專利名稱：一種GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統及方法，尤其涉及一種 GaN HEMT器件跨導低頻散射特性的測量系統及方法，屬于集成電路技術領域。
背景技術：
由于GaN材料是一種新材料，該材料還處于發展和研究階段，同時其外延生長也處于不成熟的階段，因此在生長過程中會引入位錯或者斷層，這樣會使材料本身引入雜質或者缺陷，同時在器件的不同材料界面處也會引入界面態，并在材料內部存在陷阱等缺陷， 這樣在能帶中就會產生很深的陷阱能級，它們會對器件溝道中的載流子產生捕獲和釋放的過程，這樣就會影響源漏電流的變化，相應的也會影響器件的功率特性，對整個器件的電學特性都有很大影響。陷阱效應會帶來很多不良影響，會導致器件的電流和功率都有很大的降低。由于陷阱所對應能級的時間因子大部分在微秒到毫秒之間，也就是說這些陷阱大部分只能對 IMHz以下的交流信號產生響應，而不會隨著更高頻率的信號發生變化，因為陷阱的充放電過程跟不上更高頻率的信號的變化速率，所以陷阱在很高頻率下基本上不會表現出狀態的改變。因此可以通過對GaN HEMT器件跨導的低頻響應的測量判斷器件中陷阱的多少，進而判斷材料質量和器件工藝制程的可靠性與穩定度，因此它能夠從宏觀上表征材料和器件的好壞。同時由于在大信號模型的建立過程中，也需要考慮陷阱效應，通過跨導的低頻散射特性的測量，可以提取出與陷阱效應相關的部分參數，對GaN HEMT器件大信號模型的建立也很有意義。綜上所述，準確測量GaN HEMT器件的頻率散射特性相當重要。
發明內容
本發明的目的是基于頻散特性可以用于對器件材料質量和器件性能的評估，同時跨導的低頻(IMHz以下)散射特性對器件模型的建立也提供了重要的數據，而且由于器件表面和材料中的陷阱效應主要對IMHz以內的信號產生響應，故為了研究低頻信號對GaN HEMT器件跨導特性的影響，而提供一種GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統及方法。
本發明解決上述技術問題的技術方案如下一種GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統包括第一直流電源、第二直流電源、交流信號提供裝置、電容、電感、電阻、第一電壓表和第二電壓表，所述GaN HEMT器件包括柵極、漏極和源極；所述GaN HEMT器件的源極接地， 所述GaN HEMT器件的漏極和電阻相連，所述電阻和第一直流電源相連，所述第一直流電源用于為GaN HEMT器件的漏極提供正向偏置電壓，所述第一電壓表和電阻相并聯，所述第一電壓表用于測量電阻兩端的電壓；所述GaN HEMT器件的柵極和第二電壓表相并聯，所述第二電壓表用于對GaN HEMT器件的柵源電壓進行監測，所述電容連接在GaN HEMT器件的柵極和交流信號提供裝置之間，所述交流信號提供裝置用于為GaN HEMT器件的柵極提供交流信號，所述電感連接在GaN HEMT器件的柵極和第二直流電源之間，所述第二直流電源用于為GaN HEMT器件的柵極提供負向偏置電壓。
在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。進一步，所述交流信號提供裝置提供的交流信號的幅度小于250mV，交流信號的頻率在IOHz IMHz之間。本發明還提供一種解決上述技術問題的技術方案如下一種GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量方法包括以下步驟
1)調節交流信號提供裝置使其提供不同頻率的交流信號，并監測和電阻R相并聯的第一電壓表，以及與GaN HEMT器件柵極并聯的第二電壓表，分別記錄下不同頻率的交流信號下第一電壓表的讀數Vk和第二電壓表的讀數Vgs ；
2)通過公式IK=VK/R計算出不同頻率的交流信號下流過電阻的電流Ικ，該電流I1^PGaN HEMT器件的漏源電流Ids相等，從而得到GaN HEMT器件的漏源電流和交流信號頻率之間的關系；
