專利名稱：一種GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法
技術領域：
本發明涉及一種肖特基參數提取方法，尤其涉及一種針對GaN HEMT器 件肖特基正向I-V特性曲線在低壓區出現凹進的新現象而提出的提參方法， 屬于半導體器件技術領域。
背景技術：
在研制GaN HEMT時，為了獲得非常高的跨導，柵與半導體GaN形成的 肖特基結構的制作好壞是非常關鍵的，而肖特基電學參數的精確提取對器件 建模、可靠性評價等都有著重要意義，尤其在進行可靠性實驗數據的對比時， 精確的測量對于結果的影響尤為重要。
一般的I-V標準法對肖特基特性曲線提取參數時主要涉及到兩段曲線， 這兩段曲線圍成的區域分別為低壓線性區和高壓電阻區。然而，在對器件進 行高溫存儲評估后，發現肖特基正向I -V特性曲線已經不是原先的標準曲線， 而是在線性段出現了明顯的凹進或者飽和現象，即所述肖特基正向I-V特性 曲線已經變成四段曲線。這對參數的提取造成了障礙，使得原先的I-V標準 法已經不適用于此類曲線。
發明內容
本發明針對GaN HEMT器件在進行高溫存儲評估后，其肖特基正向I-V 特性曲線已經不是原先的標準曲線，而是在線性段出現明顯的凹進或者飽和 現象，這對參數的提取造成了障礙，使得原先的I-V標準法已經不適用于此 類曲線的不足，提供了 一種GaN HEMT器件的參數提取方法。本發明解決上述技術問題的技術方案如下 一種GaN服MT器件的肖特 基參數提取方法，所述GaN HEMT器件的等效電路模型是由背對背式的第一 二極管和第二二極管串聯而成，所述第一二極管是金屬和AlGaN之間的肖特 基二極管，所述第二二極管是在AlGaN/GaN異質結界面上的等效二極管；所 述GaN服MT器件的肖特基正向I-V特性曲線由依次相連的第一段曲線Cl、 第二段曲線C2、第三段曲線C3和第四段曲線C4組成，所述四段曲線之間以 拐點為界，其包括以下步驟
步驟a:分析所迷肖特基正向I-V特性曲線中的第三段曲線C3對應的物 理過程，所述第三段曲線C3對應了電壓全部施加在所述第一二極管上產生 電流的物理過程，此時電壓不再施加在所述第二二極管上，所述第三段曲線 C3包括一段線性區，所述線性區位于所述GaN HEMT器件的開啟電壓對應的 曲線上的點與所述第二段曲線C2和第三段曲線C3之間的拐點之間；
步驟b:對所述第三段曲線C3進行線性擬合得到直線F3,其斜率為^ ， 根據所述直線F3的斜率&求出所述第一二極管的肖特基接觸的理想因子巧 和實際勢壘高度^。
進一步，所述步驟b中求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高
度^的步驟具體包括
步驟bl:利用公式仍^^Tln^I求出所述第一二極管的肖特基接觸的
外觀勢壘高度^',其中，k為波爾茲曼常數，T為開爾文溫度，J'為里查遜 常數，A為柵截面面積，；。為直線F3與Y軸的交點；
步驟b2:對所述第一段曲線Cl和第二段曲線C2進行線性擬合分別得到
直線Fl和直線F2，利用所述直線F2與直線F3的交點O和所述交點O到Y
軸的投影線與直線Fl的交點O',求出所述交點O的橫坐標和交點O'的橫坐
標之間的差值，即為施加在所述第二二極管上的偏壓&;
步驟b3:結合所述肖特基正向I-V特性曲線中電流 電壓的關系，利用 施加在所述第二二極管上的偏壓^，對仍'進行修正，求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高度^ 。
進一步，所述步驟b中求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高
度^的步驟具體為將所述直線F3平移至低壓區，并經過0，1V對應的電流
點，利用公式p,ytrin^^,求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘
々"o
高度^，其中，k為波爾茲曼常數，T為開爾文溫度，」'為里查遜常數，A 為柵截面面積，/g、。'為直線F3平移至低壓區后與Y軸的交點。
本發明的有益效果是本發明的參數提取方法適用于高溫存儲后肖特基 正向I-V特性曲線在低壓區出現凹進現象的GaN HEMT器件，而此時傳統的 I-V標準提參方法已不能完全適用，將應用所述方法提取的參數值代回模型 后得到的數據與實測數據基本吻合。
圖1為本發明實施例GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法的流程圖； 圖2為本發明實施例GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲線示意圖； 圖3為本發明實施例GaN HEMT器件中兩個背對背式二極管的能帶示意
