一種基于電容結構的hemt柵泄漏電流分離結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于電容結構的HEMT柵泄漏電流分離結構，包括具有不同面積的兩個環形肖特基柵電容：第一個肖特基電容和第二個肖特基電容；每個電容為兩端結構，包含一個括柵電極和一個歐姆電極；第二個肖特基電容，其肖特基柵為中間部分沒有淀積柵金屬的環形，柵的外環半徑與第一個肖特基電容的半徑相等，內環半徑為第一個肖特基電容的半徑的0.707倍；兩個肖特基電容的柵極-歐姆電極之間的距離相同。本實用新型具有結構簡單、結果可靠的特點，能廣泛應用于HEMT器件的材料生長與器件工藝優化及后續的可靠性評估等工作中。
【專利說明】—種基于電容結構的HEMT柵泄漏電流分離結構
【技術領域】:
[0001]本實用新型屬于一種基于電容結構的HEMT柵泄漏電流分離結構。
【背景技術】:
[0002]GaN材料具有良好的電學特性，如寬的禁帶寬度、高擊穿電場、較高的熱導率、耐腐蝕、抗輻射等，被譽為第三代半導體材料，尤其是其與AlGaN等材料形成的異質結構晶體管(HEMT)在異質結界面處存在高濃度、高遷移率的二維電子氣，在制作高頻、高溫、高壓、高功率電子器件和微波器件等方面有著巨大的優勢和應用前景。近年來，國內外研究人員對HEMT器件開展了廣泛深入的研究，并取得了長足的進展。
[0003]盡管GaN基HEMT器件在高溫、高頻及高功率微波器件方面有著得天獨厚的優勢，然而可靠性問題是影響其實現大規模商業化應用的一個重要障礙，而其中柵泄漏電流則是引起可靠性問題的一個重要因素。通常，HEMT器件選用金屬作為柵極材料，這種金屬/半導體形成的肖特基柵往往會形成明顯的柵泄漏電流，進而影響HEMT器件的電學性能及長期可靠性。比如，增加HEMT器件在低頻下的噪聲和靜態功耗、誘發電流崩塌現象、減小器件效率以及降低HEMT器件的擊穿電壓進而降低輸出功率等。因此，針對HEMT器件柵泄漏電流的研究非常重要。
[0004]由于HEMT器件的結構特點，其柵泄漏電流往往包括三個部分:體泄漏電流Ibulk、表面泄漏電流Isurt (如圖1所示)以及臺面邊緣泄漏電流，其中臺面邊緣泄漏電流目前已能通過特殊工藝可以實現控制，因而前兩種泄漏電流在柵泄漏電流中占主導地位。體泄漏電流與表面泄漏電流的形成機制各不一樣，因此為了有針對性地開展相關研究，勢必要對這兩部分電流進行定量分離。然而到目前為止，常規的測試結構往往不能對它們實現定量分離，只能進行籠統的測試。近年來，有研究人員提出了基于雙柵的HEMT器件肖特基柵電流分離結構。該結構通過在柵極與漏極歐姆接觸之間增加一個電極來分離出表面泄漏電流。然而該結構使得它與常規HEMT器件在結構上有所區別，不便于用來研究HEMT器件在實際工作狀態下的電學性能及退化情況。
[0005]總的來說，到目前為止，并沒有特別有效的針對HEMT器件肖特基柵泄漏電流進行定量分離的方法。這也給HEMT器件相關的材料生長與器件工藝優化，以及器件失效機理研究及性能評估等進一步研究帶來一定的困難。
【發明內容】
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[0006]本實用新型目的在于提供一種基于電容結構的HEMT柵泄漏電流分離結構，為HEMT器件材料生長與器件工藝優化，以及缺陷表征、可靠性評估等提供幫助。
[0007]為了解決【背景技術】所存在的問題，本實用新型采用以下技術方案:
[0008]一種基于電容結構的HEMT柵泄漏電流分離結構，包括具有不同面積的兩個環形肖特基柵電容:第一個肖特基電容和第二個肖特基電容；
[0009]每個電容為兩端結構，包括一個柵電極和一個歐姆電極；[0010]第二個肖特基電容，其肖特基柵為中間部分沒有淀積柵金屬的環形，柵的外環半徑與第一個肖特基電容的半徑相等，內環半徑為第一個肖特基電容的半徑的0.707倍；
[0011 ] 兩個肖特基電容的柵極-歐姆電極之間的距離相同。
[0012]該結構用于HEMT柵泄漏電流分離時，步驟包括:
[0013](I)保持歐姆電極接地的同時，分別在上述兩個器件的柵極施加負向電壓，同時在柵極串入一個電流表，測量在同一電壓下每個電容的柵極電流的大小。
[0014](2)根據柵極電流的測試結果，結合兩個器件柵結構尺寸的差異，通過對比及數值計算等方法，實現HEMT器件肖特基柵泄漏電流中體泄漏電流與表面泄漏電流的定量分離。