3)通過公式gm=Ids/Vgs計算出不同GaNHEMT器件漏源電流Ids對應的GaN HEMT器件的跨導，從而得到GaN HEMT器件的跨導和交流信號頻率之間的關系。本發明的有益效果是通過本發明GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統獲得的GaN HEMT器件跨導特性的測量數據，由于GaN HEMT器件跨導的頻散特性與器件的陷阱效應相關，可以從頻散特性的嚴重程度定性的推斷GaN器件表面態和陷阱的多少，進而判斷材料和器件的優劣；測量數據可以評估外延材料生長質量的好壞，監測工藝一致性和穩定性的程度，從宏觀上定性反映材料和器件性能的優劣；同時頻散特性反映出一種輸出信號相對于輸入信號的延遲特性，包含頻散特性的跨導曲線可以準確表征器件的直流特性， 可以提取大信號模型中與陷阱相關的部分參數，對器件模型的建立也提供了必要的數據， 包含了頻率散射參數的模型可以更加準確的反映器件的實際特性。
圖1為本發明實施例GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統的結構示意圖； 圖2為本發明實施例GaN HEMT器件的跨導和交流信號頻率的變化曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。圖1為本發明實施例GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統的結構示意圖。如圖1所示，所述GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統包括第一直流電源103、第二直流電源108、交流信號提供裝置106、電容105、電感107、電阻101、第一電壓表102和第二電壓表 104，所述GaN HEMT器件100包括柵極、漏極和源極；所述GaN HEMT器件100的源極接地， 所述GaN HEMT器件100的漏極和電阻101相連，所述電阻101和第一直流電源103相連，所述第一直流電源103用于為GaN HEMT器件100的漏極提供正向偏置電壓，所述第一電壓表 102和電阻101相并聯，所述第一電壓表102用于測量電阻101兩端的電壓；所述GaN HEMT 器件100的柵極和第二電壓表104相并聯，所述第二電壓表104用于對GaN HEMT器件100 的柵源電壓進行監測，所述電容105連接在GaN HEMT器件100的柵極和交流信號提供裝置 106之間，所述交流信號提供裝置106用于為GaN HEMT器件100的柵極提供交流信號，所述電感107連接在GaN HEMT器件100的柵極和第二直流電源108之間，所述第二直流電源 108用于為GaN HEMT器件100的柵極提供負向偏置電壓。由于需要在柵極同時加入直流和交流信號激勵，所以需要采用電容把交流信號耦合進來，并且防止直流電源的干擾，直流電源也需要采用電感把交流信號隔離。漏極處連接的外接電阻能夠起到穩定GaN HEMT器件的作用，在本實施例中，所述電阻選取與漏端輸出電阻Rds相當的阻值，一般大于50歐姆， 所以選取100歐或者200歐，但是不同的器件Rds略有差別，需要根據實際情況選取。電感和電容越大越好，這樣隔離效果就越好，也就是選擇能夠找到的最大電感和電容，在本實施例中，電容為幾百uF，電感為自制的電感線圈。在本實施例中，所述GaN HEMT器件在測量時放在Cascade summit 9000探針臺上，采用HP6624A電源中的兩路信號分別給GaN HEMT器件中的柵極和漏極提供偏置電壓， 其中，柵極提供負向偏置電壓，漏極提供正向偏置電壓。所述交流信號提供裝置為Agilent 33220A函數發生器，為柵極提供一個交流信號，幅度為250mV，手動調節頻率的變化，并采用電容耦合進入柵極，防止直流信號對其的干擾，同時柵極的直流偏置采用與電感串聯的方式接入柵極，防止交流信號對直流源的干擾。采用第二電壓表對柵源電壓Vgs進行監測， 在漏極串接一個電阻，其兩端并聯第一電壓表，這樣可以通過IK=VK/R對電流進行監測，再通過計算gm=Ids/Vgs=IK/Vgs，每一個交流信號的頻率，對應著不同的Vgs和Ικ，也就得到不同的gm值，這樣就得到跨導和頻率的對應關系，也就是跨導的頻率散射特性。還可以改變柵壓，從而可以獲得不同柵壓下對應的頻散特性。圖2為本發明實施例GaN HEMT器件的跨導和交流信號頻率的變化曲線圖。如圖 2所示，可以看出在接近于直流狀態的低頻下跨導值稍微大一些，隨著頻率的增加跨導也逐漸減小，到最后IMHz附近最小，如果頻率再往上增加，跨導基本不會變化，因為此時的陷阱已經跟不上高頻信號的變化速率，跨導也不會隨著頻率的繼續增加而不斷下降。