圖4為本發明實施例一 GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法的流程圖； 圖5為本發明實施例二GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法的流程圖； 圖6為本發明實施例GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲線實際測 量值和擬合值的對比示意圖。
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器件的肖特基參數提取方法的流程圖。 如圖l所示，所述參數提取方法是針對高溫存儲后肖特基正向I-V特性曲線在低壓區即電壓小于開啟電壓的區域出現凹進現象的GaN HEMT器件進行肖 特基參數提取，其包括以下步驟
步驟ll:分析GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲線中的第三段曲 線C3對應的物理過程，所述第三段曲線C3對應了電壓全部施加在所述第一 二極管上產生電流的物理過程，此時電壓不再施加在所述第二二極管上，所 述第三段曲線C3包括一段線性區，所述線性區位于所述GaN HEMT器件的開 啟電壓對應的曲線上的點與所述第二段曲線C2和第三段曲線C3之間的拐點 之間。
圖2為本發明實施例GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲線示意圖。 如圖2所示，所述肖特基正向I-V特性曲線由依次相連的第一段曲線C1、第 二段曲線C2、第三^:曲線C3和第四段曲線C4組成，所述四段曲線的分界點 為整個肖特基正向i-v特性曲線的拐點，圖示中的肖特基正向I-V特性曲線 具有三個拐點，故其可以劃分成四段曲線。在本步驟中，分析所述各段曲線 物理過程的方法為圖3為本發明實施例GaN服MT器件中兩個背對背式二 極管的能帶示意圖，結合能帶理論可分析，隨著Vg的變化，費米能級與導 帶的相對位置會發生變化，根據這種變化可以判斷Vg對兩個二極管能帶的 具體影響，從而分析出各^a曲線的物理過程。如圖3所示，所述GaN HEMT 器件的等效電路模型是由背對背式的第一二極管和第二二極管串聯而成，所 述第一二極管是金屬和AlGaN之間的肖特基二極管，所述第二二極管是在 AlGaN/GaN異質結界面上的等效二極管，此時AlGaN/GaN異質結界面上有數 量非常大的電子，即二維電子氣，相當于金屬板，起導電作用。當正向電壓 加到金屬上時，而二維電子氣是接地的，金屬/AlGaN肖特基二極管處于正向 偏壓下，而異質結界面上的第二二極管是處于反向偏壓下。當正向偏壓不是 很大時，大部分的外加電壓^降在金屬/AlGaN接觸上，即第一二極管上(對 應于第一段曲線C1);當正向偏壓變大時，在大正向偏壓下異質結界面上的第二二極管變為主導作用(對應于第二段曲線C2)。在大正向偏壓下，曲線 偏離直線的電壓差)^被異質結界面的第二二極管承擔，此時該第二二極管是 反向偏壓。
當電壓到達電壓Vf時，其中電壓￥*是所述直線F2和直線F3交點-鏡坐 標對應的電壓值，GaN體內費米能級接近或等于第二二極管的勢壘峰值，勢 壘不在具有阻擋作用，電流可以順利的通過第二二極管，再增加的電壓^就 不會施加在第二二才及管上，而是全部加在第一二極管上，所以所述第三段曲 線C3對應的區域是對第一肖特基二極管I-V特性的實際反應，所述第三段 曲線C3包括一段線性區，所述線性區位于所述GaN HEMT器件的開啟電壓對 應的曲線上的點與所述第二段曲線(C2)和第三段曲線(C3)之間的拐點之間， 可以通過該線性區獲得第一二極管的理想因子",和外觀勢壘高度< 。
步驟12:對所述第三段曲線C3進行線性擬合得到直線F3，其斜率為& ，
根據所述直線F3的斜率&求出所述第一二極管的肖特基接觸的理想因子nj
和實際勢壘高度^。
對所述第三段曲線C3進行線性擬合后得到直線F3,其斜率為& ，利用
"^"^可得",，其中，q為電子電量，k為波爾茲曼常數，T為開爾文溫度。
實施例一
圖4為本發明實施例一 GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法的流程圖。 如圖4所示，所述方法包括以下步驟
步驟201:分析GaNHEMT器件的肖特基正向I-V特性曲線中的第一段曲 線Cl、第二段曲線C2和第三段曲線C3對應的物理過程。
步驟202:對所述第三段曲線C3進行線性擬合得到直線F3,其斜率為& ，
根據所述直線F3的斜率&求出所述第一二極管的肖特基接觸的理想因子"i
和外觀勢壘高度^。
