增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试方法及系统

1.本发明涉及微电子的技术领域，特别涉及一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试方法及系统。


背景技术：

2.作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，氮化镓(gan)是一种直接带隙宽禁带半导体，通常为纤锌矿结构，室温下禁带宽度为3.4ev。它具有优异的物理性质和化学性质，包括大的临界击穿电压、大的电子饱和漂移速度和高热导率等，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的前景，航天、核工业、军用电子等特殊环境对这种器件也有着迫切的需求。对于应用在航天器中的电子器件而言，在外层空间环境中，存在着大量的银河宇宙射线、太阳耀斑以及地磁俘获带的粒子，会对航天器上电子器件的可靠性产生不可忽视的影响。空间环境中存在大量的高能粒子，主要为电子(能量》5mev)、质子(能量为0.1～5mev)以及少量重离子等，质子是空间辐射环境中造成半导体器件位移损伤效应的主要粒子之一，位移损伤效应是指高能粒子比如质子、中子以及电子等入射靶材料，会与材料中的原子相互作用，将自身的部分能量转移到靶原子上，使其离开原来的晶格位置，成为晶格中的间隙原子，在它原来的位置上留下一个空位，空位和间隙原子若仍处于它的弹性力场和库仑力场范围内，则可发生复合；若超过这个力场，则形成间隙原子—空位对，即费伦克尔缺陷(frenkel defect)，从而导致器件性能退化或造成永久性损伤。
3.国内外目前对于传统的耗尽型氮化镓器件已经开展了大量的辐照实验研究，但是现有技术下并未对新型增强型cascode结构氮化镓器件开展质子辐照实验，而且采用重离子辐照等其他测试方法得到的测试结果不能准确表征位移损伤效应的物理机制。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.本发明的目的是提供一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试方法及系统，通过待测器件质子辐照前后的电学性能变化的比较分析，可得到增强型氮化镓器件敏感区在栅极，由此可准确表征位移损伤效应的物理机制。
6.(二)技术方案
7.为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试方法，包括：将待测器件进行分组编号，得到增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组；将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行电学性能测试，并记录第一测试结果；将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行质子辐照；将质子辐照后的增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行电学性能测试，并记录第二测试结果；基于增强型氮化镓器件组的第二测试结果和第一测试结果的比较分析，得到第一比较结果；基于耗尽型氮化镓器件组的第二测试结果和第一测试结果的比较分析，得到第二比较结果；基于第一比较结果和第二比较结果确定待测器件对位移损伤效应电荷收集的敏感区域。
8.可选的，所述电学性能测试采用半导体参数分析仪，包括以下设置参数：测量栅源电压设置漏端电压为100mv；栅源电压量程设置为0-15v；饱和漏电流量程设置为0-1a。
9.可选的，所述将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行质子辐照包括：质子能量为60mev；注量率为1
×
10
7-1
×
108p/(cm2·
s)；注量为1
×
10
12
p/cm2以下；辐照范围是2
×
2cm；在辐照过程中未加偏置。
10.可选的，所述第二测试结果和第一测试结果均包括：跨导、阈值电压及饱和漏电流。
11.可选的，所述跨导满足以下条件式：
[0012][0013]
式中，gm是跨导；是偏微分符号；id为饱和漏电流；vg为源漏电压。
[0014]
