李沙金;廖雪阳
【摘 要】对GaN微波器件的转移特性开展了脉冲测试研究.通过改变脉冲通道的数量、 静态工作点和脉冲宽度,获得了不同的脉冲测试条件下GaN晶体管的转移特性,并对不同测试条件下的测试结果进行了对比分析,获得了不同的脉冲测试条件对器件转移特性的影响.得到了GaN晶体管的转移特性对栅极脉冲比较敏感,漏极脉冲只是在栅极电压作用下起辅助作用,其对转移特性的影响程度主要依据栅极电压的影响而定的结论.
【期刊名称】《电子产品可靠性与环境试验》
【年(卷),期】2017(035)005
【总页数】6页(P10-15)
【关键词】转移特性;脉冲;静态工作点
【作 者】李沙金;廖雪阳
针织加工
【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所, 广东 广州 510610;电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室, 广东 广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所, 广东 广州 510610;电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室, 广东 广州 510610
【正文语种】中 文
【中图分类】TN385;TN407
由于GaN基半导体材料具有宽带隙、直接带隙、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀和抗辐射等突出优点，因此，其在制作高温、大功率、高频、抗辐照电子器件和全波长光电器件方面具有独特的优势，是制作高温、大功率、高频、抗辐射和全波长光电器件的理想材料 [1-4]。随着GaN材料和工艺的日渐成熟，以GaN等为代表的第三代宽禁带半导体材料成为了近年来半导体领域炙手可热的研究对象。但是，由于GaN材料位错密度大 （几乎是GaAs材料的104倍），材料中的缺陷会随着外部电信号的变化而发生陷阱俘获效应 [5-8]，俘获/释放电子，从而导致微波功率管的主要静态参数随着测试条件的不同而发生变化。
因此，本文对GaN晶体管的转移特性进行了不同脉冲条件下 （包括脉冲通道数量、脉冲宽度和静态工作点3种测试条件）的测试，研究和分析了3种条件对其转移特性的影响，以期为GaN微波功率器件电学性能的鉴定考核和失效分析提供一种测试思路和方法。
本文采用的GaN晶体管为生长在SiC衬底上的AlGaN/GaN异质结晶体管，其材料从下往上分别为AlN成核层、2 μm厚的GaN缓冲层、20 nm厚的Al0.28Ga0.72N势垒层和3 nm厚的未掺杂GaN帽层。器件栅极的长度为0.5 μm，栅极的宽度为125 μm。本文使用安捷伦B1500A半导体参数分析仪对GaN晶体管进行基本电特性测试和脉冲测试。转移特性的测试条件为栅极电压从-5 V扫描至-1 V，扫描步进为0.05 V；漏极电压固定为10 V，源极接地。根据脉冲通道的数量，试验分为栅极单脉冲、漏极单脉冲和栅极-漏极双脉冲测试3种，分别对此3种不同脉冲偏置条件下的GaN晶体管进行了不同脉冲宽度和不同静态工作点的影响研究。脉冲宽度为0.5、1.0、2.0、5.0 ms；静态工作点主要分为平衡态、低于阈值电压和高于阈值电压3种情形。
具体的试验结果将在以下章节中进行讨论分析。
栅极单脉冲是指GaN晶体管仅栅极偏置为脉冲偏置，漏极偏置为直流偏置，源极接地，测
试时栅、漏极的电压偏置如图1所示。此状态主要讨论栅极脉冲对器件转移特性的影响。
a）静态工作点Vgsq=0 V，周期T=10 ms，脉冲宽度 PW=0.5、 1.0、 2.0、 5.0、 8.0 ms