對所述第三段曲線C3進行線性擬合后得到直線F3，其斜率為&，利用","^可得巧。而<可以通過< =^111^~^求得，其中/^為直線F3與Y
軸的交點。該A'不是實際勢壘高度，它包含了第二二極管對曲線的影響，必 須通過修正得到實際勢壘高度。
步驟203:對所述第一段曲線Cl和第二段曲線C2進行線性擬合分別得 到直線Fl和直線F2,利用所述直線Fl和直線F2的位置關系求出施加在所 述第二二極管上的偏壓^。
對所述第一段曲線Cl進行線性擬合后得到直線Fl，對所述第二段曲線 C2進行線性擬合得到直線F2，所述直線F2是第二二極管開始限流后起主導 作用的區域，其與直線F3的交點為O,所述交點O到Y軸的投影線與直線 Fl的交點為O',所述交點O的橫坐標和交點O'的橫坐標之間的差值即為施加 在所述第二二極管上的偏壓K,即^ = ^。
步驟204:結合所述肖特基正向I-V特性曲線中電流和電壓的關系，對仍' 進行修正，求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高度仍。
所述第一二極管的電流可表達為
^二/Jexp(《)^/"Ar) — 1]…(1)，
所述第二二極管的電流可表達為
4=7i2[eXp(#2/"2^) —1]…(2), 柵源電壓表達為
/52 =x4*r2e-，2"r...(5),
其中，4為第一肖特基二極管即第一二極管的飽和電流，/、2為第二肖特
基二極管即第二二極管的飽和電流，巧為第一肖特基二極管的理想因子，n2 為第二肖特基二極管的理想因子，A為柵串聯電阻，Z為里查遜常數，A為 柵截面面積，T為開爾文溫度，k為波爾茲曼常數，q為電子電量，^為所述
、=K+r2+W.(3)，第一二極管在熱平衡時的勢壘高度，^為所述第二二極管在熱平衡時的勢壘 高度。
如圖1所示，當電流急劇上升后(對應于圖2中的第三段曲線C3),通
過公式(l) ~ (5)可以推導出，所述第一二極管上的I-V關系又可以表達為 ;=* r2e—州/Ar [expto( 、 一 F2) / "^r) — 1]…(6)， 若^—K2^3"^r…(7),可推導出以下公式
A4*7" e！7 , e「 ^ =&rin-----^…(8)
;。
A ". °
此時的《,為所述直線F3對應的理想因子，/gs。為所述直線F3與Y軸的交 點，^為所述第一二極管的實際勢壘，所述第二二極管電壓^是用Chen的 模型來求得的。
實施例二
圖5為本發明實施例二 GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法的流程圖。 如圖5所示，所述方法包括以下步驟
步驟301:分析GaNHEMT器件的肖特基正向I-V特性曲線中的第三段曲 線C3對應的物理過程。
所述第三段曲線C3對應了電壓全部施加在所述第一二極管上產生電流 的物理過程，此時電壓不再施加在所述第二二^l管上，所述第三段曲線C3 包括一段線性區，所述線性區位于所述GaN HEMT器件的開啟電壓對應的曲 線上的點與所述第二段曲線C2和第三段曲線C3之間的拐點之間。
步驟302:對所述第三段曲線C3進行線性擬合得到直線F3，其斜率為& ，
根據所述直線F3的斜率&求出所述第一二極管的肖特基接觸的理想因子巧，
將直線F3平移至低壓區，并經過O. 1V對應的電流點，求出所述第一二極管
的肖特基接觸的實際勢壘高度a 。
對所述第三段曲線C3進行線性擬合后得到直線F3，其斜率為& ，利用",=可得A 。所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高度仍的計算是
將所述直線F3平移至低壓區，并經過O. 1V對應的電流點，此時用直線與Y 軸的交點；'求第一二極管的W,公式為
A "rin^^…(9)。
I-V標準法選4奪線性區的前提是r 2 3;tr ,那么線性區的第 一個點的電壓 需要在0. 077V之后，選取O. 1V既滿足要求，偏差小，又方便半導體參數分 析儀的步進設置。兩種方法計算第一二極管的^相差0. 002ev，有^艮好的一 致性。
另外，第二二極管參數的提取仍按Chen的模型，第二二極管的^計算 得0. 55ev,而Al組分為0. 3的AlGaN/AlN/GaN異質結構的％能帶仿真結果 為0. 61ev，與計算的數據符合的較好。
將用實施例 一或者實施例二的方法提參獲得的參數值回代肖特基模型 后均能夠獲得與實測數據很好的吻合。圖6為本發明實施例GaN HEMT器件 的肖特基正向i-v特性曲線實際測量值(點劃線)和擬合值(實線)的對比 示意圖。如圖6所示，該圖是半對數坐標圖，更能細致的表現正向肖特基曲 線擬合的吻合度，可以看出兩條線基本上是吻合的，其中，擬合曲線在高壓 下的偏離是由于串聯電阻的影響。
