CN112466769A - 圆形电容结构的hemt器件沟道区电场分布测量结构和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种HEMT器件沟道区电场分布测试图形及其制备方法、测试方法，应用于圆形电容结构的HEMT器件，主要解决现有技术不能对HEMT器件沟道电场强度分布进行测量的的问题。其实现方案是：在待测HEMT器件上制作辅助测试结构，即位于栅极和漏极之间势垒层中的一系列欧姆接触电极，然后将被测HEMT器件加上关态偏置，依次测量辅助测试结构中每个欧姆电极到地的电压，最后将相邻电极的电压差值除以待测欧姆电极与栅极距离的差值，即得到沟道电场强度分布。本发明测试方法快速简便，结果准确可靠，能够为后续分析器件耐压特性与提高器件可靠性提供重要依据。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备领域，尤其涉及一种圆形电容结构的HEMT(High ElectronMobility Transistor，高电子迁移率晶体管)器件沟道区电场分布测量方法。
背景技术
近二十余年来，以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体以其禁带宽度大、击穿电场高、热导率较高、化学稳定性强等优异特性而受到广泛关注。特别是与AlGaN、InGaN等材料形成的异质结构HEMT器件，由于材料内在极化效应而在异质结界面处形成高浓度、高迁移率的二维电子气，成为制作高频、大功率半导体电子器件的重要选择。目前，已有部分HEMT器件被用于雷达、移动通信、空天通讯等领域。
GaN基HEMT器件往往工作于高电压状态，随着应用领域需求的发展，HEMT器件的工作电压越来越高。通常，高电压主要存在于器件的栅极与漏极之间，也即栅极与漏极之间存在较高的电场，这也是器件发生击穿的主要区域。然而到目前为止，对于栅漏之间电场的表征基本都依赖于仿真软件等间接方法，而缺少直接的实验方法来进行定量表征。这也使得对于高压HEMT器件沟道区电场分布的表征不够准确，严重影响了对器件击穿机理的理解以及器件击穿电压等性能的进一步提高。
随着GaN基高压大功率器件的进一步发展，对于准确表征器件沟道区电场强度的需求越来越大，因此特别需要一种方法针对HEMT器件沟道区电场分布提供直接的实验数据，为器件相关物理机理的深入理解及性能的提高提供帮助。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构和方法，以便为HEMT器件的材料生长与器件工艺优化，以及可靠性评估提供指导。
为实现上述目的，圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构通过如下步骤制作：
步骤1a：在选定的圆形电容结构的HEMT器件的表面均匀地涂上光刻胶；
步骤1b：使用合适的掩膜版进行曝光，将曝光后的HEMT器件进行显影；
步骤1c：在等离子刻蚀机中将被选定的HEMT器件的势垒层上进行刻蚀环形凹槽，刻蚀位置位于所述栅极和所述漏极之间，且环形凹槽的圆心与栅极重合；所述环形凹槽深度与所述势垒层厚度相同；
步骤1d：在蒸发台中对刻蚀后的HEMT器件表面进行金属蒸发，在所述势垒层的环形凹槽中淀积制备欧姆电极，所蒸发的金属材料与所述HEMT器件的漏电极相同；
步骤1e：对金属蒸发完成的器件进行剥离，将器件表面多余的光刻胶和金属去除，随后在氮气氛围下进行快速热退火，制成测试HEMT器件沟道区电场分布的结构。
所述测试HEMT器件沟道区电场分布的结构为一组具有环形欧姆接触的欧姆电极e1到en的HEMT器件变形件。这些环形欧姆电极的分布情况为：从栅极开始，第1个至第n个环形欧姆电极与栅极之间的距离分别为L1、L2、L3、……、Ln-1、Ln，测试HEMT器件沟道区电场分布的结构的栅漏间距为LDG，环形欧姆电极的宽度应当远小于L1～Ln之中的最小值。
在制作测试HEMT器件沟道区电场分布的结构后，即可利用该结构对HEMT器件沟道区电场分布进行测试，测试方法包括：
步骤2a：将测试HEMT器件沟道区电场分布的结构的漏极、栅极分别加上VD、VG的电压偏置，其中VG需小于器件的阈值电压；
步骤2b：测量每个电极到地的电压V1、V2、V3、……、Vn；
步骤2c：绘制出每个电极到栅极的距离L与环形欧姆电极到地之间的电压V的关系折线图；
步骤2d：根据步骤2c中的折线图，获得被测器件在当前偏置状态下的电场强度分布图：
沟道在L1、L2、L3、……、Ln-1、Ln之间的电场强度分别为
