CN103593581A - 一种通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，该方法包括：步骤a：测量GaN HEMT漏极电流的瞬态响应；步骤b：对所测瞬态电流进行非线性拟合；步骤c：建立缺陷时间常数与相对密度的关系，并根据相对密度确定缺陷时间常数。本发明是针对目前短栅长器件缺陷时间常数提取方法的设备依赖度高，调试难度大而提出的简化方案，也可以用于长栅长器件的缺陷时间常数提取。

Description

一种通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是一种通过瞬态电流提取缺陷时间常数的方法，用以解决短栅长器件中影响电流退化的缺陷时间常数计算问题。

背景技术

氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的电流崩塌效应是影响器件频率/功率特性和可靠性的重要因素。电流崩塌主要是由材料中的缺陷导致，所以表征分析缺陷是解决电流崩塌的首要内容。

对于栅长在微米级的长栅长的器件，基于电容的缺陷分析技术基本能有效表征，比如电容-电压分析技术(CV技术)，电容深能级瞬态谱(C-DLTS)；但随着栅长继续减小到亚微米级，栅电容的寄生分量(边缘电容)将严重影响缺陷的表征和分析，至此基于电容的缺陷分析技术逐渐不能适应分析需求；目前，对应短栅长器件的深能级缺陷分析主要通过低频噪声技术(LNA)和电流深能级瞬态谱(I-DLTS)，但LNA技术对电磁环境敏感，需要成套设备支撑，I-DLTS也需要昂贵的专用设备支撑和极高温/低温环境，用于振荡波形检测，并且操作需要丰富经验，所以上述两种方法难以作为一般方法普及使用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，以满足一般用户对短栅长器件缺陷时间常数表征的需求。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，该方法包括：

步骤a：测量GaN HEMT漏极电流的瞬态响应；

步骤b：对所测瞬态电流进行非线性拟合；

步骤c：建立缺陷时间常数与相对密度的关系，并根据相对密度确定缺陷时间常数。

上述方案中，步骤a中所述漏极电流的瞬态响应是当器件被施加电压偏置后，漏极电流在时域上的响应，记作I_data。步骤a中所述测量GaNHEMT漏极电流的瞬态响应，测试设备采集电流信号的最小采样间隔小于50ms。

上述方案中，所述步骤b包括：步骤b1：根据缺陷时间常数的分布范围，确定非线性拟合公式；步骤b2：通过迭代计算获得非线性拟合的最优待定参数。

上述方案中，所述步骤b1包括：假设缺陷捕获和释放过程是相互独立的过程，瞬态电流可表达为不同指数分量的总和，即

$I_{\mathrm{fitted}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)+I_{\∞}$

其中，a_i是对应于τ_i的相对缺陷密度，待拟合参数；τ_i是缺陷时间常数，预定义参数；n是具有τ_i参数的指数项项数，需根据拟合精度确定；I_∞是电流常数项，待拟合参数；估算缺陷时间常数分布范围，选取合适的τ_i序列使得基本覆盖缺陷时间常数范围。

上述方案中，步骤b2中所述通过迭代计算获得非线性拟合的最优待定参数，迭代终止的条件是|I_data-I_fitted|²最小。

上述方案中，步骤c中所述缺陷时间常数与相对密度的关系是以τ_i为横坐标，a_i为纵坐标的关系图。步骤c中所述根据相对密度确定缺陷时间常数，是基于该缺陷时间常数与相对密度的关系，根据a_i的幅度确定影响电流变化的缺陷时间常数。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，基于电流参数，可以避免电容的影响，且所需设备简单，仅要求电源具有时间采样功能即可，能够有效地满足一般用户对短栅长器件缺陷时间常数表征的需求。

2、本发明提出的这种获取短栅长器件缺陷时间常数的方法，是基于电流测量的方法，对电流有贡献的缺陷的时间常数均能有效检测出。本发明涉及的技术无需昂贵的专用设备和丰富的测试人员，并且不涉及边缘电容的干扰问题。

附图说明

图1是依照本发明实施例的通过瞬态电流提取缺陷时间常数的方法流程图；

图2是图1中对所测瞬态电流进行非线性拟合的方法流程图；

图3是依照本发明实施例的器件在目标偏置下的漏极电流时域响应及拟合曲线；

图4是依照本发明实施例的缺陷时间常数与相对密度的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。实施例采用GaN HEMT器件作为测试样品。

图1为依照本发明实施例通过瞬态电流提取缺陷时间常数的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤a：测量GaN HEMT漏极电流的瞬态响应。

