CN105158666A - 一种测量及表征半导体器件陷阱参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量及表征半导体器件陷阱参数的方法涉及半导体器件可靠性领域。当GaN基HEMT器件栅极处以某一偏压下，在其漏源端加上恒定的电压，其漏极电流会随着时间变化。在较低的功率下，自热效应的影响可以忽略，而此时漏源电流的变化完全由陷阱及缺陷引起，因此，对漏源电流的变化进行提取，处理，分析可以得到其中包含的陷阱及缺陷的相关参数信息。根据这一特性，提出了一种陷阱的RC网络等效模型，并可以测量出陷阱种类数，时间常数大小，俘获电量等参数，测量过程简便，快捷，无损，能够获得器件陷阱参数的信息及其变化。

Description

一种测量及表征半导体器件陷阱参数的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件可靠性领域，主要应用于耗尽型(常开型沟道)GaN基HEMT(GalliumNitrideBasedHighElectronMobilityTransistor)器件的陷阱相关参数的测量与分析。

背景技术

GaN基HEMT器件以其速度快、噪声低、工作电压高、射频输出功率大、耐高温等特点，成为雷达、卫星通信、精密制导和电子对抗设备中新一代关键核心元器件。

出于对器件性能参数、性价比的综合考虑，GaN基HEMT器件多以在SiC、蓝宝石或Si基衬底上外延生长，或在经过转移的GaN基衬底上制备而成。由于其结构特点，加之材料自身特性，在器件的异质材料界面处，尤其是AlGaN/GaN材料界面位置存在大量的缺陷和陷阱。而这是造成器件在高频大功率应用下电学参数退化的重要因素。

目前，对电子陷阱和缺陷表征方法主要以深能级瞬态谱(DLTS)测量为主。DLTS虽然能较好的测量器件陷阱类型，但在陷阱数目测量，测量精度和方便性方面尚存在局限和不足，并且DLTS主要应用于材料级陷阱参数测量，对于小尺寸器件因无法精确获得其电容瞬态而难以实际应用。GaN基HEMT器件中陷阱与缺陷是影响其可靠性的重要因素，但在陷阱与缺陷类型以及数目的准确表征方面尚缺乏有效的手段和技术，亟待需要理论和技术上的突破。

本发明技术可以应用于耗尽型，即常开型沟道GaN基HEMT器件的陷阱参数测量，可以获取陷阱的种类，时间常数及俘获电量等信息，为对GaN基HEMT器件的陷阱效应进一步研究提供了新的测量方法。且该测量方法简便、快捷，无损，可应用于小尺寸器件，适用于电子器件的可靠性测试领域。

发明内容

当GaN基HEMT器件栅极处以某一偏压下，在其漏源端加上恒定的电压，其漏极电流会随着时间变化。其变化原因主要归为两点，一是自热效应引起的漏源电流的变化，一是由不同陷阱对载流子的俘获和发射引起的。在较低的功率下，自热效应的影响可以忽略，而此时漏源电流的变化完全由陷阱及缺陷引起，因此，对漏源电流的变化进行提取，处理，分析可以得到其中包含的陷阱及缺陷的相关参数信息。

根据这一特性，我们提出了一种陷阱的RC网络等效模型，对漏源电流的信息进行处理即可获得模型中各个器件的电学参数，从而获得相关的陷阱信息。

对GaN基HEMT器件漏源加上恒定的电压V_DS后，测其漏源电流瞬态响应曲线I(t)，则其瞬态电阻R(t)可表示为：

$R\left(t\right)=\frac{V_{DS}}{I\left(t\right)}$

我们提出的GaN基HEMT器件陷阱的等效模型为如图1的FosterRC串联网络模型。该模型的合理性在于以下三点。一，陷阱对载流子的俘获与释放速率与陷阱中已俘获的载流子浓度成比例，而这就是一个e指数的衰减和增加的过程；二，陷阱对载流子的俘获和释放过程与电容的充放电的过程完全类似，因此可以用电容来等效陷阱作用；三，实际测量结果表明陷阱作用导致的沟道电流变化符合e指数规律。以上分别从理论，经验，和实践上表明了该模型的正确性与合理性。

在图1中的等效模型中我们假设有三种不同时间常数的陷阱(实际测量中可根据时间常数谱的峰值数量确定陷阱种类数)，分别对应的R₁和C₁；R₂和C₂；R₃和C₃所组成的三个节点，陷阱的时间常数分别为τ₁＝R₁C₁，τ₂＝R₂C₂，τ₃＝R₃C₃，陷阱储存的电荷量即为对应电容上的电荷量，分别为Q₁，Q₂，Q₃。

