已有的低频噪声模型，通过一系列的拟和分析，获得器件的低频噪声特征参数，实现对器件可靠性的评价，即在测量得到器件低频噪声谱的基础上，通过对器件低频噪声与器件特性参数相关性的研究，可以获得器件的缺陷分布等方面的信息，实现对器件可靠性全面系统的评价，并把相关信息反馈给工艺，提高器件的可靠性，该方法无论对于改进器件的工艺过程还是对器件可靠性的分析都具有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明实施例低频噪声测试平台示意图；

图2为本发明实施例GaN基HEMT器件的可靠性评估方法的流程示意图；

图3为本发明实施例数学分析后得到的器件低频噪声频谱的结果。

具体实施方式

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。

器件缺陷密度过大将直接导致器件性能的降低，通过分析器件的低频噪声特性获得器件中缺陷密度的大小，该信息反馈到器件的制作过程中，降低器件的漏电，改善器件的性能，提高其可靠性。图2为本发明实施例GaN基HEMT器件的可靠性评估方法的流程示意图。参见图2，本发明实施例GaN基HEMT器件的可靠性评估方法包括以下步骤：

步骤10：搭建用于测量GaN基HEMT器件低频噪声的测试平台。

图1为本发明实施例低频噪声测试平台示意图。如图1所示，在本实施例中，(1)首先，进行测试设备的连接，包括：将Agilent 8264A(模块直流电源)101的输出端SMA-SMA连接到滤波器102的输入端，将滤波器102的输出端SMA-SMA连接到探针台103的输入端，其中，GaN基HEMT器件104固定在探针台103上，将探针台103的输出端SMA-BNC连接到SR570(低噪声电流前置放大器)105的输入端，将SR570的输出端BNC-BNC连接SR760(频谱分析仪)106的输入端，频谱分析仪106直接连接到计算机107上，由计算机107输出后再由软件Labview控制。滤波器102采用1Hz的低通滤波器，本实施例的1Hz低通滤波器需要自行制作(在旧PCB版上刻制电路并焊接分立器件)，这里采用1阶滤波器。其中，BNC和SMA是电缆线。

(2)接着，设置低噪声电流前置放大器的栅电压，输入电流时间应长于3分钟，这是为了保持滤波器的充电完全，输入电压为负压。

(3)接着，使用参数提取软件或直流参数测试仪测试得到低噪声电流前置放大器的I-V曲线，接着进行计算得到低噪声电流前置放大器的补偿电流和偏置电压，即通过直流参数测试仪测量得到不同偏置电压下的电流值，得到要补偿电流所需的偏置电压，其目的主要是需要得到该低频噪声的偏置条件，用于低频噪声的测量中，同时应该计算出多组补偿电流及其对应的偏置电压，以便数据比较。在计算得到补偿电流和偏置电压后，将计算得到的补偿电流和偏置电压应用于后续步骤20的测量设置中，其包括：一般设置为1Hz到100kHz带通滤波，1Hz到100kHz的滤波器对应不同波段范围，目的为了获得更好的低频噪声，将万用表串联在DUT(在测的器件)与SR570之间，测出当前实际电流，通过调节偏置电压或者栅电压来获得合适的补偿电流，偏置电压为器件关态时的栅压。

将漏端用SR570提供偏置电压时漏电流会有变化，最好用万用表串联至SR570，微调栅电压以获得准确的漏电流值，这对补偿电流的设置有参考作用，直接关系到灵敏度的大小。

(4)测量与保存数据

通过GPIB-USB转接头把SR760与电脑相连，通过内置的驱动程序进行数据的读取与保存，其中，GPIB是一个接线。

步骤20：利用测试平台测量GaN基HEMT器件的低频噪声曲线。

利用前面计算得到的补偿电流和偏置电压测量GaN基HEMT器件的低频噪声曲线，即通过调节SR570的偏置电压或者SR570的栅电压来获得SR570合适的补偿电流，该调节的偏置电压或者栅电压和合适的补偿电流即对应于通过直流参数测试仪测量得到的补偿电流和偏置电压，此时测量即可得到GaN基HEMT器件的低频噪声曲线。

步骤30：对低频噪声曲线进行分析，获得表征GaN基HEMT器件的低频噪声特性参数。

禁带中单能级的G-R噪声谱可以表示为：

$\frac{S_I}{I^2}=\frac{4N_{\mathrm{ts}}}{L_{0}W{n_s}^2}\frac{\mathrm{\τF}(1-F)}{1+{\left(\mathrm{\ω\τ}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中，N_ts为缺陷面密度，L₀、W分别为沟道长度和宽度，n_s为2DEG面密度，ω为圆频率，τ为缺陷时间常数，F为费米分布函数。公式(1)用于禁带中单能级的G-R噪声谱的拟和分析。