可选的，所述饱和漏电流满足以下条件式：
[0015][0016]
式中，z表示正电荷数；l表示栅长；c0表示单位面积栅氧化层电容；vd表示漏极电压；v
t
表示阈值电压；μn表示电子迁移率。
[0017]
可选的，所述跨导满足以下条件式：
[0018][0019]
式中，z表示正电荷数；l表示栅长；c0表示单位面积栅氧化层电容；vd表示漏极电压；μn表示电子迁移率。
[0020]
可选的，所述第一比较结果和第二比较结果均包括所述电子迁移率；所述电子迁移率降低，在栅氧层诱生大量电子-空穴对，以使待测器件发生位移损伤。
[0021]
可选的，所述将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行质子辐照之前包括：将待测器件均连接于pcb测试板上；将所述pcb测试板固定于移动平台上，使用激光准直器以使靶室中心对准待测器件。
[0022]
本发明的第二方面提供了一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试系统，包括：分组模块，其用于将待测器件进行分组编号，得到增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组；第一测试模块，其用于将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行电学性能测试，并记录第一测试结果；辐照模块，其用于将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行质子辐照；第二测试模块，其用于将质子辐照后的增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行电学性能测试，并记录第二测试结果；第一比较模块，其用于基于增强型氮化镓器件组的第二测试结果和第一测试结果的比较分析，得到第一比较结果；第二比较模块，其用于基于耗尽型氮化镓器件组的第二测试结果和第一测试结果的比较分析，得到第二比较结果；确定模块，其用于基于第一比较结果和第二比较结果确定待测器件对位移损伤效应电荷收集的敏感区域。
[0023]
(三)有益效果
[0024]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0025]
增强型氮化镓器件和耗尽型氮化镓器件在经高能质子辐照后，由于在器件结构内
部引入缺陷导致器件电学性能变化从而产生位移损伤效应，经电学性能测试得到相应的第二测试结果；并与质子辐照之前进行的电学性能测试得到相应的第一测试结果进行相对应的比较，通过对比可以看出两种器件的抗辐射能力明显不同，基于比较结果可得到增强型氮化镓器件对质子辐照更为敏感，且敏感区域在栅极。因此，通过待测器件质子辐照前后的电学性能变化的比较分析，可得到增强型氮化镓器件敏感区在栅极，由此可准确表征位移损伤效应的物理机制。
附图说明
[0026]
图1是增强型氮化镓器件的内部等效电路图；
[0027]
图2是本发明实施例提供的一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试方法的流程示意图；
[0028]
图3示意性地示出质子辐照前后增强型氮化镓器件的转移特性曲线；
[0029]
图4a示意性地示出质子辐照前后耗尽型氮化镓器件的转移特性曲线1；
[0030]
图4b示意性地示出质子辐照前后耗尽型氮化镓器件的转移特性曲线2；
[0031]
图5是本发明实施例提供的一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试系统的结构示意图。
具体实施方式
[0032]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0033]
高能质子是空间辐射环境中最主要的组分，它和电子一样，与物质通过库仑作用反应，其径迹不易偏转，所以质子的穿透能力强。高能质子辐照器件，使晶格原子位移并生成带电的缺陷中心。这些缺陷通过库仑作用降低载流子迁移率，通过电荷复合和载流子去除效应降低二维电子气的面密度。而且，质子辐照可以在金属和材料界面引入缺陷，导致肖特基势垒高度的变化。质子辐照对器件造成的影响主要表现在，阈值电压的漂移，饱和漏电流和栅泄漏电流的变化。
[0034]
