CN102721913B

CN102721913B - 一种GaN HEMT器件可靠性在片筛选的方法

Info

Publication number: CN102721913B
Application number: CN201210193942.7A
Authority: CN
Inventors: 孔月婵
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: CN102721913A

Abstract

本发明是一种GaN HEMT器件可靠性在片筛选的方法，其特征是首先搭建在片电致发光光谱测试平台，再于暗室中将GaN异质结HEMT器件圆片置于探针台上，将探针分别压在栅、源、漏三个电极之上；使源极接地，漏极加一定的正向偏压，栅极加负向偏压Vgs并使Vgs从夹断电压Vp到0V变化，用光谱测试系统测试GaN异质结HEMT器件的发光强度随栅压的变化关系，取发光强度最大的偏压点Vgsm，在该条件下对器件的发光光谱进行测试，通过对光谱进行分析，实现对器件可靠性的评价。优点：可实现在片筛选，避免了划片、封装等一系列可靠性筛选的准备工序，同时无需长时间加电应力，缩短可靠性筛选的时间，节约成本，工作效率提高。

Description

一种GaN HEMT器件可靠性在片筛选的方法

技术领域

本发明涉及的是一种GaN HEMT器件可靠性在片筛选的方法，乃是利用GaN HEMT高场下发光现象进行GaN HEMT器件可靠性筛选的方法，属于半导体器件技术领域。

背景技术

GaN HEMT器件经历了近二十年的发展，器件微波性能逐步得到提高并向其理论极限靠拢，但由于多应用于微波大功率领域，器件经常工作在很高的漏-源偏置电压下，高电场下产生的热电子会使HEMT器件特性退化，由此导致的可靠性问题一直阻碍着GaN HEMT的发展和广泛应用。因此，GaN HEMT失效机理的研究一直是GaN器件研究领域中非常重要的环节。研究发现，在GaN HEMT栅电极靠漏边缘上存在的强电场峰使栅电极上的电子隧穿注入到势垒层表面，经由表面缺陷间跳跃电导产生栅-漏之间的泄漏电流，栅电极使表面陷阱充电，降低了下方沟道的电子气浓度，引起漏极电流和跨导下降，器件性能退化。研究还发现，在高场作用下，器件沟道中产生大量非平衡热声子，GaN HEMT器件的退化与热声子寿命有关，当二维电子气面密度在0.7-1×10¹³cm^-2附近，热声子寿命最低，器件退化程度最小。另外，在强电场下GaN HEMT器件性能发生退化的同时伴有电致发光现象，GaN HEMT的电致发光与器件性能变化存在着一定关联。

GaN HEMT的电致发光是研究材料和器件结构、器件工艺等对器件微波性能影响的一种有效途径，同时也是研究失效机理的一种有效手段。器件在直流工作时，注入功率的耗散方式可以分两种，一是发热，二是发光。GaN HEMT器件发光可分为开态发光与关态发光，其发光机理有以下几种：碰撞离化，带内跃迁，韧致发光，与深能级相关的辐射跃迁等。实验表明，当加一定的偏压使沟道不完全打开时，其器件的发光强度最大，而此时热声子寿命最低，器件退化最小。因此，通过对HEMT器件发光特性的测试可以对器件可靠性进行初步评估。

发明内容

本发明提出的是一种GaN HEMT器件可靠性在片筛选的方法，乃是利用GaN HEMT高场下发光现象进行GaN HEMT器件可靠性筛选的方法，其目的是为了对GaN HEMT器件的可靠性进行快速评估并为提高器件可靠性提供指导，利用在片测试系统，并将光谱分析结果反馈给材料生长与器件工艺过程，提高器件的可靠性。

本发明的技术解决方案是：该方法包括如下工艺步骤：

一、搭建GaN HEMT器件在片电致发光光谱测试平台并置于暗室；

二、基于上述测试平台测试一定漏压Vdsc下,GaN HEMT器件发光强度随栅压Vgs的变化关系；

三、取发光强度最大的偏压点Vgsm作为偏置条件进行发光图像采集以及光谱测试；

四、对获得的发光图像及发光光谱进行分析，实现对器件可靠性的评价。

本发明的优点是：通过搭建GaN器件在片电致发光光谱测试系统，可实现器件可靠性在片筛选，避免了划片、封装等一系列可靠性筛选的准备工序，节约了成本，同时无需长时间加电应力，大大缩短可靠性筛选的时间，提高了工作效率。另外，从发光图像和发光光谱可以对器件失效机理进行分析，可获得材料缺陷，工艺一致性、热电子温度等方面的信息，进一步对材料结构和器件结构的优化提供理论指导，提高器件的可靠性。

