一种硅基GaNHEMT晶体管栅电流参数提取方法

一种硅基gan hemt晶体管栅电流参数提取方法
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种第三代半导体gan场效应晶体管器件关键参数提取方法，尤其是一种硅基gan hemt晶体管栅电流参数提取方法。


背景技术：

2.基于第三代宽禁带半导体材料gan为基础的高温、高频和大功率器件是军用雷达(尤其是相控阵雷达)、通信、电子对抗以及智能武器等系统的核心组件。随着电动车，动车组以及5g技术为代表的物联网技术的发展，gan高频和高功率器件作为这些应用发展的核心器件前景将更加广阔。gan hemt器件和相应集成电路作为第三代半导体应用中最重要的代表，在高频大功率和高可靠性的电子系统中有巨大应用前景和广阔市场，近几年相关研究和应用技术开发迅速成为国际上的热门课题和产业化开发工程。
3.但从目前国内外相关进展来看，硅基gan hemt器件和电路要在超高频大功率和高可靠性领域得到广泛实际应用，必须解决材料生长工艺和技术集成，器件物理和模拟模型，各种稳定性和可靠性问题等挑战。可靠性问题是制约gan hemt器件实用化的一个关键问题。由于强极化效应、陷阱俘获、逆压电效应等物理现象的存在，如何解决可靠性问题是一个相当复杂、困难的工作。同时，要得到高性能的硅基gan hemt和对应集成电路的性能，超薄栅介质的使用是必须的。gan hemt集成电路工艺中需要许多关键技术，优质栅介质的制备就是其中之一。栅介质的质量好坏直接决定着集成电路的性能、参数、可靠性以及成品率。当栅介质厚度降低到纳米量级时，传统的硅表面清洗技术、氧化以及氧化后热处理等工艺很难制备高质量超薄栅介质。因此，如何制备和表征2-5nm的优质超薄栅介质是一个重要研究课题。随着栅氧化层的厚度越来越薄，栅击穿漏电流对器件的可靠性影响日趋严重，因此建立硅基gan hemt栅电流模型并准确提取参数是预测和保护栅介质层的重要环节。