本步骤中，所述漏电流瞬态响应是指当器件施加电压偏置后，漏电流在时域上的响应，记作I_data。要求测试设备采集电流信号的最小采样间隔小于50ms。

图4中黑色方块是器件在目标偏置下的漏极电流时域响应的测量值。其中目标偏置由测试者自行定义。

步骤b：对所测瞬态电流进行非线性拟合；图2是图1中对所测瞬态电流进行非线性拟合的方法流程图，如图所示，包括以下步骤：

步骤b1：根据缺陷时间常数的分布范围，确定非线性拟合公式；

假设缺陷捕获和释放过程是相互独立的过程，瞬态电流可表达为不同指数分量的总和，即

$I_{\mathrm{fitted}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)+I_{\∞}---\left(1\right)$

其中，a_i是对应于τ_i的相对缺陷密度，待拟合参数；τ_i是缺陷时间常数，预定义参数；n是具有τ_i参数的指数项项数，需根据拟合精度确定；I_∞是电流常数项，待拟合参数；估算缺陷时间常数分布范围，选取合适的τ_i序列使得基本覆盖缺陷时间常数范围。

GaN HEMT器件中影响器件漏电流的缺陷时间常数一般在ms级到s级，所以我们预定义的时间常数τ_i需要尽可能覆盖此范围。考虑到n是所取τ_i序列的总项数，若n越大迭代时间越长，n越小时间常数拟合精度越小，所以必须兼顾运算时间和运算精度。在本实施例中n取46，则τ₁～τ₄₆序列的选择是0.001，0.002，0.003，0.004，0.005，0.006，0.007，0.008，0.009，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05，0.06，0.07，0.08，0.09，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100。

步骤b2：通过迭代计算获得非线性拟合的最优参数；

所述最优参数包括a_i和I_∞，均通过非线性拟合获得。利用origin软件进行非线性拟合，非线性拟合时迭代终止的条件是|I_data-I_fitted|²最小。

步骤c：建立缺陷时间常数与相对密度的关系，并根据相对密度确定缺陷时间常数。

步骤c中所述的关系是以τ_i为横坐标，a_i为纵坐标的关系图(图4)。图中显示存在4个峰值，这些峰值对应的时间常数即为对漏电流起重要影响的缺陷时间常数，分别为55ms，500ms，3s，20s。将这些缺陷时间常数和相对密度回代到拟合公式中，可获得拟合曲线(图3中拟合曲线)，拟合度达0.994，验证了计算的准确性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤a：测量GaN HEMT漏极电流的瞬态响应；

步骤b：对所测瞬态电流进行非线性拟合；

步骤c：建立缺陷时间常数与相对密度的关系，并根据相对密度确定缺陷时间常数。

2.根据权利要求1所述的通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，其特征在于，步骤a中所述漏极电流的瞬态响应是当器件被施加电压偏置后，漏极电流在时域上的响应，记作I_data。

3.根据权利要求1所述的通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，其特征在于，步骤a中所述测量GaN HEMT漏极电流的瞬态响应，测试设备采集电流信号的最小采样间隔小于50ms。

4.根据权利要求1所述的通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，其特征在于，所述步骤b包括：

步骤b1：根据缺陷时间常数的分布范围，确定非线性拟合公式；

步骤b2：通过迭代计算获得非线性拟合的最优待定参数。

5.根据权利要求4所述的通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，其特征在于，所述步骤b1包括：

假设缺陷捕获和释放过程是相互独立的过程，瞬态电流可表达为不同指数分量的总和，即

$I_{\mathrm{fitted}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)+I_{\∞}$

其中，a_i是对应于τ_i的相对缺陷密度，待拟合参数；τ_i是缺陷时间常数，预定义参数；n是具有τ_i参数的指数项项数，需根据拟合精度确定；I_∞是电流常数项，待拟合参数；估算缺陷时间常数分布范围，选取合适的τ_i序列使得基本覆盖缺陷时间常数范围。

6.根据权利要求4所述的通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，其特征在于，步骤b2中所述通过迭代计算获得非线性拟合的最优待定参数，迭代终止的条件是|_Idata-I_fitted|²最小。

7.根据权利要求1所述的通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，其特征在于，步骤c中所述缺陷时间常数与相对密度的关系是以τ_i为横坐标，a_i为纵坐标的关系图。

8.根据权利要求1所述的通过瞬态电流谱提取缺陷时间常数的方法，其特征在于，步骤c中所述根据相对密度确定缺陷时间常数，是基于该缺陷时间常数与相对密度的关系，根据a_i的幅度确定影响电流变化的缺陷时间常数。

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