附图说明

图1是本发明GaN HEMT器件在片电致发光光谱测试平台示意图。

图2是实施例1中GaN HEMT器件电致发光光谱分析结果。

图中的1是半导体参数分析仪， 2是探针台，3是GaN HEMT器件，4是显微镜，5是单色仪，6是光电倍增管探测器，7是控制计算机。

具体实施方式

一种GaN HEMT器件可靠性在片筛选的方法，主要步骤有：一、搭建GaN HEMT器件在片电致发光光谱测试平台并置于暗室，二、基于上述测试平台测试一定漏压下GaN HEMT器件发光强度随栅压的变化关系，三、取发光强度最大的偏压点作为偏置条件进行发光图像采集以及光谱测试，四、对获得的发光图像及发光光谱进行分析，实现对器件可靠性的评价。

所述的步骤一搭建GaN HEMT器件在片电致发光光谱测试平台：1）准备半导体参数分析仪1，探针台2，GaN HEMT器件3，光学显微镜4，单色仪5，光电倍增管探测器6及控制计算机7；2）将半导体参数分析仪1通过电缆与探针台2相连形成在片器件直流测试平台；3）将GaN HEMT器件3固定于探针台2上并将探针分别压在栅、源、漏电极上；4）将显微镜4、单色仪5、光电倍增管探测器6组成显微光谱测试系统，并将测试系统的输出端通过GPIB-USB转接头与控制计算机7相连接；5）将探针台2置于显微镜4下，通过调节显微镜4使GaN HEMT器件3在计算机7中清晰成像，最终形成电致发光光谱测试平台；如图1所示。

所述的步骤二基于上述测试平台测试一定漏压Vdsc下,GaN HEMT器件发光强度随栅压Vgs的变化关系；

1）GaN HEMT器件在片电致发光校准：关闭测试场所的所有光源，不对GaN HEMT器件加任何偏置电压，利用显微光谱测试系统测试其对黑体辐射的响应光谱，在计算机中记录数据；

2）GaN HEMT器件发光强度测试条件的选择：1）测试器件的转移特性Ids-Vgs，得到器件的夹断电压Vp；2）将栅压Vgs偏置到Vp以下，即Vgs<Vp，逐渐增大漏压Vds,同时观察计算机中的器件图像，也可测试其光谱，当器件开始发光或有光谱信号时的漏压为Vdsc；3）选择漏压Vds略低于Vdsc作为测试条件(此时器件不发光)，测量此时发光强度Intensity随Vgs的变化关系曲线Intensity-Vgs，Vgs的变化范围为(V1，V2)，其中V1≤Vp, V2≥0V。

所述的步骤三取发光强度最大的偏压点作为偏置条件进行发光图像采集以及光谱测试；

1）GaN HEMT器件发光光谱测试条件的选择：分析GaN HEMT发光强度Intensity随Vgs的变化曲线，取发光强度最大的点，此时Vgs=Vgsm；选择Vgs=Vgsm, Vds与上述Intensity-Vgs测量相同作为测试条件进行器件发光光谱测试，在计算机中记录Intensity-λ曲线数据，同时采集计算机中的显微器件发光图像；

2）GaN HEMT器件发光图像的分析：由于器件高压工作下，在栅极边缘存在高场区，而器件发光又与高场下载流子运动有关，因此发光图像与栅条的形状相近，在材料质量较高、器件工艺一致性较好的情况下，器件发光的强度应是均匀的，因此图中高亮度的点发光应由材料缺陷引起，缺陷会降低器件的可靠性，相邻发光条的亮度不一致则由器件工艺一致性引起。光谱范围为波长λ≥325nm。

所述的步骤四对获得的发光图像及发光光谱进行分析，实现对器件可靠性的评价；

1）对上述Intensity-λ曲线进行校准，即去除黑体辐射的响应光谱的贡献，得到最终器件发光光谱数据；2）进行波长变换E=1240/λ得到Intensity-E曲线；3）基于高能区谱线数据利用公式I~exp(-E/kT)进行拟合，从而提取热电子温度Te；4）GaN HEMT器件可靠性的筛选：在发光强度均匀一致的条件下，可进行不同批次器件可靠性的筛选，取热电子温度较低，而发光强度较大的器件批次，其可靠性较高。

实施例1：

按上述实施方式中步骤一搭建GaN HEMT器件在片电致发光光谱测试平台。

GaN HEMT器件在片电致发光校准：关闭测试场所的所有光源，不对GaN HEMT器件加任何偏置电压，利用显微光谱测试系统测试其对黑体辐射的响应光谱，在计算机中记录数据Intensity0-λ。

