一种GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法

摘要

本发明涉及一种GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法，属于半导体器件技术领域。所述方法包括以下步骤：分析所述肖特基正向I－V特性曲线中的第三段曲线对应的物理过程，所述第三段曲线对应了电压全部施加在所述第一二极管上产生电流的物理过程，此时电压不再施加在所述第二二极管上，所述第三段曲线包括一段线性区；对所述第三段曲线进行线性拟合得到斜率为k

说明书

技术领域

本发明涉及一种肖特基参数提取方法，尤其涉及一种针对GaN HEMT器件肖特基正向I-V特性曲线在低压区出现凹进的新现象而提出的提参方法，属于半导体器件技术领域。

背景技术

在研制GaN HEMT时，为了获得非常高的跨导，栅与半导体GaN形成的肖特基结构的制作好坏是非常关键的，而肖特基电学参数的精确提取对器件建模、可靠性评价等都有着重要意义，尤其在进行可靠性实验数据的对比时，精确的测量对于结果的影响尤为重要。

一般的I-V标准法对肖特基特性曲线提取参数时主要涉及到两段曲线，这两段曲线围成的区域分别为低压线性区和高压电阻区。然而，在对器件进行高温存储评估后，发现肖特基正向I-V特性曲线已经不是原先的标准曲线，而是在线性段出现了明显的凹进或者饱和现象，即所述肖特基正向I-V特性曲线已经变成四段曲线。这对参数的提取造成了障碍，使得原先的I-V标准法已经不适用于此类曲线。

发明内容

本发明针对GaN HEMT器件在进行高温存储评估后，其肖特基正向I-V特性曲线已经不是原先的标准曲线，而是在线性段出现明显的凹进或者饱和现象，这对参数的提取造成了障碍，使得原先的I-V标准法已经不适用于此类曲线的不足，提供了一种GaN HEMT器件的参数提取方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法，所述GaN HEMT器件的等效电路模型是由背对背式的第一二极管和第二二极管串联而成，所述第一二极管是金属和AlGaN之间的肖特基二极管，所述第二二极管是在AlGaN/GaN异质结界面上的等效二极管；所述GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线由依次相连的第一段曲线C1、第二段曲线C2、第三段曲线C3和第四段曲线C4组成，所述四段曲线之间以拐点为界，其包括以下步骤：

步骤a：分析所述肖特基正向I-V特性曲线中的第三段曲线C3对应的物理过程，所述第三段曲线C3对应了电压全部施加在所述第一二极管上产生电流的物理过程，此时电压不再施加在所述第二二极管上，所述第三段曲线C 3包括一段线性区，所述线性区位于所述GaN HEMT器件的开启电压对应的曲线上的点与所述第二段曲线C2和第三段曲线C3之间的拐点之间；

步骤b：对所述第三段曲线C3进行线性拟合得到直线F3，其斜率为k₃，根据所述直线F3的斜率k₃求出所述第一二极管的肖特基接触的理想因子n₁和实际势垒高度

进一步，所述步骤b中求出所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒高度的步骤具体包括：

步骤b1：利用公式求出所述第一二极管的肖特基接触的外观势垒高度其中，k为波尔兹曼常数，T为开尔文温度，A^*为里查逊常数，A为栅截面面积，I_gs0为直线F3与Y轴的交点；

步骤b2：对所述第一段曲线C1和第二段曲线C2进行线性拟合分别得到直线F1和直线F2，利用所述直线F2与直线F3的交点O和所述交点O到Y轴的投影线与直线F1的交点O′，求出所述交点O的横坐标和交点O′的横坐标之间的差值，即为施加在所述第二二极管上的偏压V₂；

步骤b3：结合所述肖特基正向I-V特性曲线中电流和电压的关系，利用施加在所述第二二极管上的偏压V₂，对进行修正，求出所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒高度

进一步，所述步骤b中求出所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒高度的步骤具体为：将所述直线F 3平移至低压区，并经过0.1V对应的电流点，利用公式求出所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒高度其中，k为波尔兹曼常数，T为开尔文温度，A^*为里查逊常数，A为栅截面面积，I_gs0′为直线F3平移至低压区后与Y轴的交点。

本发明的有益效果是：本发明的参数提取方法适用于高温存储后肖特基正向I-V特性曲线在低压区出现凹进现象的GaN HEMT器件，而此时传统的I-V标准提参方法已不能完全适用，将应用所述方法提取的参数值代回模型后得到的数据与实测数据基本吻合。

