CN109061429B - 一种利用瞬态电压响应表征GaN HEMT器件中陷阱参数的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用瞬态电压响应表征GaN HEMT器件中陷阱参数的方法涉及半导体器件可靠性领域。当GaN HEMT器件处以某一栅压下，在漏源两端施加一恒定电流，其漏源电压随时间呈现指数增长变化。这种变化是由于陷阱对沟道二维面电子气(2DEG)中的载流子进行俘获或对栅反偏电流中的电子俘获引起的，称之为陷阱俘获过程。如果先对器件施加恒定电应力进行陷阱的填充，应力结束后再测量其恢复响应，即陷阱释放过程。通过对这种陷阱释放过程中的瞬态漏源电压变化进行采集，提取，分析，可以得到器件中陷阱的特性及参数。在不同温度下测量释放过程中的陷阱时间常数，可以绘制陷阱的阿伦尼乌斯方程，从而获取其陷阱能级。

Description

一种利用瞬态电压响应表征GaN HEMT器件中陷阱参数的方法
技术领域
本发明涉及半导体器件可靠性领域，主要应用于GaN HEMT(Gallium NitrideBased High Electron Mobility Transistor)器件中陷阱的测量和表征。
背景技术
GaN HEMT器件是新一代军用及民用的关键核心元器件。因其禁带宽度大，可允许工作电压高，耐高温等特点，故而在高频大功率领域内广泛应用。然而，目前GaN HEMT器件仍然面临着可靠性问题的挑战，其中，以陷阱作用问题最为严峻。陷阱效应是目前造成器件在实际工作状态中输出功率密度大幅度下降的最主要原因之一，仍然制约着该器件的进一步发展。
目前，测试器件陷阱及缺陷的方法主要为传统的深能级瞬态谱(DLTS)。这种方法能较好的测定材料级样品中的能级和陷阱类型，但由于其需要采集变温情况下器件的电容变化，这对于电容信号难以被精确测量的实际小尺寸器件来说难以实现。GaN HEMT器件中陷阱与缺陷是影响其可靠性的重要因素，但在实际器件级中的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。
本发明技术提出了一种通过采集器件漏源端瞬态电压的变化来提取实际器件中的陷阱参数的方法。该技术技术可以应用GaN HEMT器件的陷阱参数测量，可以获取陷阱的种类，时间常数及陷阱能级等信息，为对GaN 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 HEMT器件处以某一栅压下，在漏源两端施加一恒定电流，其漏源电压随时间呈现指数增长变化。这种变化是由于陷阱对沟道二维面电子气(2DEG)中的载流子进行俘获或对栅反偏电流中的电子俘获引起的，称之为陷阱俘获过程。如果先对器件施加恒定电应力进行陷阱的填充，应力结束后再测量其恢复响应，即陷阱释放过程。通过对这种陷阱释放过程中的瞬态漏源电压变化进行采集，提取，分析，可以得到器件中陷阱的特性及参数。此外，可以通过施加不同的电应力填充不同位置的陷阱从而甄别不同的陷阱作用机制。在不同温度下测量释放过程中的陷阱时间常数，可以绘制陷阱的阿伦尼乌斯方程，从而获取其陷阱能级。
一种利用瞬态电压响应测量器件陷阱的方法，其特征在于：
1.选择一待测器件，将其置于一温度为T1的恒温平台或温箱内；对器件施加-5V的30秒脉宽的栅反向偏压脉冲用以填充栅下位置的陷阱，脉冲结束后施加一恒定漏源电流Ids并测量其漏源电压随时间变化，即瞬态漏源电压响应；该漏源电流应控制在产生自热效应范围内(<0.5W)以避免由器件温度变化引起的测量误差。
2.选择一待测器件，将其置于一温度为T1的恒温平台或温箱内；对器件施加一恒定的30秒脉宽的漏源电流脉冲用以填充沟道位置的陷阱，脉冲结束后施加一恒定的且小于填充过程中的漏源电流Ids并测量其漏源电压随时间变化；
3.上述两个步骤分别填充了栅下位置和位于沟道的陷阱，对测得的两组瞬态漏源电压响应进行对数坐标下求导获得其时间常数谱；在步骤1所得的时间常数谱中的峰值即为栅下位置的陷阱，峰值的横坐标即为其陷阱时间常数；在步骤2所得的时间常数谱中的峰值即为沟道位置的陷阱，峰值的横坐标即为其陷阱时间常数；
4.在不同温度下(T2，T3，T4)重复步骤1和步骤2的测量过程，再进行步骤3的瞬态电压响应提取过程，可以绘制陷阱的阿伦尼乌斯方程，拟合直线的斜率即为该陷阱的能级。
本发明首次提出了基于瞬态电压响应提取GaN HEMT器件中陷阱信息参数的方法，这种方法可以提取器件级的陷阱信息，测定陷阱能力和作用机制。
附图说明
图1步骤1和步骤2所对应的电压时序图，能带变化图，陷阱作用机制和实验测量结果；
图2步骤1和步骤2所对应的时间常数谱及阿伦尼乌斯方程。
具体实施方式
下面给出一提取GaN HEMT器件中陷阱信息参数方法的实例。
1.将GaN HEMT样品置于温度为303K的温箱中，在栅上施加30秒-5V的反偏电压脉冲，脉冲结束后立刻在漏源两端施加恒定300mA的测试电流同时采集其漏源电压随温度的变化曲线；以步进5℃的幅度改变温箱温度，在每个温度稳定后重复测量一次；其测量时序图，能带图变化，陷阱作用机制及测量结果如图1的(a)(b)(c)(d)所示。
2.将GaN HEMT样品置于温度为303K的温箱中，在漏源端和栅上同时施加400mA和-1V的陷阱填充脉冲30秒，脉冲结束后立刻在漏源两端施加恒定300mA的测试电流同时采集其漏源电压随温度的变化曲线；以步进5℃的幅度改变温箱温度，在每个温度稳定后重复测量一次；其测量时序图，能带图变化，陷阱作用机制及测量结果如图1的(e)(f)(g)(h)所示。
3.对测量的瞬态电压曲线进行对数坐标下求导，得到其时间常数谱如图2所示，其中(a)为步骤1测量结果的时间常数谱，(b)为步骤2测量结果的时间常数谱；由时间常数谱可知存在两种类型的陷阱，时间常数较短的命名为Trap1，时间常数较长的命名为Trap2，由填充机制可知，Trap1是由栅反偏电压和电流填充而Trap2是由沟道电流填充，故可以确定Trap1位于栅下位置，而Trap2的陷阱作用机制为直接从沟道电流中俘获电子并且其不受温度影响。
4.图2(a)中的内置图展示了Trap1的阿伦尼乌斯方程，其陷阱能级为0.82eV；Trap2的陷阱时间常数不随温度发生变化说明其俘获和释放电子的行为不受热激发影响。