GaN HEMT器件发光强度测试条件的选择：首先，测试器件的转移特性Ids-Vgs，得到器件的夹断电压Vp=-1.76V；然后，使栅压Vgs=-1.8V，逐渐增大漏压Vds,同时观察计算机中的器件图像，当器件开始发光时的漏压为Vdsc=40V；选择漏压Vds=35V测试条件(此时器件不发光)，测量此时发光强度Intensity随Vgs的变化关系曲线Intensity-Vgs，Vgs的变化范围为(Vp，0)。

GaN HEMT器件发光光谱测试条件的选择：取Intensity-Vgs关系曲线中发光强度最大的点，此时Vgs=-0.8V。选择Vgs=0.8V, Vds=35V作为测试条件进行器件发光光谱测试，在计算机中记录Intensity-λ曲线数据，同时采集计算机中的显微器件发光图像。

GaN HEMT器件发光图像的分析：发光图像中高亮度的点发光应由材料缺陷引起，相邻发光条的亮度不一致则由器件工艺一致性不高引起。

GaN HEMT器件发光光谱的分析：对上述Intensity-λ数据去除黑体辐射的响应光谱Intensity0-λ的贡献，最终得到器件发光光谱数据。然后进行波长变换E=1240/λ得到Intensity-E曲线，如图2所示，最后基于高能区谱线数据利用公式I~exp(-E/kT)进行拟合，从而提取热电子温度Te=3406K。

本发明将GaN HEMT器件的在片直流测试系统与显微光谱测试系统相结合，搭建了GaN HEMT器件发光光谱在片测试平台，通过对发光图像和发光光谱的分析实现器件可靠性的在片筛选，避免了划片、封装等一系列可靠性测试的前期准备工序，同时也避免了长时间施加电应力，节约了成本，提高了筛选效率。同时，通过对测试结果的分析，还可以得出材料质量，器件工艺一致性等信息，对材料和器件的优化具有指导意义。

Claims

1.一种GaN HEMT器件可靠性在片筛选的方法，通过测量电致发光强度和光谱实现高可靠性器件的筛选，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

二、基于上述测试平台测试漏压Vdsc,GaN HEMT器件发光强度随栅压Vgs的变化关系；

四、对获得的发光图像及发光光谱进行分析，实现对器件可靠性的评价；

所述的步骤一搭建GaN HEMT器件在片电致发光光谱测试平台，具体包括：

1）准备半导体参数分析仪，探针台，GaN HEMT器件，光学显微镜，单色仪，光电倍增管探测器及控制计算机，2）将半导体参数分析仪通过电缆与探针台相连形成在片器件直流测试平台；3）将GaN HEMT器件固定于探针台上并将探针分别压在栅、源、漏电极上；4）将显微镜、单色仪、光电倍增管探测器组成显微光谱测试系统，并将测试系统的输出端通过GPIB-USB转接头与控制计算机相连接；5）将探针台置于显微镜下，通过调节显微镜使GaN HEMT器件在计算机中清晰成像，最终形成电致发光光谱测试平台；

所述的步骤二中的漏压Vdsc大小要满足以下条件，即当器件夹断电压Vp<栅压Vgs<0时，器件发光，而当Vgs<Vp时，器件不发光；

所述的步骤二中所加的栅压Vgs范围为(V1, V2),其中V1≤Vp, V2≥0V；

所述的步骤三取发光强度最大的偏压点Vgsm作为偏置条件进行发光图像采集以及光谱测试；具体为，1）GaN HEMT器件发光光谱测试条件的选择：分析GaN HEMT发光强度Intensity随Vgs的变化曲线，取发光强度最大的点，此时Vgs=Vgsm；选择Vgs=Vgsm, Vds与上述Intensity-Vgs测量相同作为测试条件进行器件发光光谱测试，在计算机中记录Intensity-λ曲线数据，同时采集计算机中的显微器件发光图像；

2）GaN HEMT器件发光图像的分析：由于器件高压工作下，在栅极边缘存在高场区，而器件发光又与高场下载流子运动有关，因此发光图像与栅条的形状相近，在材料质量较高、器件工艺一致性较好的情况下，器件发光的强度应是均匀的，因此图中高亮度的点发光应由材料缺陷引起，缺陷会降低器件的可靠性，相邻发光条的亮度不一致则由器件工艺一致性引起；光谱范围为波长λ≥325nm；

所述的步骤四对获得的发光图像及发光光谱进行分析，实现对器件可靠性的评价，具体为，1）对发光强度Intensity-波长λ谱线进行校准，2）进行波长变换E=1240/λ，3）基于高能区谱线利用公式Intensity ~exp(-E/kT)提取热电子温度Te。