如附图1所示Foster模型中，在t＝0时刻施加恒定电压V_DS后其瞬态电阻R(t)可以用时间常数的e指数组合表示：

公式中n为R_iC_i节点数(即不同时间常数的陷阱种类数)，取n＝3时即和附图1模型相对应。式中R_i(i＝1,2,3)分别与电阻R₁，R₂，R₃相对应；R_s与电阻Rs相对应；时间常数τ_i(i＝1,2,3)分别等于R₁C₁，R₂C₂，R₃C₃。

当t＝0⁺时刻(瞬态电阻最小)电路总电阻：

当t＝+∞时(稳态)电路总电阻：

$R\left(+\mathrm{\∞}\right)=R_1+R_2+R_3+R_s=\frac{V_{DS}}{I_{\mathrm{\∞}}}$

三个节点的瞬态电阻R′(t)为：

再对R′(t)进行热时间常数谱的反卷积计算可以得到其对应的Foster模型中各个电学器件的参数，从而获得相应陷阱信息，再根据获得的陷阱参数来评估器件的性能。

一种测量及表征半导体器件陷阱参数的方法，其特征在于先建立以下模型：

R₁和C₁并联；R₂和C₂并联；依次类推，R_n和C_n并联后串联组成共n个节点，n个节点串联后和R_s串联，由此组成了包含陷阱效应的沟道的RC网络模型。

其中，n为时间常数谱函数中峰值的个数，即不同时间常数的陷阱的总个数；每一个由R和C组成的节点代表一个时间常数的陷阱，其时间常数值等于RC乘积；R_s为无陷阱作用时的沟道电阻。

包括以下步骤：

1).选择一被测器件，在栅源施加一恒定工作电压V_GS；在漏源两端施加一漏源电压V_DS同时获取漏源电流的瞬态响应I(t)，并保证功率密度P_density＜0.5W/mm；

2).对采集的漏源电流I(t)进行处理，具体步骤如下(1)-(4)式顺序。其中，漏源电压V_DS恒定且已知，

总瞬态电阻：

$R\left(t\right)=\frac{V_{DS}}{I\left(t\right)}---\left(1\right)$

t＝0⁺时刻瞬态电阻最小，

t＝+∞时瞬态电阻最大，

所有节点的瞬态电阻

对R′(t)进行时间常数谱的反卷积计算，解得时间常数谱函数，其中n为峰值的个数，n代表节点的个数即不同时间常数的陷阱，峰值对应的横坐标为其时间常数值τ_i，峰值之间对应的纵坐标的之比为节点之间电阻的之比。

进一步，结合公式(2)和(3)求出R_i，又已知τ_i，求出

进一步，稳态后又τ_i已知，故C_i存储电量Q_i为：

Q_i＝C_i(V_i-V_i+1)＝C_iR_iI_∞＝τ_iI_∞。

在器件经过一段时间使用或者退化后，根据陷阱的R和C数值的变化来评估器件性能，具体如下：

(1)在相同漏源电流测量下，τ_i增加表明该陷阱俘获的电荷量增加；如公式(5)所示；

Q_i＝C_i(V_m-V_m+1)＝C_iR_iI_∞＝τ_iI_∞(5)

(2)在相同漏源电流测量下，R_i的增加将导致其所对应的电流降幅增加，即为器件出现DC电流崩塌；

(3)在相同漏源电流测量下，C_i的增加将导致其所对应的电流下降更快，即为器件出现RF电流崩塌。

(4)本发明提出了一种GaN基HEMT器件的陷阱效应等效模型，并可以测量出陷阱种类数(τ_i数)，时间常数大小，俘获电量等参数，并且能够通过提取的参数来评估器件的性能变化。测量过程简便，快捷，无损，能够获得器件陷阱参数的信息及其变化。

附图说明

图1陷阱作用等效模型；

图2时间常数谱函数；

图3实测GaN基HEMT器件的漏源电流瞬态响应曲线；

图4实例GaN基HEMT器件的时间常数谱；

具体实施方式

1.一种测量及表征半导体器件参数的方法，其特征在于首先建立以下模型：

R₁和C₁并联；R₂和C₂并联；依次类推，R_n和C_n并联后串联组成共n个节点，n个节点串联后和R_s串联，由此组成了包含陷阱效应的沟道的RC网络模型。

其中，n为时间常数谱函数中峰值的个数，即不同时间常数的陷阱的总个数；每一个由R和C组成的节点代表一个时间常数的陷阱，其时间常数值等于RC乘积；R_s为无陷阱作用时的沟道电阻。

2.具体测量及计算步骤

1)选择一被测器件，在栅源施加一恒定工作电压V_GS；在漏源两端施加一较小的(排除自热效应的影响)漏源电压V_DS同时用高速采集卡获取漏源电流的瞬态响应I(t)，并保证功率密度P_density＜0.5W/mm(可以忽略自热效应的影响)。

2)对采集的漏源电流I(t)进行处理，具体步骤如下(1)-(4)式顺序。其中，漏源电压V_DS恒定且已知，

总瞬态电阻：

$R\left(t\right)=\frac{V_{DS}}{I\left(t\right)}---\left(1\right)$

t＝0⁺时刻(瞬态电阻最小，)

t＝+∞时(瞬态电阻最大，稳态)