步骤2e：绘制出电极距离L与电场强度E之间的关系图，即沟道电场强度分布图。
本发明测试结果较为精确，L1～Ln越小，n越大，得到的结果越精确。
本发明实施例所提供的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构，结构简单，在现有的HEMT器件的基础上进行设计，易于制作，成本较低；其制备方法，工艺流程简单，便于操作。本发明实施例提供的HEMT器件沟道区电场分布测试方法，能够通过获得较为精确的测量结果，环形欧姆电极间距越小、环形欧姆电极数量越多，得到的结果越精确。测试时，仅需要通过电压表测量辅助测试结构中各个电极到地的电压即可，操作简便。测试出的沟道电场分布有利于对HEMT器件的相关材料及结构进行工艺优化与评估，有利于了解器件的耐压特性和优化，进而为提高HEMT器件可靠性提供新的思路与方案。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅试图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构制作方法流程图；
图2为现有技术的HEMT结构示意图；
图3A为本发明实施例提供的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构剖面示意图；
图3B为本发明实施例提供的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构俯视示意图；
图4为本发明实施例提供的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量方法的电路连接示意图；
图5为本发明实施例提供的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量方法测试的栅极与漏极之间的沟道区电压分布示意图；
图6为本发明实施例提供的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量方法测试的栅极与漏极之间的沟道区电场分布示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本步骤根据图2所示的普通的HEMT器件制备出新的电场强度辅助测试结构，图1为本发明实施例的测试HEMT器件沟道区电场分布的结构制作方法流程图，其步骤如下：
步骤101：在选定的圆形电容结构的HEMT器件的表面涂上光刻胶后，进行甩胶操作使光刻胶均匀分布在选定的HEMT器件表面；所述选定的HEMT器件为现有技术中的常规圆形电容结构的HEMT器件，如图2所示，图2为现有技术的HEMT结构示意图；
步骤102：使用合适的掩膜版进行曝光，将曝光后的器件进行显影；
步骤103：在等离子刻蚀机中对器件进行刻蚀，刻蚀深度与势垒层厚度相同；
步骤104：在蒸发台中对刻蚀后的器件表面进行金属蒸发，电极材料与漏极相同；
步骤105：对金属蒸发完成的器件进行剥离，将多余的光刻胶和金属去除，之后进行快速热退火，形成欧姆接触。
在制作完成测试HEMT器件沟道区电场分布的结构之后，可使用该结构测试HEMT器件沟道区电场分布。
所述测试HEMT器件沟道区电场分布的结构如图3a和3b所示，所述测试结构的栅漏之间包括一组具有欧姆接触的环形欧姆电极302(记为欧姆电极e1到en)，所述欧姆电极与沟道区2DEG(Two-Dimensional Electron Gas，二维电子气)形成欧姆接触。这些环形欧姆电极302的分布情况为：从栅极304开始，第1个至第n个环形欧姆电极302与栅极304之间的距离分别为L1、L2、L3、……、Ln-1、Ln，测试HEMT器件沟道区电场分布的结构301的栅极304和漏极305间距为LDG，每个环形欧姆电极302的宽度应当远小于L1～Ln之中的最小值。
参照图4的电路连接示意图，对HEMT器件进行沟道电场强度分布的测试方法步骤如下：
步骤401：将漏、栅极分别通过第一电压源403、第二电压源402加上VD、VG的电压偏置，其中VG需小于原HEMT器件的阈值电压；
步骤402：通过开关404控制每个环形欧姆电极102的电路开关状况，每次测量时导通一个环形欧姆电极，测量每个环形欧姆电极102到地的电压V1、V2、V3、……、Vn；数据通过电压表401读取；
步骤403：以L1～Ln为横轴，V1～Vn为纵轴绘制出每个环形欧姆电极102到栅极的距离L与电极到地之间的电压V的关系折线图。图5即为坐标曲线图。
步骤404：现有的电场强度的计算公式为
公式意义如下：