随着半导体器件结构和工艺的不断优化，增强型共源共栅(cascode)的氮化镓器件被设计生产并投入使用，如图1所示，cascode型器件由高压耗尽型氮化镓器件(gan hemt)和低压增强型si mosfet共源极、共栅极级联构成。当器件不加栅压且漏源电压大于零时，工作在正向阻断模态；当栅压大于si mosfet的阈值电压时，器件正向导通；一旦si mosfet反向导通，器件将工作在反向导通模态。又因为si mosfet的漏源电压vds_si给gan hemt的栅源电压vgs_gan提供负偏置电压，因此控制si mosfet的通断即可控制gan hemt的通断，从而实现常闭特性；除了可以实现常闭特性，增强型相较于耗尽型与现有电路匹配度更高，可以应用到更多的领域。
[0035]
如图1所示，该器件由si mosfet和gan hemt级联而成，si器件控制着栅源端，gan器件控制着漏端。使沟道区源端强反型时的栅源电压称为mos管的阈值电压，cascode型氮化镓器件的阈值电压负向漂移主要是由于质子辐照在栅氧化层中诱导产生大量电子-空穴
对所引起的。由于电子在氧化层中的迁移率高于空穴，因此电子能够在较短时间内离开栅氧化层，而空穴在氧化层中的移动速度相对较慢，甚至会被栅氧化层中的本征缺陷俘获，最终导致了栅氧化层陷阱电荷面密度n
ot
增加，使得阈值电压v
t
降低。
[0036]
本发明实施例中选用了新型增强型氮化镓器件，器件结构和制作工艺都有优化，由于硅mos的引入，器件具有更大的与驱动电路兼容的栅压浮动；mosfet以共源共栅方式连接，充当了开关作用，实现常闭状态；而传统耗尽型由于aln和gan界面极化会产生二维电子气，使得处于常开状态，在启用前需要加一个负压达到关闭状态才能使用，否则会出现大电流使器件烧毁或损坏。
[0037]
本发明的一实施方式提供了一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
[0038]
步骤s110,将待测器件进行分组编号，得到增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组；
[0039]
步骤s120,将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行电学性能测试，并记录第一测试结果；
[0040]
步骤s130,将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行质子辐照；
[0041]
步骤s140,将质子辐照后的增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行电学性能测试，并记录第二测试结果；
[0042]
步骤s150,基于增强型氮化镓器件组的第二测试结果和第一测试结果的比较分析，得到第一比较结果；
[0043]
步骤s160,基于耗尽型氮化镓器件组的第二测试结果和第一测试结果的比较分析，得到第二比较结果；
[0044]
步骤s170,基于第一比较结果和第二比较结果确定待测器件对位移损伤效应电荷收集的敏感区域。
[0045]
增强型氮化镓器件(enhanced gallium nitride high electron mobility devices，cascode gan hemt)和耗尽型氮化镓器件在经高能质子辐照后，由于在器件结构内部引入缺陷导致器件电学性能变化从而产生位移损伤效应，经电学性能测试得到相应的第二测试结果；并与质子辐照之前进行的电学性能测试得到相应的第一测试结果进行相对应的比较，通过对比可以看出两种器件的抗辐射能力明显不同，基于比较结果可得到增强型氮化镓器件对质子辐照更为敏感，且敏感区域在栅极，由此可准确表征位移损伤效应的物理机制。
[0046]
一些实施例中，所述电学性能测试采用半导体参数分析仪，包括以下设置参数：测量栅源电压设置漏端电压为100mv；栅源电压量程设置为0-15v；饱和漏电流量程设置为0-1a。例如，可采用半导体参数分析仪b1500a。
[0047]
一些实施例中，所述将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行质子辐照包括：质子能量为60mev；注量率为1
×
10
7-1
×
108p/(cm2·
s)；注量为1
×
10
12
p/cm2以下；辐照范围是2
×
2cm；在辐照过程中未加偏置。
[0048]