技术实现要素：

4.如何提供一种硅基gan hemt晶体管栅电流参数提取方法，从而大大降低或排除偏置条件、测试温度和小尺寸效应影响，是亟待解决的技术问题。
5.为了解决上述技术问题本发明公开了一种硅基gan hemt晶体管栅电流参数提取方法，主要包括以下步骤：
6.(a)选择测试的硅基gan hemt器件，将栅-源电压vg从0.0伏扫描到+2.0伏，测试出gan hemt场效应晶体管的栅电流特性曲线(ig)-vg，确定器件正常工作；
7.(b)选择两个不同截距b1和b2也不同斜率因子kp1和kp2的合适对数差分函数(kp1*ln(x)+b1和kp2*ln(x)+b2)，只要这两个函数均与gan hemt场效应晶体管的栅电流特性曲线(ig)-vg在vg＝0.0伏～+2.0伏范围内有两个相交点就可；
8.(c)在vg＝0.0伏～+2.0伏范围内的两个相交点上，将硅基gan hemt器件测试得出的栅电流特性曲线(ig)-vg与两个对数差分函数分别相减，两式的差为零，从而可以分别得到截距b1和b2值,以及两个不同斜率因子kp1和kp2值；
9.(d)一旦确定两个具体的对数差分函数后，将栅-源电压vg从0.0伏扫描到+2.0伏，将硅基gan hemt器件测试得出的栅电流特性曲线(ig)-vg与任意一个对数差分函数相减，得到vg从0.0伏到+2.0伏范围内具有极值的差分函数谱曲线δlnlcdo(ig)-ig；
10.(e)在任意差分函数谱曲线上，获取二个极值点的栅电流极值，比如ip11和ip12；将获得的二个栅电流极值代入提取公式，可以提取得到一次栅电流的关键参数值；
11.(f)将两个对数差分函数谱提取的栅电流的关键参数值求平均值，从而得到局够精度的栅电流关键参数值，这样减少了对数差分函数选择的误差。
12.有益效果：
13.通过上述方法得到了高精度的栅电流关键参数值，减少了对数差分函数选择的误差。这种方法操作简单，对偏置位置和差分函数选择波动不敏感，能抑制小尺寸引起的器件短沟效应和非本征效应。并通过实验验证，形成如下结论：在不同的测试温度条件下，该方法提取的栅电流关键参数应用到四个不同的温度条件下的模型中，与测试结果吻合非常好，误差小，证明了该方法的适用性。
附图说明
14.图1为本发明一种硅基gan hemt晶体管栅电流参数提取方法的硅基gan hemt器件结构(a)和栅电流等效双二极管电路模型(b)；
15.图2为本发明一种硅基gan hemt晶体管栅电流参数提取方法的hemt器件栅电流的测试结果；
16.图3(a)两个不同的对数线性差分函数和测试得到的hemt栅电流特性；(b)对数线性差分函数和栅电流方程的差值得到的对数线性差分函数谱和对应的极值点。
17.图4(a)温度为25℃时hemt器件栅电流实验结果和本发明提取模型关键参数模拟结果的对比；(b)温度从25℃变化到200℃时hemt器件栅电流实验结果和本发明提取模型关键参数模拟结果的对比。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
19.下面结合附图和实例进一步详细说明本发明的内容，但不以任何方式限制本发明的范围。
20.首先说明线性差分函数谱方法的数学原理。
21.设函数f(x)是一个在开区间(x0,x1)上连续，在闭区间[x0,x1]内可微的单调非线性函数。那么，在[x0,x1]中至少一点xp,x0<xp<x1,使
[0022][0023]
成立。
[0024]
这里
[0025]
g(x)＝δlcdof(x)＝f(x)-(b+k
p
x)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0026]
是f(x)的线性差分函数，δlcdof(x)是线性差分函数谱。b和kp是线性差分函数的截距和斜率因子，它们可以通过选择合适的线性差分函数的区间(x0,x1)由下面两个方程得到
[0027]
g(x1)＝b+k
p
x
1-f(x1)＝0
ꢀꢀꢀ
(3)
[0028]
和
[0029]
g(x0)＝b+k
p
x
0-f(x0)＝0
ꢀꢀꢀ
(4)
[0030]
对单调增加的f(x)，kp>0，g(x)在[x0,x1]区间显示线性差分谱峰或谷；对单调减小的f(x)，kp<0,g(x)也同样在[x0,x1]区间显示线性差分谱的峰或谷。
[0031]
目前已经出现了很多场效应晶体管栅介质击穿电流的等效模型，其中最简单的一个是将栅击穿电流等效为一个理想二极管和一个电阻的串联。根据测试结果，会观察到硅衬底的gan hemt的栅电流的特性曲线在半对数坐标下会出现一个跳跃点，即kink效应。因此可利用两个理想二极管和两个串联电阻的等效电路来模拟这种硅基gan hemt栅介质的复杂栅电流模型。在提出不同的等效模型同时，准确的提取模型参数也是研究栅击穿电流的重要方法。这里采用通用的处理方法，既利用两个理想二极管和两个串联电阻的等效电路来模拟这种复杂栅电流的模型。前面介绍的线性差分函数谱方法在器件完全开启后的电流区域可以简便准确的提取模型参数，但是对于开启电压附近或者小于开启电压的电流变化不敏感。因此我们提出一种半对数坐标下的差分函数谱方法，简称δlnlcdof(x)法，来提取栅电流模型参数。为了减少选择差分函数参数的误差，本发明将该方法使用两次，从而将两次提取到的栅电流模型的关键参数求一次平均，这样就一方面减少了差分函数选择导致的误差，同时也使提取的参数结果更准确。