Claims (1)

1.一种利用瞬态电压响应表征GaN HEMT器件中陷阱参数的方法，其特征在于：
1)将待测器件置于一温度为T1的恒温平台或温箱内；对器件施加-5V的30秒脉宽的栅反向偏压脉冲用以填充栅下位置的陷阱，脉冲结束后施加一恒定漏源电流Ids并测量其漏源电压随时间变化，即瞬态漏源电压响应；该漏源电流应控制在产生自热效应范围内以避免由器件温度变化引起的测量误差；
2)将待测器件置于一温度为T1的恒温平台或温箱内；对器件施加一恒定的30秒脉宽的漏源电流脉冲用以填充沟道位置的陷阱，脉冲结束后施加一恒定的且小于填充过程中的漏源电流Ids并测量其漏源电压随时间变化；
3)上述两个步骤分别填充了栅下位置和位于沟道的陷阱，对测得的两组瞬态漏源电压响应进行对数坐标下求导获得其时间常数谱；在步骤1)所得的时间常数谱中的峰值即为栅下位置的陷阱，峰值的横坐标即为其陷阱时间常数；在步骤2)所得的时间常数谱中的峰值即为沟道位置的陷阱，峰值的横坐标即为其陷阱时间常数；
4)在不同温度下重复步骤1)和步骤2)的测量过程，再进行步骤3)的瞬态电压响应提取过程，绘制陷阱的阿伦尼乌斯方程，拟合直线的斜率即为该陷阱的能级。
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