一些实施例中，所述第二测试结果和第一测试结果均包括：跨导、阈值电压及饱和漏电流。
[0049]
一些实施例中，所述跨导满足以下条件式：
[0050][0051]
式中，gm是跨导；是偏微分符号；id为饱和漏电流；vg为源漏电压。
[0052]
一些实施例中，所述饱和漏电流满足以下条件式：
[0053][0054]
式中，z表示正电荷数；l表示栅长；c0表示单位面积栅氧化层电容；vd表示漏极电压；v
t
表示阈值电压；μn表示电子迁移率。
[0055]
一些实施例中，所述跨导满足以下条件式：
[0056][0057]
式中，z表示正电荷数；l表示栅长；c0表示单位面积栅氧化层电容；vd表示漏极电压；μn表示电子迁移率。
[0058]
一些实施例中，所述第一比较结果和第二比较结果均包括所述电子迁移率；所述电子迁移率降低，在栅氧层诱生大量电子-空穴对，以使待测器件发生位移损伤。
[0059]
一些实施例中，所述将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行质子辐照之前包括：将待测器件均连接于pcb测试板上；将所述pcb测试板固定于xyz移动平台上，使用激光准直器以使靶室中心对准待测器件。
[0060]
本发明的另一实施方式提供了一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试方法，具体包括以下步骤：
[0061]
步骤s210,开展待测器件质子辐照前的电学性能测试。将待测器件进行分组编号前可先选取用于实验的增强型cascode和耗尽型氮化镓器件，开展器件质子辐照前电学性能测试。根据选择的两种待测器件的样品器件手册，在半导体参数分析仪中设置相应参数，测量栅源电压首先要设置决定因素,即漏端电压为100mv，栅源电压量程在0-15v之间，饱和漏电流量程在0-1a之间。确保两种待测器件样品性能正常且一致性高，并对测试合格的样品进行分组编号，例如实验可选取增强型氮化镓器件3支作为一组，耗尽型氮化镓器件3支作为另一组；进行电学性能测试得到的数据为第一测试结果，记录第一测试结果并按分组编号保存。
[0062]
本次试验需要测试待测器件的跨导gm、阈值电压v
t
(使沟道区源端强反型时的栅源电压称为mos管的阈值电压)及饱和漏电流。
[0063]
步骤s220,对待测器件开展质子辐照实验。
[0064]
质子辐照实验可在200mev质子装置(xipaf)上开展。将待测器件固定到pcb测试板上，再将pcb测试板固定在xyz精密移动平台上，使用激光准直器保证靶室中心在待测器件敏感部位的中心，辐照范围是2
×
2cm；辐照过程中，例如可设置质子能量为60mev，注量率为1
×
108p/(cm2·
s)，当质子注量达到1
×
10
12
p/cm2即停止辐照，增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组在辐照过程中均不加偏置，实验温度为室温。
[0065]
步骤s230,开展待测器件质子辐照后的电学性能测试。记录并处理实验采集的全部数据。
[0066]
质子辐照结束后再次进行增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组的电学性
能测试。半导体参数分析仪的设置参数可与步骤s210中一致，将电学性能测试得到的第二测试结果的数据保存。例如，可利用origin软件画出两种器件组转移特性曲线图，将测得的第一测试结果和第二测试结果的数据导入origin软件中，调整图形颜色、线条、符号等，得到图3、图4a和图4b。
[0067]
其中，跨导gm的条件表达式为：
[0068][0069]
式中，是偏微分符号；id为饱和漏电流；vg为源漏电压。如图3所示，源漏电流变化量小于栅压变化量，所以跨导通过偏微分计算呈现下降现象。跨导峰值的退化量可以很好地评价栅区域的损伤程度及沟道电子迁移率的退化程度。
[0070]
步骤240，分析得到的转移特性曲线图。
[0071]
根据电学性能测试得到的第一测试结果和第二测试结果的数据可得到第一比较结果，即增强型氮化镓器件的测试数据的变化。如图3所示，用高能质子对器件进行辐照后，增强型氮化镓器件的阈值电压出现明显负向漂移现象，由质子辐照前测试得到的5.8v漂移至质子辐照后测试得到的4.6v，减少了1.2v；增强型氮化镓器件的饱和漏电流有所降低；增强型氮化镓器件的最大跨导由质子辐照前测试得到的0.324s