[0032]
测试使用的hemt器件的结构图示在图1(a)中，同时栅介质击穿过程可以等效为图1(b)所示的双二极管电路模型。d1和d2是两个理想二极管，r1和r2是串联电阻，vg是栅电压，i1和i2是流过r1和r2的电流，ig是栅电流。
[0033]
hemt器件栅电流的测试结果如图2所示。为了更清楚的了解栅电流在低栅压下的情况，我们利用半对数坐标，观察到ig-vg曲线在vg_kink＝0.3v时出现一个kink效应。根据图1的双二极管等效电路，当栅电压vg小于kink电压时，d1关闭，因此i1可以忽略。此时，电路被简化成为d2和电阻r2的串联，ig-vg特性可以表示为
[0034][0035]
这里n2是d2二极管的非理想因子，i02是其饱和漏电流。栅电流的特性曲线ig-vg如图2所示,栅介质层厚度为4.9nm，温度t为25℃。
[0036]
从图2看出，vg-ln(ig)在测试电压vg的0.0～2v范围内单调，非线性且连续增加，因此我们运用前面的线性差分函数方法应该存在至少一个极值点。将斜率为kp1和截距为b1的第一个对数线性差分函数kp1*x+b1采用δlnlcdof(x)方法应用到测试曲线vg-ln(ig)上一次，可以得到半对数坐标下线性差分函数与栅电流之差的曲线,具体结果如图3(b)，这就是对数线性差分函数谱。假定两个相交点的电流为i11和i12,我们可以得到二者之差在
相交点的方程如下：
[0037][0038]
这里kp1和b1分别是线性差分函数的斜率和截距，vth是热电压。从方程(6)，可以得到kp1和b1的具体值。同时，根据前面的线性差分函数谱原理，在i11和i12栅电流范围内，一定有电流的极值点出现，正如图3(b)所显示的。既然测试的栅电流曲线有kirk点如图2和图3(a)所示，那么线性差分函数谱至少有两个极值点出现，这也正如图3(b)所显示的。
[0039]
我们假设两个极值点分别为ip11和ip12，那么在ip11和ip12点上对方程(6)求导，根据数学一般性极值原理，我们得到
[0040][0041]
忽略反向饱和电流i02，可以从方程(7)得到r2和n2的表达式。代入测试得到的ip11和ip12,可以提取出这两个关键参数。进而，通过将提取得到的这两个参数代入方程(5)，可以得到i02。
[0042]
具体的表达形式为：
[0043][0044]
正如从方程(6)得到的δlnlcdof(x)和ig的关系在图3(b)所示，黑色实心方块和红色空心圆圈分别表示vg-ln(ig)曲线与不同对数线性差分函数(line1和line2)做差的结果，ip11,ip12,ip21和ip22为方程7中的二个对数线性差分函数谱的四个极值点。由于方程(7)中的反向饱和电流i02远小于峰值电流ip11，可以忽略。因此r2和n2可以通过一个对数线性差分函数谱的两个极值点得到,如方程(8)。将从方程(8)得到的r2和n2代入方程(5)，可以提取到i02。为了减少选取对数线性差分函数的误差，可以再选不同斜率和截距的对数线性差分函数，如图3(a)的kp2和b2构成的红色线lin2,从而获得新的线性差分函数谱的两个极值点ip21和ip22。重复相同的提取过程，得到从而对应的提取数值。通过两者求平均值
后，得到25℃时d2的关键参数提取结果为：n2＝1.2,r2＝1.17
×
105ω，i02＝1.2
×
10-6a。
[0045]
同理，当vg大于kink电压时，d1和d2同时工作，因此hemt栅电流可以等效为两个二极管d1和d2,以及r1的串联。利用δlnlcdof(x)方法，有
[0046][0047]
重复使用相同的方法，可以得到d1相关的参数：n1＝1.5,r1＝1.41
×
103ω，i01＝5.69
×
10-7a。
[0048]
为了验证本发明的可行性，我们对hemt器件栅电流实验结果与本发明提取对应hemt器件栅电流模型关键参数模拟的结果对比如图4所示。结果显示，当器件温度从25℃增加到200℃的较宽温度范围内，本发明提取的硅基gan hemt栅电流关键参数模拟结果都与实验数据吻合的很好。
[0049]
如图4，通过与先前报道过的提取gan hemt栅电流参数方法结果进行对比，可以看出：利用本发明的提取结果受偏压条件影响较小，能降低测试温度和小尺寸效应影响，明显小于已报道过的提取方法得到的结果的误差。
[0050]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。