CN105891693B - 一种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法。该方法首先制作便于分析栅漏电流特性的圆形肖特基二极管结构，对其施加持续的反向应力，测量应力前后的温度依赖电流‑电压曲线；然后通过拟合不同温度下的正向隧穿电流，根据饱和隧穿电流和隧穿参数与温度的关系，外推确定应力前后绝对零度下的器件饱和隧穿电流值和隧穿参数值；最后计算求得应力引起势垒层缺陷密度的变化，实现对GaN基HEMT退化的检测。本发明采用一种简单的方法实现了对应力引起的势垒层缺陷密度的检测，有助于分析GaN基HEMT器件的退化机制和退化过程。

Description

一种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法
技术领域
本发明涉及GaN基HEMT可靠性分析技术领域，尤其涉及一种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法。
背景技术
与传统窄禁带半导体相比，宽禁带GaN半导体具有高击穿电场、高电子饱和速度和高热稳定性等优越的物理特性。尤其是存在较强的极化效应的AlGaN/GaN或InAlN/GaN异质结，能在异质界面处诱导高浓度的二维电子气，是HEMT的核心结构。但是，当GaN基HEMT工作在高反向栅极偏压模式时，器件的漏电流会随着电压施加时间出现持续的增加。漏电流增大会增加器件的功率损耗，所以该退化严重阻碍其大规模商业化应用。众多关于退化的研究指出：当器件工作在较高的反向栅极偏压下，边缘场效应在栅电极边缘形成高电场，高场应力在势垒层引入大量的缺陷，从而导致器件的漏电流的显著增加。由此可见，势垒层的缺陷密度直接影响GaN基HEMT器件的整体性能，对应力前后势垒层缺陷密度变化的检测尤为重要。本发明旨在通过电流拟合和计算的方法检测应力在势垒层产生的缺陷密度，该方法有助于分析器件退化机制和退化过程，并提高器件的可靠性。
目前常用的获得势垒层缺陷(位错)密度的方法是使用阴极发光显微镜(CL)。但是，该方法只能获得未制作成器件的外延片或者经过刻蚀处理的器件的势垒层位错密度，无法直接测试已制成的器件，且测试相对复杂，测试结果不准确，无法准确判定应力对器件的影响。
本发明的目的就是针对现有技术上的不足，提供一种检测应力产生的缺陷密度的新方法。通过制作方便测试栅漏电流特性的圆形肖特基二极管结构，结合已有的电流模型以及缺陷引起电流变化的相关性，通过一系列的拟合和分析获得应力产生的缺陷密度。在进行拟合和计算的过程中，有助于分析GaN基HEMT器件的退化机制和退化过程。该方法测试结果准确，对于分析GaN基HEMT器件的退化和提高其工作的可靠性具有重要的意义。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法，通过制作便于分析栅漏电流特性的圆形肖特基二极管结构，对其进行应力测试，通过测量和拟合应力前后温度依赖正向隧穿电流，结合已有电流模型以及电流变化同缺陷之间的相关性，通过一系列的拟合和计算求得应力引起的势垒层缺陷密度，实现对GaN基HEMT退化的检测。
本发明通过如下技术方案实现：
为达到上述目的，本发明提供了一种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法，该方法通过制作圆形肖特基二极管结构，对其施加持续的反向应力，并测量应力前后的温度依赖电流-电压(I-V)曲线，通过拟合不同温度下的正向隧穿电流，根据饱和隧穿电流和隧穿参数与温度的关系，外推确定应力前后绝对零度下的器件饱和隧穿电流值和隧穿参数值，根据计算求得应力引起势垒层缺陷密度的变化，实现对GaN基HEMT退化的检测。上述方案中，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、在GaN基异质结外延片上制作圆形肖特基二极管结构；
步骤2、对制备的肖特基二极管进行应力测试，分别获得应力前后的不同温度下的I-V曲线；
步骤3：结合已有的隧穿电流模型，拟合应力前后不同温度下的正向隧穿电流，获得应力前后不同温度下的饱和隧穿电流和隧穿参数；
步骤4、根据饱和隧穿电流和隧穿参数与温度的关系，获得绝对零度下的饱和隧穿电流值和隧穿参数值；
步骤5、根据绝对零度饱和隧穿电流值和隧穿参数值，确定应力前后的势垒层缺陷密度，实现对GaN基HEMT器件退化的检测。
上述方案中，步骤1包括：制作圆形肖特基二极管结构，对外延材料进行表面清洗，蒸镀肖特基金属Ni/Au，蒸镀欧姆金属Ti/Al/Ti/Au，完成圆形肖特基结构的制作；其中所述的肖特基二极管直径大小为100μm，与欧姆接触相距20μm。
上述方案中，步骤2中所述应力测试为施加持续一段时间的反向电压，例如-10V，持续时间5min。
上述方案中，步骤2是测试应力前后不同温度下的电流电压曲线。例如：300K，350K，400K，450K，500K。
本发明提供的这种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法，对测试仪器要求低，且能够准确检测应力在器件势垒层产生的缺陷密度，对于分析GaN基HEMT器件的的退化过程及提高其工作可靠性具有重要的意义。
附图说明
图1是制作完成的肖特基二极管结构的圆形电极图形；
图2是参数提取流程图；
图3是室温应力前后的正反向I-V曲线；
图4是室温应力前后的正向隧穿电流的拟合结果；