[0015]進一步地，步驟(2)中，對于第一個肖特基電容，假設在某柵壓Vg偏置下，體泄漏電流及表面泄漏電流分別記為Ibulk及Ismf，它們之和為測量得到的結果Igil，其關系如下面公式(I)所示；而對于第二個肖特基電容，同樣的柵壓Vg偏置下，體泄漏電流大小應為
0.5Ibulk，表面泄漏電流大小仍為Isurf，它們之和為實際測量得到的肖特基柵泄漏電流Ig,2，其關系如下面公式(2)所示；
[0016]I&1=Ibulk+Isurt 公式(I)
[0017]Ig，2-0.5Ibulk+Isurf 公式(2)
[0018]聯立上述公式(I) (2)，可以計算得到:
[0019]Ibuik_2 (Ig; 1-1gj 2)
[0020]1耐=218’2-1&1。
[0021]本實用新型對比現有技術有如下的有益效果:本實用新型提出的電流分離結構簡單、易于實現，適用于任意常規HEMT器件；使用常規的半導體參數測試設備，僅僅通過在兩個肖特基柵電容上的電學測量，結合簡單的數值計算，即可獲得HEMT器件肖特基柵泄漏電流中體泄漏電流與表面泄漏電流的大小。因此，具有結構和方法簡單、結果可靠的特點，能廣泛應用于HEMT器件的材料生長與器件工藝優化及后續的可靠性評估等工作中。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0022]圖1為環形結構HEMT中柵泄漏電流組分示意圖；
[0023]圖2為常用HEMT器件柵泄漏電流測試結構電路示意圖；
[0024]圖3為本實用新型所采用的圓形肖特基柵電容結構示意圖；
[0025]圖4為基于本實用新型測試結構的測試結果示意圖；
[0026]圖5為基于本實用新型的測試結構實現的泄漏電流分離結果示意圖；
[0027]圖6為不同柵電極-歐姆電極距離對表面泄漏電流的影響示意圖。
【具體實施方式】:
[0028]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步描述:
[0029]圖1是環形結構HEMT中柵泄漏電流組分示意圖，(a)剖面圖，(b)頂視圖。典型的環形結構HEMT包括兩個電極:肖特基柵電極(Schottky Gate)與歐姆電極(Ohmic)。HEMT器件的柵泄漏電流是影響器件特性的重要因素。如圖(a)所示，HEMT器件柵泄漏電流主要包括兩部分:肖特基柵與歐姆接觸之間的橫向表面泄漏電流(Isurf)與垂直于肖特基柵表面通過勢壘層而形成的體泄漏電流(Ibulk);圖(b)為環形HEMT結構的頂視圖，表面泄漏電流Ismf主要由肖特基柵與歐姆電極之間的高電場產生。本實用新型基于常規HEMT材料結構，采用圓形肖特基柵電容，外圍為環形歐姆電極，因此此結構的肖特基柵泄漏電流中不存在常規HEMT器件中的刻蝕臺面泄漏電流，柵泄漏電流主要由體泄漏電流Ibulk與表面泄漏電流Isurf兩部分組成。
[0030]圖2是常用HEMT器件柵泄漏電流測試結構電路示意圖。測量中，通常保持歐姆電極接地，在柵極串入一電流表，并施加負向電壓vg，記錄對應的電流，即為柵泄漏電流Ig，其包含體泄漏電流(Ibulk)與表面泄漏電流(Isurf)兩部分。
[0031]圖3是本實用新型所采用的環形肖特基電容結構示意圖。其結構主要包括兩個獨立的環形肖特基電容。每個電容包括一個柵電極，一個歐姆電極。對于第一個肖特基電容(電容-1)，其肖特基柵為圓形，半徑為R1，因此其面積為R12,周長為2 JiRltj第二個肖特基電容(電容-2)，其肖特基柵為環形(中間部分沒有淀積柵金屬)，柵的外環半徑為R1，內環半徑為0.707?,因此肖特基柵的實際面積為0.5 π R12,肖特基柵的周長仍然為2 π札。為了使表面泄漏電流具有可比性，必須確保柵電極與歐姆電極之間的電場相同，因此上述兩個器件的柵極-歐姆電極之間的距離相同，均為(R2-R1X上述兩個電容構成了一組針對HEMT肖特基柵泄漏電流中體泄漏電流與表面泄漏電流的分離結構。
[0032]圖4是基于本實用新型測試結構的測試結果示意圖。基于圖3中兩種環形結構肖特基電容，采用圖2測量方法而獲得的柵泄漏電流與電壓偏置的關系曲線。縱坐標為測量得到的柵泄漏電流的絕對值(包含體泄漏電流Ibulk及表面泄漏電流Isurf兩部分)，橫坐標為環形電容柵極與歐姆電極之間的電壓偏置，數值為負。其中粗實線表示圖3中電容-1的測量結果，而虛線表示圖3中電容-2的測量結果。P、Q兩點分別表示同一偏置電壓下，電容-1、電容-2上測量得到的柵泄漏電流為18>1、Ig,2。
[0033]圖5是基于本 實用新型測試結構實現的泄漏電流分離結果示意圖。
