专利名称：一种GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法
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服MT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服MT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Cl、 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:分析所迷肖特基正向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^ ， 根据所述直线F3的斜率&求出所述第一二极管的肖特基接触的理想因子巧 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bl:利用公式仍^^Tln^I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，J'为里查逊 常数，A为栅截面面积，；。为直线F3与Y轴的交点；
步骤b2:对所述第一段曲线Cl和第二段曲线C2进行线性拟合分别得到
直线Fl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Fl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&;
步骤b3:结合所述肖特基正向I-V特性曲线中电流 电压的关系，利用 施加在所述第二二极管上的偏压^，对仍'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F3平移至低压区，并经过0，1V对应的电流
点，利用公式p,ytrin^^,求出所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒
々"o
高度^，其中，k为波尔兹曼常数，T为开尔文温度，」'为里查逊常数，A 为栅截面面积，/g、。'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。
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。
具体实施例方式
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l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ll: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^: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服MT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^a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^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)^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Vf时，其中电压￥*是所述直线F2和直线F3交点-镜坐 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^就 不会施加在第二二才及管上，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",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& ，
根据所述直线F3的斜率&求出所述第一二极管的肖特基接触的理想因子nj
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& ，利用
"^"^可得",，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GaNHEMT器件的肖特基正向I-V特性曲线中的第一段曲 线Cl、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& ，
根据所述直线F3的斜率&求出所述第一二极管的肖特基接触的理想因子"i
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&，利用","^可得巧。而<可以通过< =^111^~^求得，其中/^为直线F3与Y
轴的交点。该A'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Cl和第二段曲线C2进行线性拟合分别得 到直线Fl和直线F2,利用所述直线Fl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^。
对所述第一段曲线Cl进行线性拟合后得到直线Fl，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 Fl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K,即^ = ^。
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，对仍' 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仍。
所述第一二极管的电流可表达为
^二/Jexp(《)^/"Ar) — 1]…(1)，
所述第二二极管的电流可表达为
4=7i2[eXp(#2/"2^) —1]…(2), 栅源电压表达为
/52 =x4*r2e-，2"r...(5),
其中，4为第一肖特基二极管即第一二极管的饱和电流，/、2为第二肖特
基二极管即第二二极管的饱和电流，巧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，A为栅串联电阻，Z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
、=K+r2+W.(3)，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(l) ~ (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 ;=* r2e—州/Ar [expto( 、 一 F2) / "^r) — 1]…(6)， 若^—K2^3"^r…(7),可推导出以下公式
A4*7" e！7 , e「 ^ =&rin-----^…(8)
;。
A ". °
此时的《,为所述直线F3对应的理想因子，/gs。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^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GaNHEMT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^l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& ，
根据所述直线F3的斜率&求出所述第一二极管的肖特基接触的理想因子巧，
将直线F3平移至低压区，并经过O. 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a 。
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& ，利用",=可得A 。所述第一二极管的肖特基接触的实际势垒高度仍的计算是
将所述直线F3平移至低压区，并经过O. 1V对应的电流点，此时用直线与Y 轴的交点；'求第一二极管的W,公式为
A "rin^^…(9)。
I-V标准法选4奪线性区的前提是r 2 3;tr ,那么线性区的第 一个点的电压 需要在0. 077V之后，选取O. 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^艮好的一 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Al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服MT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。
权利要求
1.一种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，其特征在于，所述肖特基参数提取方法包括以下步骤步骤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(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b对所述第三段曲线(C3)的线性区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 id="icf0001" file="A2009100924390002C1.tif" wi="5" he="3" top= "168" left = "86" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>
2. 根据权利要求1所述的GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法，其特 征在于，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bl:利用公式^-ytrin^^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，丫为里查逊 常数，A为栅截面面积，乙、。为直线(F3)与Y轴的交点；步骤b2:对所述第一段曲线(Cl)和第二段曲线(C2)进行线性拟合分别得到直线(Fl)和直线(F2)，利用所述直线(F2)与直线(F3)的交点(0)和所述交点(0)到Y轴的投影线与直线(Fl)的交点，求出所述交点(O)的横坐标和交点(CO的一黄坐标之间的差值，即为施加在所述第二二极管上的偏压^; 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^，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^'。
3.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法，其特 征在于，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(F3)平移至低压区，并经过O. 1V对应的电流点，利用公式a = W In !f,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，丫为里查逊常数，A为栅截 面面积，乙。'为直线(F3)平移至低压区后与Y轴的交点。
全文摘要
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<sub>3</sub>的直线，根据所述直线的斜率k<sub>3</sub>，求出第一二极管的肖特基接触的理想因子n<sub>1</sub>和实际势垒高度φ<sub>1</sub>。本发明的参数提取方法是针对GaN HEMT器件高温存储后肖特基正向I-V特性曲线出现凹进的新现象而提出的，应用所述方法提取的参数值与实际值基本吻合。
文档编号G06F17/50GK101655883SQ200910092439
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者刘新宇, 王鑫华, 妙 赵 申请人:中国科学院微电子研究所