[发明专利]确定GaN异质结场效应晶体管栅下势垒层应变的方法

摘要

确定GaN异质结场效应晶体管栅下势垒层应变的方法，属微电子技术领域，该方法的基本原理是首先使用半导体参数测试仪直接得到GaN异质结场效应晶体管栅极和源极间的电容-电压（C-V）和正向电流-电压（I-V）特性曲线，结合势垒层电容分析得到栅下总的极化电荷密度，然后结合GaN异质结材料的自发极化和压电极化理论，分析得到GaN异质结场效应晶体管栅下势垒层应变。本发明与现有测试技术相比较，测试方法更加容易、直接、准确，分辨率也更高，而且解决了现有测试方法无法测试栅下势垒层应变的问题。

主权项

1.一种确定GaN异质结场效应晶体管栅下势垒层应变的方法，选取GaN异质结场效应晶体管中最常见的AlGaN/AlN/GaN异质结场效应晶体管为例来作说明，其它异质结如AlN/GaN以及InAlN/AlN/GaN同样采用此方法来确定栅下势垒层应变，利用半导体测试仪得到GaN HFETs栅源间的电容-电压即C-V和正向电流-电压即I-V特性曲线，分析得到栅下AlGaN势垒层的压电极化，进而得到其面内应变及栅下AlGaN势垒层应变以及势垒层晶格常数，该方法步骤如下：1）使用半导体参数测试仪对GaN HFETs栅极和源极间的电容-电压即C-V进行测试，半导体参数测试仪C-V测试时有两根探针，测试时使GaN HFETs源端电极接半导体参数测试仪的接地探针，GaN HFETs的栅电极接半导体参数测试仪电容测试的另外一根探针，并设置测试的栅电极电压为-10V～1.5V，步距为50mV,测试时所加信号频率为1MHz，信号振幅为100mV，测试出GaN HFETs在不同栅压下的一系列栅下电容值，即得到GaN HFETs栅源间的电容-电压即C-V特性曲线；2）计算GaN HFETs不同栅压下的栅下二维电子气密度n_2D，由下式计算得到n_2D：n2D=∫VTVGCdV/(Sq)---(1)]]>其中n_2D为二维电子气密度，C为不同栅压下的电容值，V_T为GaN HFETs的阈值电压，该阈值电压通过对C-V曲线积分并线性外推得到，V_G为所加栅偏压，S为栅电极的面积，由C-V曲线积分得到的GaN HFETs器件不同栅偏压下的2DEG密度，并由测得的C-V曲线读取零偏压下的电容值C₀；3）使用半导体参数测试仪对GaN HFETs样品的栅极和源极之间进行二极管的I-V测试，半导体参数测试仪对二极管的I-V进行测试时需要两根探针，测试时使GaN HFETs源端电极接半导体参数测试仪的接地探针，GaN HFETs的栅电极接半导体参数测试仪电容测试的另外一根探针，测试中栅源偏压加-20～20V，步距为50mV，测试得到GaN HFETs的栅极和源极之间二极管I-V特性曲线及数据参数，以测试数据电压值作为横坐标，测试数据中电流值取对数作为纵坐标，画出GaN HFETs的栅极和源极之间二极管的I-V特性曲线，在电压为0V-1V之间近似线性的部分画第一条直线，在电压为1.5V-3V之间近似线性的部分画第二条直线，两直线交点所对应的电压即为平带电压V₀，由以下公式计算得到理想因子n₁:Slope=qn1kT,---(2)]]>其中Slope为第一条直线斜率，q为单个电子的电量，q取值为1.6×10^-19库伦，n₁为理想因子，K为波尔兹曼常数，K取值为1.28×10^-23J/K,T为开尔文温度，取值为300K；4）通过如下公式计算得到GaN HFETs样品总的极化电荷密度：(σtotal-n2D)qV0n1=c0SG---(3)]]>公式中σ_total为总的极化电荷密度，n_2D为步骤2）计算所得到的零偏压下的二维电子气密度，q为单个电子的电量，q取值为1.6×10^-19库伦，V₀和n₁分别表示步骤3）计算所得到的GaN HFETs平带电压以及理想因子，c₀表示步骤2）所测得的零偏压下测得的栅源间的电容，S_G表示栅电极面积；5）在已知势垒层Al组分为x，可通过下面公式计算得到GaN以及势垒层自发极化强度,PspAlxGa1-xN=-0.090x-0.034(1-x)+0.019x(1-x)---(4)]]>PspAlxIn1-xN=-0.090x-0.042(1-x)+0.071x(1-x)---(5)]]>其中x为AlGaN以及AlInN材料中的Al组分，分别表示Al组分为x的AlGaN和AlInN的极化量，其中下标SP表示极化为自发极化，上标表示材料的种类；6）由于GaN HFETs异质结材料的GaN层要比势垒层厚很多，因此普遍认为GaN是晶格弛豫的，而势垒层是存在应变的，对于AlGaN/AlN/GaN异质结材料而言，AlN/GaN和AlGaN/AlN界面极化电荷密度分别表示为：σAlN/GaN=PSPGaN-(PSPAlN+PPEAlN)---(6)]]>σAlGaN/AlN=(PSPAlN+PPEAlN)-(PSPAlGaN+PPEAlGaN)---(7)]]>公式中σ_AlN/GaN为AlN/GaN界面极化电荷密度，σ_AlGN/AlN为AlGaN/AlN界面极化电荷密度，P_SP以及P_PE分别为自发极化以及压电极化强度，上标为GaN HFETs样品各层名称，因此总的极化电荷密度表示为：σtotal=σAlN/GaN+σAlGaN/AlN=PSPGaN-(PSPAlGaN+PPEAlGaN)---(8);]]>7）将步骤4）计算得到的总的极化电荷密度以及步骤5）计算得到的自发极化量带入步骤6）的公式（8）中，计算得到势垒层的压电极化8）将步骤7）计算得到的压电极化带入下面公式：PPEAlGaN=2a-a0a0(e31-e33C13C33)---(9)]]>其中a为实际的AlGaN势垒层晶格常数，a₀是AlGaN材料的平衡晶格常数，e₃₁和e₃₃为压电系数，C₁₃和C₃₃是弹性常数，这些值是与AlGaN材料的Al组分相关，根据下面公式计算得到：a₀＝(-0.077x+3.189)10^-10m,C₁₃＝(5x+103)GPa,C₃₃＝(-32x+405)GPa,e₃₁＝(-0.11x-0.49)C/m²,e₃₃＝(0.73x+0.73)C/m²,其中x为势垒层Al_xGa_1-xN铝组分,m表示长度单位米，GPa为弹性常数单位，C/m²压电系数单位；将上述参数带入公式（9）就可以确定栅下势垒层应变量：ε=(a-a₀)/a₀，将平衡晶格常数a₀带入上式，便可计算得到势垒层晶格常数a,通过测试分析GaN HFETs栅源间的C-V和正向I-V特性曲线，便可以分析得到栅下势垒层应变ε。