CN107153157B - 双脉冲软开关测试法区分GaN HEMT表面及缓冲层电流坍塌 - Google Patents

双脉冲软开关测试法区分GaN HEMT表面及缓冲层电流坍塌 Download PDF

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Abstract

本发明涉及软脉冲开关测试区分表面及缓冲层电流坍塌方法。双脉冲发生器产生双脉冲，合理设置脉冲参数，将电压应力施加在被测试器件上，器件在电学特性上有明显不同变化，根据器件不同电学特性有效区分表面及缓冲层电流坍塌。本发明提供了一种简单可靠，测试精巧，分析准确的区分GaN表面及缓冲层电流坍塌的方法。

Description

双脉冲软开关测试法区分GaN HEMT表面及缓冲层电流坍塌
技术领域
本发明属于半导体器件测试领域，尤其涉及GaN半导体器件测试领域
本发明可以有效区分GaN半导体器件表面及缓冲层电流坍塌，为区分两种形式的电流坍塌提供了一种可靠方法。
背景技术
GaN材料具有禁带宽度大、击穿电场高等优势，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在微波毫米波功率器件和大功率电力电子器件中有着重要的应用潜力。
当前，可靠性问题是制约GaN器件大规模应用的主要因素，其中GaN器件特有的电流崩塌效应是尤为严峻的，它已经限制了GaN HEMT的开关速度以及微波输出功率。由此，充分理解电流坍塌的主导因素对材料生长、器件制造和工艺优化都有重要的指导意义。
目前对GaN HEMT的电流崩塌效应一种较普遍的测试表征方法是脉冲I-V测试。即在AlGaN/GaN HEMT器件的栅极加上一定范围的脉冲信号，使器件从深度截止状态转换到开启状态，漏极则用直流电压源来扫描，从而得到器件样品的I-V曲线。传统的测试方式包括：1.单脉冲信号扫描；2.同步双脉冲信号扫描。前者测量方法简单，但不能更为全面反映器件在脉冲信号下的工作特性，后者由于瞬态测试期间会诱发额外的不确定电应力因素从而导致测试前的偏置情况是很复杂的，不利于对电流崩塌的进行更加明确细致的研究。
除此之外，AlGaN势垒层表面和GaN缓冲层中的缺陷是引起电流坍塌的两个主要原因，但是目前尚无完善的测量方法对二者加以区分。
发明内容
为了解决当前无法完善区分AlGaN势垒层表面和GaN缓冲层中缺陷引起电流坍塌的问题，本发明提出了一种双脉冲软开关测试方法。该方法可以有效地区分两种电流坍塌，克服了传统双脉冲测试的缺点，解决了无法完善区分由AlGaN势垒层表面和GaN缓冲层中缺陷引起电流坍塌的问题。
本发明的解决方案是：一种双脉冲软开关测试方法，其特征在于：包括双脉冲信号源，测试探针台，图形化测试系统。
双脉冲测试信号源可以产生稳定脉冲信号。该双脉冲信号可以独立调节脉冲宽度和脉冲周期。具有高精确的时钟信号模块，产生双电压脉冲信号的波形生成模块，可以通过时钟信号精确控制波形。
测试探针台具有稳定的测试环境。该探针台具有可抽真空载片台，高性能探针，显微镜模块以及和脉冲信号源连接模块。载片台可以通过抽真空固定测试器件，使器件在测试过程中保持固定。
图形化测试系统要求可以控制测试过程。该系统可以控制脉冲信号源的产生，调节脉冲信号的脉冲宽度和脉冲周期。以曲线或者文档形式显示测试结果，并且可以存储测试数据。
开启所用设备，包括但不限于双脉冲信号源，测试系统以及探针台。探针台用来固定测试器件，双脉冲信号源提供电脉冲信号，测试系统控制双脉冲信号源、显示测试结果并存储测试数据。
将被测器件放置在探针台上，打开真空，器件吸附在探针台上。探针分别和器件电极接触。
测试系统设置双脉冲信号脉宽和周期。根据测试设定参数测试，显示测试结果并存储。
一种双脉冲软开关测试方法，其特征在于：双脉冲软开关测试。传统双脉冲测试两个脉冲同时变化，如图1所示。在区域一，随着栅压增大，器件由关态向开态转换，此时漏压由大电压应力向器件正常开态漏压转换，所以区域一会存在器件处于亚阈值或者半开态同时漏端施加着相对较大的电压应力。一方面会使器件本身受到损坏，另一方面是不确定的电压应力使得器件包括两个引起电流坍塌的过程，即关态时电压应力引起的电流坍塌和半开态时电压应力引起的电流坍塌。所以传统双脉冲测试无法区分两种形式的电流坍塌。双脉冲软开关测试特点在于设置栅压脉冲信号和漏压脉冲信号直接的延迟，使得在漏压脉冲信号由大电压应力转换到正常开态漏压后，栅压脉冲信号才开始跳转，如图2所示。这样就可以有效避免传统双脉冲测试的不确定应力阶段，进而可以区分关态电压应力引起的电流坍塌和半开态电压应力引起的电流坍塌。
本发明的有益效果：本发明测试方法简洁方便，构思精巧，科学合理。使用该方法可以有效区分AlGaN势垒层表面和GaN缓冲层中的缺陷是引起电流坍塌，克服了当前没有完善区分两种电流坍塌的问题。
附图说明
通过参照附图能更加详尽地描述本发明测试方法，在附图中：
图1是传统双脉冲测试波形图；
图2是本发明所述的双脉冲软开关测试波形图；
图3是未钝化器件在双脉冲软开关测试中动态导通电阻随偏置电压应力的变化
图4是钝化器件在双脉冲软开关测试中动态导通电阻随偏置电压应力的变化
具体实施方式
在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，以使本发明的技术特征、创作思路易于明白了解。测量方法包括以下具体步骤：
(1)打开双脉冲信号源，本次测试使用是得科技B1505。B1505可产生双脉冲电压信号，并且可以设置脉冲宽度，周期以及脉冲延迟；
(2)将被测GaN器件放在探针台上，打开真空，把器件固定在探针台上。在显微镜下把探针分别和器件栅极、源极、漏极接触；
(3)测试系统使用B1505配套软件。该软件可以控制B1505，并且可以直观显示测试结果，并将测试结果存储到设定的位置。设置好存储位置后，将脉冲周期均设定为100ms，漏极脉冲宽度为5ms，栅极脉冲宽度为3ms，和漏极脉冲的延迟是1ms；
(4)对未钝化硅基GaN HEMT器件进行测试，设定栅电压应力VGS0和漏电压应力VDS0，利用双脉冲软开关测试方法得到动态导通电阻，将之于器件的静态导通电阻作比实现归一化，归一化后的动态导通电阻随栅电压应力VGS0的变化结果图如图3所示；
(5)对钝化硅基GaN HEMT器件进行测试，设定栅电压应力VGS0和漏电压应力VDS0，利用双脉冲软开关测试方法得到动态导通电阻，将之于器件的静态导通电阻作比实现归一化，归一化后的动态导通电阻随栅电压应力VGS0的变化结果图如图4所示；
(6)对比图3和图4的测量结果，可以看到钝化器件和未钝化器件表现出明显不同的现象。图3中，没有经过氮化硅钝化的器件，电流坍塌明显，并且随着漏端电压增大而增大，表明器件表面是引起电流坍塌的主要原因。图4中，氮化硅钝化后器件电流坍塌被明显地抑制，表明氮化硅是有效的消除表面电流坍塌的钝化层，随着漏端电压的增大，器件电流坍塌表现出了不同于一般观测到的现象在亚阈值区域，器件表现出了相对明显的电流坍塌。在亚阈值区，器件存在较大的电场和相对于关态时更大的电子浓度，此时会存在最多的热电子。我们可以推测，这些具有很高能量的热电子可以进入到缓冲层的缺陷中，在器件从关态到开态的转换中，这些电子会引起电流坍塌。同时可以得到，GaN器件表面和缓冲层电流坍塌有了不同的表现，从而可以有效区分两种电流坍塌。