图5是拟合获得的应力前后的饱和隧穿电流和隧穿参数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
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。
本发明提供的这种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：在GaN基异质结外延片上制作圆形肖特基二极管结构，如图1所示；
首先在外延材料上制作圆形肖特基接触，按照常规的GaN器件的工艺过程，对器件进行圆形栅电极的制作。圆形的直径大小为100μm，与欧姆接触相距20μm。
步骤2：对制备的肖特基二极管进行应力测试，分别获得应力前后的不同温度下的I-V曲线，常温测试结果如图3所示；
使用半导体参数分析仪，对圆形栅电极进行应力和变温I-V测试。例如：反向电压为-10V，持续时间为5min，测量温度为300K，350K，400K，450K，500K。探针的一端在圆形的肖特基金属，另一个探针在周围的欧姆金属上进行测量。
步骤3：由测量得到应力前后不同温度下的I-V曲线，根据已有隧穿电流模型，结合电流变化与缺陷密度之间的关系，进行数值拟合，获得退化前后不同温度下的饱和隧穿电流和隧穿参数，常温拟合结果如图4所示；
由测量得到的数据，根据隧穿电流模型：通过origin进行拟合。其中，It为隧穿饱和电流,q为电子电量,RS为体电阻,E0为隧穿参数。
步骤4：根据饱和隧穿电流和隧穿参数与温度的关系，获得应力前后绝对零度下的饱和隧穿电流值和隧穿参数值，如图5所示；
根据步骤3拟合获得不同温度下的隧穿饱和电流和隧穿参数，分别作It关于T的曲线和E0关于T的曲线，通过其温度依赖关系，外推得到绝对零度的隧穿饱和电流值It(0)和隧穿参数值E0(0)。
步骤5：根据绝对零度饱和隧穿电流值和隧穿参数值，计算得到应力前后的势垒层缺陷密度，实现对GaN基HEMT器件退化的检测；
利用位错密度与隧穿电流的关系式D＝It(0)exp[qVK/E0(0)]/qvD，其中D为位错密度，vD为德拜频率，取1.68×1013s-1，VK扩散电势，取1.15eV。分别得到应力前后的位错密度，两者的差值即为应力产生的势垒层缺陷密度，缺陷密度的增加表明器件出现退化。
本发明通过测量圆形肖特基二极管结构的I-V电流，便于直接分析GaN基HEMT的栅漏电流特性，通过拟合应力前后的正向隧穿电流，实现了对应力前后势垒层缺陷密度变化的检测。由此，该方法有助于分析GaN基HEMT退化机制和退化过程，可提高其工作的可靠性。对于GaN基HEMT器件，可靠性问题严重限制其大规模的商业化应用。通过测量退化产生的缺陷，实现了对器件可靠性的评估。此外，还对以下进行了改进，相比于常用的CL只能通过测试外延片或者刻蚀后的器件获得势垒层缺陷密度问题，本方法能够在不损坏器件的情况下，通过简单的电学测试分析应力在势垒层产生的缺陷密度。相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：测试更简单，测试结果更准确。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法，其特征在于：该方法首先制作便于分析栅漏电流特性的圆形肖特基二极管结构，对其施加持续的反向应力，测量应力前后的温度依赖电流-电压曲线；然后通过拟合不同温度下的正向隧穿电流，根据饱和隧穿电流和隧穿参数与温度的关系，外推确定应力前后绝对零度下的器件饱和隧穿电流值和隧穿参数值；最后计算求得应力引起势垒层缺陷密度的变化，实现对GaN基HEMT退化的检测，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、在GaN基异质结外延片上制作圆形肖特基二极管结构；
步骤2、对制备的肖特基二极管进行应力测试，分别获得应力前后的温度依赖电流-电压曲线；
步骤3、结合已有的隧穿电流模型，拟合应力前后不同温度下的正向隧穿电流，获得应力前后不同温度下的饱和隧穿电流和隧穿参数；
步骤4、根据饱和隧穿电流和隧穿参数与温度的关系，外推获得绝对零度下的饱和隧穿电流值和隧穿参数值；
步骤5、由绝对零度下的饱和隧穿电流值和隧穿参数值，计算求得应力引起的势垒层缺陷密度，实现对GaN基HEMT器件退化的检测。
2.根据权利要求1所述的通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法，其特征在于，所述步骤1包括：制作圆形肖特基二极管结构，对外延材料进行常规的表面清洗，蒸镀肖特基金属Ni/Au，蒸镀欧姆金属Ti/Al/Ti/Au，完成圆形肖特基二极管结构的制作；其中所述的圆形肖特基二极管直径大小为100μm，与欧姆接触相距20μm。
3.根据权利要求1所述的通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法，其特征在于，所述步骤2中应力测试为：给器件施加持续一定时间的反向偏压，反向偏压的大小为-10V，持续时间为5min。
4.根据权利要求1所述的通过电流拟合检测GaN基HEMT退化的方法，其特征在于，所述步骤2是分别测量应力前后不同温度下的电流-电压曲线，不同温度分别为：300K，350K，400K，450K，500K。
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