GaN材料等化合物半導體材料的高純度生長條件還在不斷發展過程中，因此其界面特性相對于傳統半導體更加復雜，又由于GaN材料的獨特物理特性，在材料界面或者是內部會存在或者是摻雜其他不必要的缺陷，因此在器件表面會存在表面態，內部會引入缺陷，這些都會導致GaN HEMT器件有很多陷阱存在，這些陷阱會導致很多不好的影響，包括柵延遲、漏延遲、電流崩塌、頻率散射等效應。而此處的跨導頻率散射效應，可以用于評價材料的生長質量，監測工藝流程的純凈度和準確性，分析器件的物理特性參數等。本發明GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統測量得到器件跨導隨著頻率的變化關系，可以根據跨導隨頻率變化的劇烈程度，不同結構的器件跨導隨頻率變化，進而分析對比器件材料的生長情況，判斷不同工藝流程對器件特性的影響，同時給GaN HEMT器件的模型提供所需要參數提取數據，頻散參數的引入使得器件模型能夠更好的進行非線性特性的仿真。實踐證明GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量對HEMT器件相關工作的研究提供了很大的指導作用。這種測量方法也適用于GaAs HEMT及其它受到陷阱效應影響的HEMT器件跨導頻散特性的測量。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量系統，其特征在于，所述測量系統包括第一直流電源、第二直流電源、交流信號提供裝置、電容、電感、電阻、第一電壓表和第二電壓表，所述GaN HEMT器件包括柵極、漏極和源極；所述GaN HEMT器件的源極接地，所述GaN HEMT器件的漏極和電阻相連，所述電阻和第一直流電源相連，所述第一直流電源用于為GaN HEMT器件的漏極提供正向偏置電壓，所述第一電壓表和電阻相并聯，所述第一電壓表用于測量電阻兩端的電壓；所述GaN HEMT器件的柵極和第二電壓表相并聯，所述第二電壓表用于對GaN HEMT器件的柵源電壓進行監測，所述電容連接在GaN HEMT器件的柵極和交流信號提供裝置之間，所述交流信號提供裝置用于為GaN HEMT器件的柵極提供交流信號，所述電感連接在GaN HEMT器件的柵極和第二直流電源之間，所述第二直流電源用于為GaN HEMT 器件的柵極提供負向偏置電壓。
2.根據權利要求1所述的GaNHEMT器件跨導頻散特性的測量系統，其特征在于，所述交流信號提供裝置提供的交流信號的幅度小于250mV，交流信號的頻率在IOHz IMHz之間。
3.—種GaN HEMT器件跨導頻散特性的測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟.1)調節交流信號提供裝置使其提供不同頻率的交流信號，并監測和電阻R相并聯的第一電壓表，以及與GaN HEMT器件柵極并聯的第二電壓表，分別記錄下不同頻率的交流信號下第一電壓表的讀數Vk和第二電壓表的讀數Vgs ；.2)通過公式IK=VK/R計算出不同頻率的交流信號下流過電阻的電流Ικ，該電流I1^PGaN HEMT器件的漏源電流Ids相等，從而得到GaN HEMT器件的漏源電流和交流信號頻率之間的關系；.3)通過公式gm=Ids/Vgs計算出不同GaNHEMT器件漏源電流Ids對應的GaN HEMT器件的跨導，從而得到GaN HEMT器件的跨導和交流信號頻率之間的關系。
全文摘要
本發明涉及一種Ga NHEMT器件跨導頻散特性的測量系統及方法，屬于集成電路技術領域。所述測量系統包括第一直流電源、第二直流電源、交流信號提供裝置、電容、電感、電阻、第一電壓表和第二電壓表；漏極和電阻相連，電阻和第一直流電源相連，第一電壓表和電阻相并聯；柵極和第二電壓表相并聯，電容連接在柵極和交流信號提供裝置之間，電感連接在柵極和第二直流電源之間。通過本發明測量系統測得的頻散特性可以推斷器件表面態和陷阱的多少，進而判斷材料和器件的優劣；同時包含頻散特性的跨導曲線可以準確表征器件的直流特性，與模型中頻率散射參數的提取相關，對器件模型的建立也很有意義。
文檔編號G01R27/08GK102565650SQ201010575278
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者劉新宇, 龐磊, 李艷奎, 歐陽思華, 蒲顏, 陳曉娟 申請人:中國科學院微電子研究所