Claims (3)

1.一种双脉冲软开关测试方法，用于测试区分GaN HEMT器件的表面和缓冲层电流坍塌，其特征在于，包括：
在GaN半导体晶圆上任选若干器件，表征其电流坍塌；将所述器件放置在测试探针台上，打开抽真空装置，将GaN晶圆片吸附在探针台上，测试探针分别与器件的栅、源、漏连接；
利用双脉冲测试信号源产生稳定的脉冲信号，分别加在GaN HEMT的栅极、漏极，源极接地，其中栅极上的脉冲信号在时间上滞后于漏极上的脉冲信号施加，以实现软开关测试，从而保证漏极脉冲信号由大电压应力完全转换到正常开态漏压后，栅极脉冲信号才让器件导通，如此就能避免同步双脉冲时产生的不确定电压应力造成无法区分表面和缓冲层电流坍塌；
设置好双脉冲信号的脉宽和周期、栅极电压应力(VGS0)、漏极电压应力(VDS0)、测试结果的显示和存储，测量得到不同(VGS0，VDS0)下的源漏电流；
根据所述测试电压以及相应的源漏电流，通过欧姆定律算得相应的器件动态导通电阻，将其与静态导通电阻做比，形成归一化的动态导通电阻随栅极电应力的变化特性曲线；根据该特性曲线在亚阈值区域的两种不同的变化趋势来区分GaN HEMT器件的表面和缓冲层电流坍塌，即在该曲线表征的器件亚阈值区域，若变化趋势类似于“铃铛型”，即随着栅极电应力的减小，动态导通电阻先增加后减小，则说明该器件的电流坍塌主要是由缓冲层缺陷引起；若变化趋势随着栅极电应力的减小单调减小则说明该器件的电流坍塌主要是由表面缺陷引起。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：包括双脉冲信号源、测试探针台、图形化测试系统。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：采用双脉冲信号来测量GaN HEMT的电流坍塌，施加的栅应力范围根据所测器件的转移特性曲线来确定，在此范围内，采用固定的幅度递增施加于GaN HEMT的栅端。
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