(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.03.26
C N 103673866
A (21)申请号 201310682762.X
(22)申请日 2013.12.13
G01B 7/16(2006.01)
(71)申请人山东大学
地址250100 山东省济南市历城区山大南路
27号
(72)发明人林兆军 赵景涛 栾崇彪 吕元杰
杨铭 周阳 杨琪浩
(74)专利代理机构济南金迪知识产权代理有限
公司 37219
代理人许德山
(54)发明名称
(57)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
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
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。
(51)Int.Cl.
权利要求书2页 说明书6页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页(10)申请公布号CN 103673866 A
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 ：
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C 0；
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V 0，由以下公式计算得到理想因子n 1:
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，n 1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：
公式中σtotal 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，V 0和n 1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，c 0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,
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：
公式中σAlN/GaN 为AlN/GaN 界面极化电荷密度，σAlGN/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：
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：
其中a 为实际的AlGaN 势垒层晶格常数，a 0是AlGaN 材料的平衡晶格常数，e 31和e 33为压电系数，C 13和C 33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：
a 0＝(-0.077x+3.189)10-10m,
C 13＝(5x+103)GPa,
C 33＝(-32x+405)GPa,
e 31＝(-0.11x-0.49)C/m 2,
e 33＝(0.73x+0.73)C/m 2,
其中x 为势垒层Al x Ga 1-x N 铝组分,m 表示长度单位米，GPa 为弹性常数单位，C/m 2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-a 0)/a 0，将平衡晶格常数a 0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。
确定GaN异质结场效应晶体管栅下势垒层应变的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种确定GaN异质结场效应晶体管栅下势垒层应变的方法，属于微电子技术领域。
背景技术
[0002] 近年来，由于其在高温高频大功率等方面的广泛应用前景，GaN异质结场效应晶体管（HFETs）一直作为微电子领域研究热点而备受关注。研究表明，极化电荷对于GaN异质结场效应晶体管的电学特性至关重要，而极化是与势垒层应变密切相关的，因此获得AlGaN 势垒层的应变信息对于提高GaN HFETs器件特性至关重要。目前，微区拉曼光谱是研究势垒层应变的主要方法之一，2004年Sarus等人在应用物理快报第85期第2217页发表的
《Al
X Ga
1-x
N的E
2
(高)声子模的声子形变势》以及2006年sarua等人在应用物理快报第88
期第103502页发表的《AlGaN/GaN异质结场效应晶体管偏压下的压电极化张应变》等文章
中都用到了微区拉曼光谱的方法研究势垒层的应变，微区拉曼光谱提供了一种测量外延层应力和分布的非破坏性方法，在声子拉曼峰中，E
2
(高)声子模的拉曼散射在（0001）面得背
散射模式下是允许的，并且半高宽较窄、强度较大；一般利用E
2
(高)支声子模的拉曼峰频移来测量GaN层的应力，然后利用作用力与反作用力关系反推势垒层应变信息，但是由于测试光斑较大，因此这种方法分辨率较低，而对于栅下势垒层应变，由于栅金属的阻挡，光线不能从正面射入，而背面衬底较厚，要测试分析栅金属下很薄的势垒层应变非常困难。至今还没有方法能够测试得到栅下势垒层应变。因此研究一种可以确定栅下势垒层应变的方法是十分迫切和重要的。
发明内容
[0003] 为了克服上述现有测试技术的缺陷和不足之处，本发明提供了一种简便快捷的方法，即一种确定GaN异质结场效应晶体管栅下势垒层应变的方法。
[0004] 本发明是通过如下方式来实现的：
[0005] 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HFETs（场效应晶体管）为例来作说明，其它异质结（AlN/GaN以及InAlN/AlN/GaN）同样可以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（C-V）和正向电流-电压（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：
[0006] 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；
[0007] 2）计算GaN HFETs不同栅压下的栅下二维电子气（2DEG）密度n2D，由下式计算得
到n
2D
：
[0008]
[0009] 其中n2D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，该阈值电压可通过对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C
；
[0010] 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V
0，由以下公式计算得到理想因子n
1
:
[0011]
[0012] 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；[0013] 4）通过如下公式计算得到GaN HFETs样品总的极化电荷密度：
[0014]
[0015] 公式中σtotal为总的极化电荷密度，n2D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，V
0和n
1
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，c
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；
[0016] 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,
[0017]
[0018]
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