1/f噪声的噪声谱可以表示为：

$\frac{S_I}{I^2}=\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{Nf}}^{\mathrm{\γ}}}---\left(2\right)$

其中，α为Hooge系数，γ通常为接近1的指数，f为频率，N为栅下总载流子数，可表示为

$N=\frac{L_0^2}{\mathrm{Re\μ}},$

其中R为用噪声测量时的源漏电阻近似值，μ为霍耳迁移率，L₀为沟道长度。公式(2)用于1/f低频噪声的拟和分析。

测量条件：实验采用输出特性在线性区的偏置条件，其中，偏置条件的选择的原则是要满足补偿电流的选择可以足以对杂散信号的补偿，以达到提高低频噪声信号精度的目的。

具体为

T1：V_d＝0.5V，I_d＝5mA，V_g＝-0.587V；

T2：V_d＝0.5V，I_d＝5mA，V_g＝-0.665V。

结合公式(2)对器件的低频噪声的测量曲线进行相应的拟和得到器件低频噪声的γ值和Hooge系数。

图3为本发明数学分析后得到的器件低频噪声频谱的结果。具体包括试验中测量得到的低频噪声，拟和得到的总低频噪声，1/f噪声，G-R(产生-复合)噪声。

如图3所示，使用线宽为125Hz的0～50kHz整体曲线求解噪声参数和缺陷参数。通过前面的偏置条件T1和T2求得的噪声参数与缺陷参数如下：Hooge系数α＝1.8×10^-2，γ＝1.37，N_ts＝1.5×10¹³cm^-2，τ＝20μs。Hooge系数与报道的值相差较大，γ值接近2也不合理。G-R噪声反映该器件深能级缺陷密度很高。缺陷面密度达10¹³cm^-2。Hooge系数值较大表明目前器件的噪声水平高。近几年国外文献报道的Hooge系数在10^-3-10^-4量级。采用低频噪声的方法可以实现对GaN基HEMT器件可靠性的有效评估。

Hooge系数对评价材料和器件的质量有重要意义，实验中测得GaN HEMT的Hooge因子差别很大，一般在10^-5～10^-4，通常其值越小，说明材料的质量越好。GaN基HEMT中G-R噪声与频率的依赖关系可以确定缺陷密度、捕获面、缺陷时间常数和激活能等反映缺陷的特性参数。因此，从实测低频噪声频谱中分离出各种噪声分量，并精确地确定各个表征参数值，实现对器件进行噪声物理分析和可靠性评价，并把相关信息反馈给工艺，通过改进工艺过程提高栅电极的可靠性。

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。

Claims (5)

1.一种GaN基HEMT器件的可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤10：搭建用于测量GaN基HEMT器件低频噪声的测试平台；

步骤20：利用所述测试平台测量GaN基HEMT器件的低频噪声曲线；

步骤30：对所述低频噪声曲线进行分析，获得表征GaN基HEMT器件的低频噪声特性参数；其中所述步骤10具体包括：

步骤101：提供模块直流电源、滤波器、探针台、低噪声电流前置放大器和频谱分析仪；

步骤102：将所述模块直流电源的输出端连接到所述滤波器的输入端，再将所述滤波器的输出端连接到所述探针台的输入端，接着将所述探针台的输出端连接到所述低噪声电流前置放大器的输入端，最后将所述低噪声电流前置放大器的输出端连接到所述频谱分析仪的输入端；

步骤103：设置所述低噪声电流前置放大器的栅电压，再设置低噪声电流前置放大器的补偿电流和偏置电压两个参数。

2.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件的可靠性评估方法，其特征在于，所述滤波器为1Hz～100kHz的低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件的可靠性评估方法，其特征在于，所述设置低噪声电流前置放大器的补偿电流和偏置电压两个参数具体为：使用参数提取软件或直流参数测试仪测试得到低噪声电流前置放大器的I-V曲线，计算得到低噪声电流前置放大器的补偿电流和偏置电压。

4.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件的可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤30具体为：利用Origin分析软件，再结合公式对所述低频噪声曲线进行拟合，得到GaN基HEMT器件低频噪声的缺陷参数N_ts和τ，其中，N_ts为缺陷面密度，L₀、W分别为沟道长度和宽度，n_s为2DEG面密度，ω为圆频率，τ为缺陷时间常数，F为费米分布函数。

5.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件的可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤30具体为：利用Origin分析软件，再结合公式

对所述低频噪声曲线进行拟合，得到GaN基HEMT器件低频噪声的噪声参数Hooge系数和γ值，其中，α为Hooge系数，γ为接近1的指数，f为频率，N为栅下总载流子数，表示为

其中R为用噪声测量时的源漏电阻近似值，μ为霍耳迁移率，L₀为沟道长度。

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