附图说明

图1为本发明实施例GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法的流程图；

图2为本发明实施例GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线示意图；

图3为本发明实施例GaN HEMT器件中两个背对背式二极管的能带示意图；

图4为本发明实施例一GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法的流程图；

图5为本发明实施例二GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法的流程图；

图6为本发明实施例GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线实际测量值和拟合值的对比示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法的流程图。如图1所示，所述参数提取方法是针对高温存储后肖特基正向I-V特性曲线在低压区即电压小于开启电压的区域出现凹进现象的GaN HEMT器件进行肖特基参数提取，其包括以下步骤：

步骤11：分析GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线中的第三段曲线C3对应的物理过程，所述第三段曲线C3对应了电压全部施加在所述第一二极管上产生电流的物理过程，此时电压不再施加在所述第二二极管上，所述第三段曲线C3包括一段线性区，所述线性区位于所述GaN HEMT器件的开启电压对应的曲线上的点与所述第二段曲线C2和第三段曲线C3之间的拐点之间。

图2为本发明实施例GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线示意图。如图2所示，所述肖特基正向I-V特性曲线由依次相连的第一段曲线C1、第二段曲线C2、第三段曲线C3和第四段曲线C4组成，所述四段曲线的分界点为整个肖特基正向I-V特性曲线的拐点，图示中的肖特基正向I-V特性曲线具有三个拐点，故其可以划分成四段曲线。在本步骤中，分析所述各段曲线物理过程的方法为：图3为本发明实施例GaN HEMT器件中两个背对背式二极管的能带示意图，结合能带理论可分析，随着Vg的变化，费米能级与导带的相对位置会发生变化，根据这种变化可以判断Vg对两个二极管能带的具体影响，从而分析出各段曲线的物理过程。如图3所示，所述GaN HEMT器件的等效电路模型是由背对背式的第一二极管和第二二极管串联而成，所述第一二极管是金属和AlGaN之间的肖特基二极管，所述第二二极管是在AlGaN/GaN异质结界面上的等效二极管，此时AlGaN/GaN异质结界面上有数量非常大的电子，即二维电子气，相当于金属板，起导电作用。当正向电压加到金属上时，而二维电子气是接地的，金属/AlGaN肖特基二极管处于正向偏压下，而异质结界面上的第二二极管是处于反向偏压下。当正向偏压不是很大时，大部分的外加电压V₁降在金属/AlGaN接触上，即第一二极管上(对应于第一段曲线C1)；当正向偏压变大时，在大正向偏压下异质结界面上的第二二极管变为主导作用(对应于第二段曲线C2)。在大正向偏压下，曲线偏离直线的电压差V₂被异质结界面的第二二极管承担，此时该第二二极管是反向偏压。

当电压到达电压V*时，其中电压V*是所述直线F2和直线F3交点横坐标对应的电压值，GaN体内费米能级接近或等于第二二极管的势垒峰值，势垒不在具有阻挡作用，电流可以顺利的通过第二二极管，再增加的电压V₃就不会施加在第二二极管上，而是全部加在第一二极管上，所以所述第三段曲线C3对应的区域是对第一肖特基二极管I-V特性的实际反应，所述第三段曲线C3包括一段线性区，所述线性区位于所述GaN HEMT器件的开启电压对应的曲线上的点与所述第二段曲线(C2)和第三段曲线(C3)之间的拐点之间，可以通过该线性区获得第一二极管的理想因子n₁和外观势垒高度

步骤12：对所述第三段曲线C3进行线性拟合得到直线F3，其斜率为k₃，根据所述直线F3的斜率k₃求出所述第一二极管的肖特基接触的理想因子n₁和实际势垒高度

对所述第三段曲线C3进行线性拟合后得到直线F3，其斜率为k₃，利用可得n₁，其中，q为电子电量，k为波尔兹曼常数，T为开尔文温度。

实施例一

图4为本发明实施例一GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法的流程图。如图4所示，所述方法包括以下步骤：

步骤201：分析GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线中的第一段曲线C1、第二段曲线C2和第三段曲线C3对应的物理过程。

步骤202：对所述第三段曲线C3进行线性拟合得到直线F3，其斜率为k₃，根据所述直线F3的斜率k₃求出所述第一二极管的肖特基接触的理想因子n₁和外观势垒高度

对所述第三段曲线C3进行线性拟合后得到直线F3，其斜率为k₃，利用

可得n₁。而可以通过求得，其中I_gs0为直线F3与Y轴的交点。该不是实际势垒高度，它包含了第二二极管对曲线的影响，必须通过修正得到实际势垒高度。

步骤203：对所述第一段曲线C1和第二段曲线C2进行线性拟合分别得到直线F1和直线F2，利用所述直线F1和直线F2的位置关系求出施加在所述第二二极管上的偏压V₂。