·
mm-1
降至质子辐照后测试得到的0.260s
·
mm-1
,降低了约19.75％，且最大跨导对应的栅压负向漂移。阈值电压v
t
的负向漂移主要是由于质子辐照在mos管栅氧化层中诱导产生大量电子-空穴对所引起的，由于电子在氧化层中的迁移率高于空穴，因此电子能够在较短时间内离开栅氧化层，而空穴在氧化层中的移动速度相对较慢，甚至会被栅氧化层中的本征缺陷俘获，最终导致了栅氧化层陷阱电荷面密度n
ot
增加，使得阈值电压v
t
降低。质子辐照后在器件内产生类受主型缺陷，会俘获电子后导致载流子密度减小，从而导致饱和漏电流减小。晶体管的漏极电流id可表示为:
[0072][0073]
式中，z表示正电荷数；l表示栅长；c0表示单位面积栅氧化层电容；vd表示漏极电压；v
t
表示阈值电压；μn表示电子迁移率。
[0074]
将式2代入式1中得到：
[0075][0076]
其中，根据电学性能测试得到的第一测试结果和第二测试结果的数据可得知第一比较结果，即第一比较结果中的增强型氮化镓器件的最大跨导由质子辐照前测试得到的0.324s
·
mm-1
降至质子辐照后测试得到的0.260s
·
mm-1
,降低了约19.75％，即跨导gm减小，通过式3可计算得到增强型氮化镓器件电子迁移率μn降低。
[0077]
高能质子辐照使增强型cascode氮化镓器件内产生类受主型缺陷，电子迁移率降低，在栅氧层诱生大量电子-空穴对，使器件发生位移损伤。如图4a所示，耗尽型氮化镓器件的阈值电压在质子辐照前后无变化，饱和漏电流在质子辐照前后略有变化，如图4b所示，耗尽型氮化镓器件的跨导在质子辐照前后几乎无变化，通过式3计算可得到耗尽型氮化镓器件电子迁移率μn几乎没有变化。对比图3和图4a、图4b可以得到，增强型器件对高能质子辐
照更敏感，且可知敏感区域在栅极。
[0078]
基于同一发明构思，本发明的第二方面提供了一种增强型氮化镓器件位移损伤效应的测试系统，如图5所示，包括：分组模块510，其用于将待测器件进行分组编号，得到增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组；第一测试模块520，其用于将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行电学性能测试，并记录第一测试结果；辐照模块530，其用于将增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行质子辐照；第二测试模块540，其用于将质子辐照后的增强型氮化镓器件组和耗尽型氮化镓器件组进行电学性能测试，并记录第二测试结果；第一比较模块550，其用于基于增强型氮化镓器件组的第二测试结果和第一测试结果的比较分析，得到第一比较结果；第二比较模块560，其用于基于耗尽型氮化镓器件组的第二测试结果和第一测试结果的比较分析，得到第二比较结果；确定模块570，其用于基于第一比较结果和第二比较结果确定待测器件对位移损伤效应电荷收集的敏感区域。
[0079]
其中，本发明实施例对于各模块的具体形状结构不做限定，本领域技术人员可以根据其实现的功能作用对其进行任意设置，在此不再赘述；另外，本发明实施例中上述各模块所实现的操作步骤的具体实现过程以及实现效果与本发明实施例中步骤s110-步骤s170的具体实现过程以及实现效果相同，具体可参考上述陈述内容，在此不再赘述。
[0080]
本发明实施例的上述技术方案至少具有如下有益的技术效果：
[0081]
1、本发明实施例中利用高能质子作为辐照源辐照增强型氮化镓器件，通过分析器件质子辐照前后的电学性能变化可以对位移损伤效应的产生机制进行研究，进而为增强型氮化镓器件的电路设计提供加固建议和方法，对提高增强型氮化镓器件的抗辐射性能具有重要意义。
[0082]
2、本发明实施例中对两种不同结构的氮化镓器件进行辐照损伤对比试验，通过对比可以看出两种器件的抗辐射能力明显不同，增强型氮化镓器件对质子辐照更为敏感。
[0083]
3、本发明实施例中对于高能质子辐照增强型氮化镓器件影响其性能的测试方法，可在不改变器件版图，不改变生产工艺步骤的前提下进行，有利于实验的操作实施和提高实验数据的准确性，使得实验更契合实际应用场景。
[0084]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。