当Vgsq=0 V时，不同脉冲宽度下的转移特性如图2所示。从图2中可以看到，当脉冲宽度为0.5 ms时，阈值电压负漂明显，较直流测试下的阈值电压负漂了约0.5 V。随着脉冲宽度的增加，阈值电压逐渐正漂；当脉冲宽度＞1.0 ms时，脉冲测试阈值电压基本与直流测试阈值电压相同。阈值电压的变化正好与输出电流随脉冲宽度的变化相一致，这与陷阱俘获效应有关。在此偏置条件下，栅极电压较长时间处于0 V，而较短时间处于测试电压 （负向电压），在测试的过程中，表面态和栅下势垒层的电子陷阱无法像直流测试时俘获部分电子进行充电，没有电流崩塌效应，因此阈值电压较直流时负漂。随着脉冲宽度的增加，栅极电压处于测试电压的时间增加，表面态和栅下势垒层的电子陷阱有充足的时间俘获电子进行充电，改变材料中的电荷分布，如形成虚栅，因此阈值电压会随着脉冲宽度的增加而正漂，并且逐渐地与直流测试的结果一致。
b）静态工作点Vgsq=-5 V，周期T=10 ms，脉冲宽度PW=0.5、1.0、2.0、5.0、8.0 ms
光刻法
当Vgsq=-5 V时，不同脉冲宽度下的转移特性如图3所示。从图3中可以看到，当脉冲宽度为0.5 ms时，阈值电压正漂明显，较直流测试下的阈值电压正漂了约0.35 V。随着脉冲宽度的增加，阈值电压逐渐负漂；当脉冲宽度＞1 ms时，脉冲测试阈值电压基本与直流测试阈值电压相同。阈值电压的变化也正好与输出电流随脉冲宽度的变化相一致。在此偏置条件下，栅极电压较长时间处于-5 V，而较短时间处于测试电压，在测试的过程中，表面态和栅下势垒层的电子陷阱会俘获电子进行充电，改变电荷分布，产生虚栅并发生电流崩塌效应，因此阈值电压较直流时正漂。随着脉冲宽度的增加，栅极电压处于测试电压的时间增加，表面态和栅下势垒层的电子陷阱会释放部分被俘获的电子，虚栅效应减弱，因此阈值电压会随着脉冲宽度的增加而负漂。
c）周期T=10 ms，脉冲宽度PW=1.0 ms，静态工作点Vgsq=0、-2、-3、-5、-10 V
转移特性不同静态工作点的选择根据阈值电压Vth=-2.73 V来划分。Vgsq=0 V和-2 V均大于阈值电压，器件处于完全开启和半开启状态；Vgsq=-3 V和-5 V/-10 V均小于阈值电压，器件处于刚截止和完全截止状态。不同栅极静态工作点下的转移特性测试结果如图4所示，从图4中可以观察到：1）随着静态工作点的反向增大，转移特性曲线正向平移，阈值电压正
漂，这是因为当给栅极施加反向电压时，器件栅下会出现耗尽区，高场下表面态俘获电子形成虚栅，从而使阈值正漂；而随着反向电压的增加，耗尽区扩展，虚栅效应增强，因此阈值正漂程度更厉害。2）从图4中还可以观察到，Vgsq=0 V和-2 V的转移曲线较直流转移曲线负漂，Vgsq=-3 V的转移曲线与直流转移曲线基本重合，而Vgsq=-5 V和-8 V的转移曲线则较直流转移曲线正漂。不难理解，当Vgsq=0 V和-2 V时，均比阈值电压Vth=-2.73 V大，器件处于完全开启和半开启状态，表面态和势垒层中的陷阱基本不俘获电子进行充电，因此较直流转移曲线负漂；Vgsq=-3 V与阈值电压Vth=-2.73 V接近，因此测速结果与直流转移曲线相同；而Vgsq=-5 V和-8 V则远比阈值电压Vth=-2.73 V小，因此，当处于静态工作点时表面态和势垒层陷阱容易俘获电子进行充电，表面易形成虚栅产生电流崩塌效应，较直流转移曲线正漂。奶浆柴胡
漏极单脉冲是指GaN晶体管仅漏极为脉冲偏置，栅极为直流偏置，源极接地，测试时栅、漏极的电压偏置与图1类似，将Vds和Vgs互换即可。此状态主要讨论漏极脉冲对器件输出特性的影响。
a）静态工作点Vdsq=0 V，周期T=10 ms，脉冲宽度PW=0.5、 1.0、 2.0、 5.0、 8.0 ms