本發明的參數提取方法適用于高溫存儲后肖特基正向I-V特性曲線在低 壓區出現凹進現象的GaN服MT器件，而此時傳統的I-V標準提參方法已不 能完全適用，將應用所述方法提取的參數值代回模型后得到的數據與實測數 據基本吻合。
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器件的肖特基參數提取方法，所述GaN HEMT器件的等效電路模型是由背對背式的第一二極管和第二二極管串聯而成，所述第一二極管是金屬和AlGaN之間的肖特基二極管，所述第二二極管是在AlGaN/GaN異質結界面上的等效二極管；所述GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲線由依次相連的第一段曲線(C1)、第二段曲線(C2)、第三段曲線(C3)和第四段曲線(C4)組成，所述四段曲線之間以拐點為界，其特征在于，所述肖特基參數提取方法包括以下步驟步驟a分析所述肖特基正向I-V特性曲線中的第三段曲線(C3)對應的物理過程，所述第三段曲線(C3)對應了電壓全部施加在所述第一二極管上產生電流的物理過程，此時電壓不再施加在所述第二二極管上，所述第三段曲線(C3)包括一段線性區，所述線性區位于所述GaN HEMT器件的開啟電壓對應的曲線上的點與所述第二段曲線(C2)和第三段曲線(C3)之間的拐點之間；步驟b對所述第三段曲線(C3)的線性區進行線性擬合得到直線(F3)，其斜率為k3，根據所述直線(F3)的斜率k3求出所述第一二極管的肖特基接觸的理想因子n1和實際勢壘高度 id="icf0001" file="A2009100924390002C1.tif" wi="5" he="3" top= "168" left = "86" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>
2. 根據權利要求1所述的GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法，其特 征在于，所述步驟b中求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高度^ 的步驟具體包括步驟bl:利用公式^-ytrin^^求出所述第一二極管的肖特基接觸的外觀勢壘高度^'，其中，k為波爾茲曼常數，T為開爾文溫度，丫為里查遜 常數，A為柵截面面積，乙、。為直線(F3)與Y軸的交點；步驟b2:對所述第一段曲線(Cl)和第二段曲線(C2)進行線性擬合分別得到直線(Fl)和直線(F2)，利用所述直線(F2)與直線(F3)的交點(0)和所述交點(0)到Y軸的投影線與直線(Fl)的交點，求出所述交點(O)的橫坐標和交點(CO的一黃坐標之間的差值，即為施加在所述第二二極管上的偏壓^; 步驟b3:結合所述肖特基正向I-V特性曲線中電流和電壓的關系，利用施加在所述第二二極管上的偏壓^，對^'進行修正，求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高度^'。
3.根據權利要求1所述的GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法，其特 征在于，所述步驟b中求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高度^ 的步驟具體為將所述直線(F3)平移至低壓區，并經過O. 1V對應的電流點，利用公式a = W In !f,求出所述第一二極管的肖特基接觸的實際勢壘高度^，其中，k為波爾茲曼常數，T為開爾文溫度，丫為里查遜常數，A為柵截 面面積，乙。'為直線(F3)平移至低壓區后與Y軸的交點。
全文摘要
本發明涉及一種GaN HEMT器件的肖特基參數提取方法，屬于半導體器件技術領域。所述方法包括以下步驟分析所述肖特基正向I-V特性曲線中的第三段曲線對應的物理過程，所述第三段曲線對應了電壓全部施加在所述第一二極管上產生電流的物理過程，此時電壓不再施加在所述第二二極管上，所述第三段曲線包括一段線性區；對所述第三段曲線進行線性擬合得到斜率為k<sub>3</sub>的直線，根據所述直線的斜率k<sub>3</sub>，求出第一二極管的肖特基接觸的理想因子n<sub>1</sub>和實際勢壘高度φ<sub>1</sub>。本發明的參數提取方法是針對GaN HEMT器件高溫存儲后肖特基正向I-V特性曲線出現凹進的新現象而提出的，應用所述方法提取的參數值與實際值基本吻合。
文檔編號G06F17/50GK101655883SQ200910092439
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月8日 優先權日2009年9月8日
發明者劉新宇, 王鑫華, 妙 趙 申請人:中國科學院微電子研究所