对所述第一段曲线C1进行线性拟合后得到直线F1，对所述第二段曲线C2进行线性拟合得到直线F2，所述直线F2是第二二极管开始限流后起主导作用的区域，其与直线F3的交点为O，所述交点O到Y轴的投影线与直线F1的交点为O′，所述交点O的横坐标和交点O′的横坐标之间的差值即为施加在所述第二二极管上的偏压V₂，即$\overline{O^{\prime }O}=V_2.$

步骤204：结合所述肖特基正向I-V特性曲线中电流和电压的关系，对进行修正，求出所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒高度

所述第一二极管的电流可表达为

I_gs＝I_s1[exp(qV₁/n₁kT)-1]…(1)，

所述第二二极管的电流可表达为

I_gs＝I_s2[exp(qV₂/n₂kT)-1]…(2)，

栅源电压表达为

V_gs＝V₁+V₂+I_gs*_Rs…(3)，

其中，I_s1为第一肖特基二极管即第一二极管的饱和电流，I_s2为第二肖特基二极管即第二二极管的饱和电流，n₁为第一肖特基二极管的理想因子，n₂为第二肖特基二极管的理想因子，R_s为栅串联电阻，A^*为里查逊常数，A为栅截面面积，T为开尔文温度，k为波尔兹曼常数，q为电子电量，为所述第一二极管在热平衡时的势垒高度，为所述第二二极管在热平衡时的势垒高度。

如图1所示，当电流急剧上升后(对应于图2中的第三段曲线C3)，通过公式(1)～(5)可以推导出，所述第一二极管上的I-V关系又可以表达为

若V_gs-V₂≥3n₁kT…(7)，可推导出以下公式：

此时的n₁为所述直线F3对应的理想因子，I_gs0为所述直线F3与Y轴的交点，为所述第一二极管的实际势垒，所述第二二极管电压V₂是用Chen的模型来求得的。

实施例二

图5为本发明实施例二GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法的流程图。如图5所示，所述方法包括以下步骤：

步骤301：分析GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线中的第三段曲线C3对应的物理过程。

所述第三段曲线C3对应了电压全部施加在所述第一二极管上产生电流的物理过程，此时电压不再施加在所述第二二极管上，所述第三段曲线C3包括一段线性区，所述线性区位于所述GaN HEMT器件的开启电压对应的曲线上的点与所述第二段曲线C2和第三段曲线C3之间的拐点之间。

步骤302：对所述第三段曲线C3进行线性拟合得到直线F3，其斜率为k₃，根据所述直线F3的斜率k₃求出所述第一二极管的肖特基接触的理想因子n₁，将直线F3平移至低压区，并经过0.1V对应的电流点，求出所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒高度

对所述第三段曲线C3进行线性拟合后得到直线F3，其斜率为k₃，利用

可得n₁。所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒高度的计算是将所述直线F3平移至低压区，并经过0.1V对应的电流点，此时用直线与Y轴的交点I_gs0′求第一二极管的公式为

I-V标准法选择线性区的前提是V≥3kT，那么线性区的第一个点的电压需要在0.077V之后，选取0.1V既满足要求，偏差小，又方便半导体参数分析仪的步进设置。两种方法计算第一二极管的相差0.002ev，有很好的一致性。

另外，第二二极管参数的提取仍按Chen的模型，第二二极管的计算得0.55ev，而A1组分为0.3的AlGaN/AlN/GaN异质结构的能带仿真结果为0.61ev，与计算的数据符合的较好。

将用实施例一或者实施例二的方法提参获得的参数值回代肖特基模型后均能够获得与实测数据很好的吻合。图6为本发明实施例GaN HEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线实际测量值(点划线)和拟合值(实线)的对比示意图。如图6所示，该图是半对数坐标图，更能细致的表现正向肖特基曲线拟合的吻合度，可以看出两条线基本上是吻合的，其中，拟合曲线在高压下的偏离是由于串联电阻的影响。

本发明的参数提取方法适用于高温存储后肖特基正向I-V特性曲线在低压区出现凹进现象的GaN HEMT器件，而此时传统的I-V标准提参方法已不能完全适用，将应用所述方法提取的参数值代回模型后得到的数据与实测数据基本吻合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。