转移特性的测试条件为栅极电压从-5 V扫描至-1 V，扫描步进为0.05 V，漏极电压固定为10 V，源极接地。由于漏极电压固定为10 V，因此不同的脉冲宽度试验仅在静态工作点Vdsq=0 V下开展。当漏极静态工作点Vdsq=0 V时，不同脉冲宽度下的转移特性如图5所示。从图5中可以观察到，不同脉宽下的转移特性与输出特性一致，基本没有变化，并且与直流输出曲线相同。说明转移特性也对Vdsq=0 V的漏极脉冲不敏感。这是由于漏极电压仅作用在栅漏区域之间，而无法影响栅下沟道的开启和截止，即漏极电压仅能在栅极电压反偏使器件出现耗尽区时改变栅漏间的耗尽区面积，从而影响电流崩塌的大小。因此，当栅压低于阈值电压时，Vdsq=0 V下的脉冲电流会略大于直流电流，随着脉宽的增加，其逐渐地降低至与直流电流一致；而当栅压高于阈值电压时，沟道完全开启，Vdsq=0 V下的脉冲电流与直流测试下的一致，也不会随脉宽的变化而发生变化。
b）周期T=10 ms，脉冲宽度PW=1.0 ms，静态工作点Vdsq=0、5、10、15、20 V
压花器
不同漏极静态工作点下的转移特性曲线如图6所示。从图6中可以明显地观察到，仅当Vdsq＞10 V时转移曲线才正向漂移，并且随着静态工作点的增大，正漂幅度加大。这是因为，当Vdsq＞10 V时栅漏区域靠近漏端的耗尽区会扩展，在更高的反向电场作用下有更多的电子可以被陷阱俘获，产生虚栅效应使阈值正漂。
4.2.3 栅—漏双脉冲分析
栅—漏双脉冲即指GaN晶体管栅极和漏极均为脉冲偏置，源极接地。
a） 周期 T=10 ms， 脉冲宽度 PW=1.0 ms，（Vgsq，Vdsq） = （0， 0）， （0， 10）， （-2， 0）， （-2， 10），（-5， 0）， （-5， 10）。
不同静态工作点下的转移特性曲线如图7所示。整体来看，不同静态工作点下的转移特性变化不大，只有当栅极静态工作点Vgsq=-5 V时阈值电压才有较明显的正漂。
通过上述分析可知，漏极电压仅能在栅极电压反偏使器件出现耗尽区时改变栅漏间的耗尽区面积，即只起辅助作用，因此，从图7中可以观察到（-5，10）的转移曲线较 （-5，0）的转移曲线正漂；而由于栅极静态工作点Vgsq=-2 V＜阈值电压Vth=-2.73 V，因此对转移特性曲线的影响不大。
b） （Vgsq， Vdsq） = （0 V， 0 V）， 周期 T=10 ms，脉冲宽度 PW=1.0、 2.0、 5.0 ms与 （Vgsq， Vdsq） =（-5 V，10 V），周期T=10 ms，脉冲宽度PW=1.0、2.0、 5.0 ms。
（Vgsq， Vdsq） = （0 V， 0 V） 和 （Vgsq， Vdsq） =（-5 V，10 V）时不同脉宽的转移特性曲线分别如图8和图9所示。从图8-9中可以看到，转移特性基本不随脉宽的变化而变化，说明当脉宽＞1 ms时，转移特性基本不受脉宽的影响。
通过栅极单脉冲、漏极单脉冲的测试分析和双脉冲的测试验证，可以得到以下结论。
导针
a）GaN器件的转移特性对栅极脉冲更敏感，即栅极脉冲的变化更容易引起转移特性的改变；当栅极脉冲偏置在平衡态时，脉冲测试阈值电压较直流测试阈值电压负漂，并且随着脉宽的增加逐渐地正漂至与直流测试的结果相同；当栅极脉冲偏置在截止态时，脉冲测试阈值电压较直流测试阈值电压正漂，并且随着脉宽的增加阈值电压逐渐地负漂至与直流测试结果一致。
b）转移特性对漏极脉冲的敏感性较低，只有当漏极脉冲的偏置电压较高时 （如Vds＞10 V）才会引起阈值电压正漂，并且随脉冲偏置电压的增加而发生正漂。
c）漏极脉冲只是在栅极电压作用下起辅助作用，其对转移特性的影响程度主要依据栅极电压的影响而定。
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