电场强度是用来表示电场强弱和方向的物理量，本发明关注电场强度的大小，通常由两点间的电压V除以两点间的间距L来表示电场强度大小。
由于本发明中辅助测试结构的电极相隔很近，故在两个环形欧姆电极之间可以视为均匀电场。因此根据现有的电场强度的公式可得本发明中任意两相邻电极(em和em+1)之间的电场强度为：
步骤405：将步骤202中测得的数据带入到两电极之间的公式中，我们可以计算出沟道电场分布，环形欧姆电极e1到e2之间的电场强度E1为
环形欧姆电极e2到e3之间的电场强度E2为
依此类推，最后环形欧姆电极en到漏极D之间的电场强度En为
这样就已经得到了电场强度随沟道长度分布的数据。图5为本发明实施例提供的测试HEMT器件沟道区电场分布的测试方法测试的栅极与漏极之间的沟道区电压分布示意图。
步骤406：将步骤205中得到的电场强度值E作为纵轴，距离L作为横轴，作出电场强度分布图。图6为本发明实施例提供的测试HEMT器件沟道区电场分布的测试方法测试的栅极与漏极之间的沟道区电场分布示意图。
应当理解，本说明书所描述的多个实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构，其特征在于，包括HEMT器件和多个欧姆电极；
所述HEMT器件的势垒层上刻蚀有环形凹槽，所述环形凹槽的圆心与栅极重合，分布于所述HEMT器件的栅极和漏极之间的势垒层中，且与所述多个欧姆电极一一对应；
所述多个欧姆电极为圆柱环形，插入所述凹槽中，穿透所述势垒层；
所述欧姆电极的分布情况为：从栅极开始，从第1个至第n个电极与栅极的距离分别为L1、L2、L3、……、Ln-1、Ln，所述欧姆电极的长度小于L1～Ln之中的最小值；
所述欧姆电极的厚度与所述HEMT器件的漏极的厚度相等。
2.根据权利要求1所述的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构，其特征在于，所述圆形电容结构的测试HEMT器件沟道区电场分布的结构通过如下步骤制作：
在HEMT器件的表面均匀地涂上光刻胶；
使用掩膜版掩膜并曝光，将曝光后的所述被测HEMT器件进行显影；
使用等离子刻蚀机在所述被测HEMT器件的势垒层上刻蚀环形凹槽，刻蚀位置位于所述栅极和所述漏极之间，且环形凹槽的圆心与所述的HEMT器件的栅极重合；所述环形凹槽深度与所述势垒层厚度相同；
在蒸发台中对HEMT器件表面进行金属蒸发，在所述势垒层的环形凹槽中淀积制备欧姆电极，所蒸发的金属材料与所述HEMT器件的漏极的材料相同；
对金属蒸发完成的HEMT器件进行剥离，将多余的光刻胶和金属材料去除，随后在氮气氛围下进行高温快速热退火，形成插入所述环形凹槽的圆柱环形的欧姆电极。
3.一种圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量方法，其特征在于，应用于权利要求1或2所述的测试圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量结构；包括如下步骤：
接通测量电路之后，测量每个欧姆电极到接地端之间的电压值；所述测量电路包括所述HEMT器件沟道区电场分布测试图形、电压表、栅极电压源和漏极电压源；所述电压表一端接地，另一端与所述欧姆电极分别连接；所述栅极电压源一端连接所述栅极，另一端接地；所述漏极电压源一端连接所述漏极，另一端接地；
根据每个欧姆电极到接地端之间的电压值，计算相邻欧姆电极之间的电场强度，进一步获得栅极到漏极之间的沟道区的电场强度分布。
4.根据权利要求3所述的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量方法，其特征在于，所述相邻电极之间的电场强度通过下述公式计算：
其中，E1、E2……En-1、En为从栅极开始第2欧姆个电极到第1个欧姆电极之间的电场强度、第3个欧姆电极到第2个欧姆电极之间的电场强度、……、第n个欧姆电极到第n-1个欧姆电极之间的电场强度、漏极到第n个电极之间的电场强度；L1、L2、L3、……、Ln-1、Ln为从栅极开始，从第1个欧姆电极至第n个欧姆电极与栅极的距离；LDG为所述栅极和所述漏极之间的间距。
5.根据权利要求3所述的圆形电容结构的HEMT器件沟道区电场分布测量方法，其特征在于，所述电压表设置有一个；所述测量电路接通之后，测量每个欧姆电极到接地端之间的电压值的步骤，具体包括：
导通所述电压表与待测欧姆电极之间的电路；
测量待测欧姆电极与接地端之间的电压值；
断开所述电压表与待测欧姆电极之间的电路。
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