[0034]按照圖2的方法，分別在上述兩個肖特基電容的柵極上施加連續的負向掃描電壓，即可獲得柵泄漏電流Ig與柵極偏置電壓Vg的對應關系曲線Ig~Vg，如圖4所示。為了避免逆壓電等效應的影響，柵極偏置電壓Vg的選擇應適中。
[0035]根據HEMT器件柵泄漏電流的產生機理，體泄漏電流Ibulk產生于金屬柵/半導體材料形成的金半結，因此在同樣的柵極-歐姆電極電場下，其大小與金屬/半導體結的面積成正比，而表面泄漏電流Isurf產生于肖特基柵電極與歐姆電極之間的表面電場，因此在圓形肖特基柵中，在柵電極與歐姆電極之間表面電場一定的情況下，Isurf與肖特基柵的周長成正比。
[0036]以本實驗中的結構為例，對于第一個肖特基電容(圖3的電容-1)，假設在某柵壓Vg偏置下，體泄漏電流及表面泄漏電流分別記為Ibulk及Isurt，它們之和為測量得到的結果Igll (點P)，其關系如下面公式(I)所示；而對于第二個肖特基電容(圖3的電容_2)，同樣的柵壓Vg偏置下，由于肖特基柵的面積減小一半，根據體泄漏電流與肖特基柵面積成正比的關系，其體泄漏電流大小應為0.5Ibulk，而其肖特基柵周長不變，因此表面泄漏電流大小仍為Ismf，它們之和為實際測量得到的肖特基柵泄漏電流Ig,2 (點Q)，其關系如下面公式(2)所示。
[0037]Ig；!=Ibul^Isurf (I)
[0038]Ig，2-0.5Ibulk+Isurf (2)[0039]聯立上述公式(I) (2)，可以計算得到:
[0040]I bulk-2 (Ig；「Ig’ 2)
[0041]ISUrf=2Ig,2_Ig, I
[0042]也即對于柵電極半徑為R1，柵與歐姆電極間距為(R2-R1)的環形肖特基電容，其總的柵泄漏電流Ig，i中包含的體泄漏電流Ibulk及表面泄漏電流Isurf分別為2(1&1-1&2)，2Ig,2-1g,10基于此方法，結合圖4的測量結果，可以計算電容-1在任意柵偏置電壓Vg下的體泄漏電流與表面泄漏電流，如圖5所示，進而實現了圓形肖特基電容柵泄漏電流中不同組分泄漏電流的分離。
[0043]即基于圖4中得到的測量結果，結合等式(I)與(2)，可以得到圖3中電容-1的兩種柵泄漏電流Isurf與Ibulk。
[0044]上述柵泄漏電流分離結構及方法還可以用于HEMT器件的相關研究中。圖6是不同柵電極-歐姆電極距離對表面泄漏電流的影響示意圖。隨著HEMT器件的發展，器件尺寸越來越小，肖特基柵電極與歐姆電極的距離越來越小，其對表面柵泄漏電流的影響越來越大，因此對其的定量表征越來越重要。基于圖3中的環形結構，改變肖特基柵電極與歐姆電極的距離(也即(R2-R1)的大小)，利用本發明提出的分離方法，即可獲得固定電壓偏置下不同柵電極-歐姆電極距離對表面泄漏電流的影響關系，為小尺寸HEMT器件的設計提供指導。
[0045]本實用新型采用兩個面積不同，但周長、器件結構及制備工藝等完全一致的環形肖特基柵電容，根據體泄漏電流與表面泄漏電流不同的產生機理，可以得到它們之間的關系。結合相同柵偏置電壓下兩個肖特基柵電容上實際測量的柵泄漏電流，可以定量計算出柵泄漏電流中不同組分的大小。該結構提出的電流分離結構簡單、易于實現，適合于任意常規HEMT器件；僅需使用常規的半導體參數測試設備，通過簡單的電學測量，結合相關計算，即可獲得可靠的結果。因此，具有結構簡單、結果可靠的特點，能廣泛應用于HEMT器件的材料生長、缺陷表征、器件工藝優化及后續的可靠性評估等工作中。
[0046]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，顯然對于本領域的專業人員來說，在了解本發明的內容和原理后，在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于電容結構的HEMT柵泄漏電流分離結構，其特征在于，包括具有不同面積的兩個環形肖特基柵電容:第一個肖特基電容和第二個肖特基電容； 每個電容為兩端結構，包含一個括柵電極和一個歐姆電極； 第二個肖特基電容，其肖特基柵為中間部分沒有淀積柵金屬的環形，柵的外環半徑與第一個肖特基電容的半徑相等，內環半徑為第一個肖特基電容的半徑的0.707倍； 兩個肖特基電容的柵極-歐姆電極之間的距離相同。
【文檔編號】H01L29/92GK203733810SQ201320766525
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2013年11月27日
【發明者】鄭雪峰, 范爽, 郝躍, 王沖, 孫偉偉 申請人:西安電子科技大學