所有节点的瞬态电阻

3)对R′(t)进行时间常数谱的反卷积计算，解得时间常数谱函数，如附图2所示。峰值的个数代表节点的个数(即不同时间常数的陷阱)，峰值对应的横坐标为其时间常数值τ_i，峰值之间对应的纵坐标的之比为节点之间电阻的之比(R_i∶R_j)。

4)结合公式(2)和(3)即可求出R_i，又τ_i已知，故可以求出。

稳态后又τ_i已知，故C_i存储电量Q_t(陷阱的俘获电量)为：

Q_i＝C_i(V_i-V_i+1)＝C_iR_iI_∞＝τ_iI_∞(5)

其中V_i和V_i+1分别为节点i左右两侧的电势。

3.陷阱参数表征及性能评估

首先，通过上述测量步骤可知器件中存在不同时间常数的陷阱的数量和时间常数值，以及其存储电量。在器件经过一段时间使用或者退化后，可以通过根据陷阱的R和C数值的变化，即时间常数谱峰值的平移或者峰值大小的变化来评估器件性能。

(5)在相同漏源电流测量下，τ_i增加表明该陷阱俘获的电荷量增加。如公式(5)所示。

(6)在相同漏源电流测量下，R_i的增加将导致其所对应的电流降幅增加。即为器件出现DC电流崩塌。

(7)在相同漏源电流测量下，C_i的增加将导致其所对应的电流下降更快。即为器件出现RF电流崩塌。

以上均以陷阱俘获载流子的过程举例，陷阱释放载流子的过程与之相反。

下面给出一测量GaN基HEMT器件陷阱俘获过程的实例。

1.测量一实际GaN基HEMT器件，通过步骤1获取其漏源电流瞬态响应曲线I(t)如附图3所示。

2.通过步骤2计算出R(0⁺)＝R_s＝2.7Ω，得到其所有节点的瞬态电阻R′(t)，再通过步骤3对其进行时间常数谱的反卷积计算，解得时间常数谱函数如附图4所示。其中n＝2；τ₁＝4.5s，τ₂＝48.0s；R₁∶R₂＝0.73；

3.通过步骤4可求出R₁＝0.0354Ω；R₂＝0.0486Ω；

4.通过步骤5可求出V₃＝0V；Q₁＝C₁(V₁-V₂)＝0.165C；Q₂＝C₂(V₂-V₃)＝1.679C；

由上述测量及分析后可获取该GaN基HEMT器件有两种不同时间常数(4.5s和48.0s)陷阱，俘获电量分别为0.165C和1.679C。

Claims (4)

1.一种测量及表征半导体器件陷阱参数的方法，其特征在于先建立以下模型：

R₁和C₁并联；R₂和C₂并联；依次类推，R_n和C_n并联后串联组成共n个节点，n个节点串联后和R₃串联，由此组成了包含陷阱效应的沟道的RC网络模型。

其中，n为时间常数谱函数中峰值的个数，即不同时间常数的陷阱的总个数；每一个由R和C组成的节点代表一个时间常数的陷阱，其时间常数值等于RC乘积；R₃为无陷阱作用时的沟道电阻。

包括以下步骤：

1).选择一被测器件，在栅源施加一恒定工作电压V_GS；在漏源两端施加一漏源电压V_DS同时获取漏源电流的瞬态响应I(t)，并保证功率密度P_denstty＜0.5W/mm；

2).对采集的漏源电流I(t)进行处理，具体步骤如下(1)-(4)式顺序。其中，漏源电压V_DS恒定且已知，

总瞬态电阻：

t＝O⁺时刻瞬态电阻最小，

t＝+∞时瞬态电阻最大，

所有节点的瞬态电阻

对进行时间常数谱的反卷积计算，解得时间常数谱函数，其中n为峰值的个数，n代表节点的个数即不同时间常数的陷阱，峰值对应的横坐标为其时间常数值τ_i，峰值之间对应的纵坐标的之比为节点之间电阻的之比。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

结合公式(2)和(3)求出R_i，又已知τ_i，求出

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

稳态后又τ_i已知，故C_i存储电量Q_i为：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在器件经过一段时间使用或者退化后，根据陷阱的R和C数值的变化来评估器件性能，具体如下：

(1)在相同漏源电流测量下，τ_i增加表明该陷阱俘获的电荷量增加；如公式(5)所示；

Q_t＝C_t(V_m-V_m+1)＝C_tR_tI_∞＝τ_tI_∞(5)

(2)在相同漏源电流测量下，R_i的增加将导致其所对应的电流降幅增加，即为器件出现DC电流崩塌；

(3)在相同漏源电流测量下，C_i的增加将导致其所对应的电流下降更快，即为器件出现RF电流崩塌。