[發明專利]一種利用瞬態電壓響應表征GaN HEMT器件中陷阱參數的方法

有效

• 申請號: 201810654435.6
• 申請日: 2018-06-22
• 公開（公告）號: CN109061429B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 馮士維;鄭翔;張亞民;何鑫;李軒;白昆;潘世杰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種利用瞬態電壓響應表征GaN HEMT器件中陷阱參數的方法涉及半導體器件可靠性領域。當GaN HEMT器件處以某一柵壓下，在漏源兩端施加一恒定電流，其漏源電壓隨時間呈現指數增長變化。這種變化是由于陷阱對溝道二維面電子氣(2DEG)中的載流子進行俘獲或對柵反偏電流中的電子俘獲引起的，稱之為陷阱俘獲過程。如果先對器件施加恒定電應力進行陷阱的填充，應力結束后再測量其恢復響應，即陷阱釋放過程。通過對這種陷阱釋放過程中的瞬態漏源電壓變化進行采集，提取，分析，可以得到器件中陷阱的特性及參數。在不同溫度下測量釋放過程中的陷阱時間常數，可以繪制陷阱的阿倫尼烏斯方程，從而獲取其陷阱能級。

技術領域

本發明涉及半導體器件可靠性領域，主要應用于GaN HEMT(Gallium NitrideBased High Electron Mobility Transistor)器件中陷阱的測量和表征。

背景技術

GaN HEMT器件是新一代軍用及民用的關鍵核心元器件。因其禁帶寬度大，可允許工作電壓高，耐高溫等特點，故而在高頻大功率領域內廣泛應用。然而，目前GaN HEMT器件仍然面臨著可靠性問題的挑戰，其中，以陷阱作用問題最為嚴峻。陷阱效應是目前造成器件在實際工作狀態中輸出功率密度大幅度下降的最主要原因之一，仍然制約著該器件的進一步發展。

目前，測試器件陷阱及缺陷的方法主要為傳統的深能級瞬態譜(DLTS)。這種方法能較好的測定材料級樣品中的能級和陷阱類型，但由于其需要采集變溫情況下器件的電容變化，這對于電容信號難以被精確測量的實際小尺寸器件來說難以實現。GaN HEMT器件中陷阱與缺陷是影響其可靠性的重要因素，但在實際器件級中的陷阱與缺陷類型以及數目的準確表征方面尚缺乏有效的手段和技術，亟待需要理論和技術上的突破。

本發明技術提出了一種通過采集器件漏源端瞬態電壓的變化來提取實際器件中的陷阱參數的方法。該技術技術可以應用GaN HEMT器件的陷阱參數測量，可以獲取陷阱的種類，時間常數及陷阱能級等信息，為對GaN HEMT器件的陷阱效應進一步研究提供了新的測量方法。且該測量方法簡便、快捷，無損，可應用于小尺寸器件，適用于電子器件的可靠性測試領域。

發明內容

當GaN HEMT器件處以某一柵壓下，在漏源兩端施加一恒定電流，其漏源電壓隨時間呈現指數增長變化。這種變化是由于陷阱對溝道二維面電子氣(2DEG)中的載流子進行俘獲或對柵反偏電流中的電子俘獲引起的，稱之為陷阱俘獲過程。如果先對器件施加恒定電應力進行陷阱的填充，應力結束后再測量其恢復響應，即陷阱釋放過程。通過對這種陷阱釋放過程中的瞬態漏源電壓變化進行采集，提取，分析，可以得到器件中陷阱的特性及參數。此外，可以通過施加不同的電應力填充不同位置的陷阱從而甄別不同的陷阱作用機制。在不同溫度下測量釋放過程中的陷阱時間常數，可以繪制陷阱的阿倫尼烏斯方程，從而獲取其陷阱能級。

一種利用瞬態電壓響應測量器件陷阱的方法，其特征在于：

1.選擇一待測器件，將其置于一溫度為T1的恒溫平臺或溫箱內；對器件施加-5V的30秒脈寬的柵反向偏壓脈沖用以填充柵下位置的陷阱，脈沖結束后施加一恒定漏源電流Ids并測量其漏源電壓隨時間變化，即瞬態漏源電壓響應；該漏源電流應控制在產生自熱效應范圍內(0.5W)以避免由器件溫度變化引起的測量誤差。

2.選擇一待測器件，將其置于一溫度為T1的恒溫平臺或溫箱內；對器件施加一恒定的30秒脈寬的漏源電流脈沖用以填充溝道位置的陷阱，脈沖結束后施加一恒定的且小于填充過程中的漏源電流Ids并測量其漏源電壓隨時間變化；

3.上述兩個步驟分別填充了柵下位置和位于溝道的陷阱，對測得的兩組瞬態漏源電壓響應進行對數坐標下求導獲得其時間常數譜；在步驟1所得的時間常數譜中的峰值即為柵下位置的陷阱，峰值的橫坐標即為其陷阱時間常數；在步驟2所得的時間常數譜中的峰值即為溝道位置的陷阱，峰值的橫坐標即為其陷阱時間常數；