一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法技术

本发明专利技术涉及一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法，包括：1)在固定漏端偏压下，测试得到不同栅偏压下GaN基HEMT的S参数；2)计算不同栅偏压下GaN基HEMT的栅电容C

【技术实现步骤摘要】
一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法


[0001]本专利技术涉及一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法，属于微电子器件的


技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)具有高的饱和电子漂移速度和大的击穿场强，在高频大功率领域具有广阔的应用前景。作为表征器件特性的重要参数，电子迁移率与器件的输出电流、输出功率和频率特性紧密相关，其准确提取和深入分析，对于器件性能的改善和器件模型的建立，具有不可忽视的作用。在传统提取方法中，栅下沟道电子迁移率通常由测试得到的电流电压曲线，结合栅下二维电子气面密度提取得到。二维电子气面密度由直接测试得到的栅极电容和电压曲线(C
‑
V)积分并除以栅面积(栅长栅宽乘积值)得到。但是，随着GaN器件频率特性的不断提高，器件栅长(L
G
)不断缩小，尤其当器件栅长缩小到100nm以下时，由于栅面积的缩小，栅极电容变得很小，其测试开始变得困难，对设备的灵敏度和分辨率的要求更高，甚至受限于测试设备而无法获得准确测量数值。而且，栅极边缘电场调控作用也开始变得更加明显，边缘电容效应在整体测试得到的电容中占比越来越不可忽视，如图1所示，导致其测试得到的电容值远大于实际栅面积下的电容值。这使得栅下二维电子气面密度难以直接提取，只能依赖于仿真结果或者是参考大尺寸栅长器件的电子面密度，从而对小尺寸器件栅下载流子输运特性的分析和研究带来了极大的困难。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法，该方法基于测试得到的小信号S散射参数进行栅极电容的直接提取，并有效去除栅极边缘电容的影响，从而获得纳米尺寸栅长器件的实际电容值和二维电子气面密度，对GaN射频器件沟道载流子输运特性分析和模型建立，具有重要的实用价值。
[0004]术语解释：
[0005]1.S参数矩阵：在微波电路中，常用S参数表示二端口网络的输入和输出端口反射波和入射波之间的关系，其定义为
[0006]b1＝S
11
·
a1+S
12
a2,
[0007]b2＝S
21
·
a1+S
22
a2,
[0008]其中a1为输入端口归一化入射功率波，b1为输入端口归一化反射功率波，a2为输出端口归一化入射功率波，b2为输出端口归一化反射功率波。其矩阵形式为：
[0009][0010]S参数矩阵定义为：
[0011][0012]式(I)中，S
11
＝b1/a1|
a2＝0
,为输出端口接匹配负载情况下的输入端口反射系数，S
12
＝b1/a2|
a1＝0
,为输入端口接匹配负载情况下的反向功率增益，S
21
＝b2/a1|
a2＝0
,为输出端口接匹配负载情况下的正向功率增益,S
22
＝b2/a2|
a1＝0
,为输入端口接匹配负载情况下的输出端口反射系数。
[0013]2.Z参数矩阵：阻抗参数(Z参数)主要用来描述输入和输出端口电压和相应端口电流之间的关系：
[0014]V1＝Z
11
·
I1+Z
12
I2,
[0015]V2＝Z
21
·
I1+Z
22
I2。
[0016]其中V1和I1为输入端口的电压和电流，V2和I2为输出端口的电压和电流，其矩阵形势为：
[0017][0018]Z参数矩阵定义为：
[0019][0020]式(II)中，Z
11
＝V1/I1|
I2＝0
，为输出端口开路情况下的输入阻抗；Z
12
＝V1/I2|
I1＝0
，为输入端口开路情况下的反向传输阻抗；Z
21
＝V2/I1|
I2＝0
，为输出端口开路情况下的正向传输阻抗；Z
22
＝V2/I2|
I1＝0
，为输入端口开路情况下的输出阻抗。
[0021]3.Y参数矩阵：导纳参数矩阵，主要用来描述输入和输出端口电流和电压之间的关系：
[0022]I1＝Y
11
·
V1+Y
12
V2,
[0023]I2＝Y
21
·
V1+Y
22
V2,
[0024]其中V1和I1为输入端口的电压和电流，V2和I2为输出端口的电压和电流，其矩阵形式为：
[0025][0026]其中Y参数矩阵定义为：
[0027][0028]式(III)中，Y
11
＝I1/V1|
V2＝0
，为输出端口开路情况下的输入导纳；Y
12
＝I1/V2|
V1＝0
，为输入端口开路情况下的反向传输导纳；Y
21
＝I2/V1|
V2＝0
，为输出端口开路情况下的正向传输导纳；Y
22
＝I2/V2|
V1＝0
，为输入端口开路情况下的输出导纳。
[0029]3.本征Zint参数：本征Z参数为相对于Z参数，将器件中欧姆、栅源、栅漏区域的电阻值进行去除，从而得到器件本征特性下的Z
int
参数特性。其具体转换计算为：
[0030][0031]式(IV)中，R
s
为源极电阻、R
d
为漏极电阻，R
g
为栅极电阻。
[0032]本专利技术的技术方案为：
[0033]一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法，包括：
[0034]1)在固定漏端偏压下，测试得到不同栅偏压下GaN基HEMT的S参数；
[0035]2)计算不同栅偏压下GaN基HEMT的栅电容C
g
；
[0036]3)根据不同栅长下的栅电容C
g
，得到寄生电容C
ext
和栅本征电容C
int
；再通过对栅本征电容C
int
随栅偏压的变化曲线进行积分，进而得到栅下二维电子气电子面密度。
[0037]根据本专利技术优选的，步骤1)中，在固定漏端偏压下，采用矢量网络分析仪测试不同栅源偏压下GaN基HEMT的S参数矩阵[S]，[S]满足：
[0038][0039]进一步优选的，矢量网络分析仪包括信号输入端口和信号输出端口，每个端口通过电缆和探针与GaN基HEMT器件相连，矢量网络分析仪的信号输入端口与GaN基HEMT的栅极相连接，矢量网络分析仪的信号输出端口与GaN基HEMT的漏极相连接，GaN基HEMT的源极通过探本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法，其特征在于，包括：1)在固定漏端偏压下，测试得到不同栅偏压下GaN基HEMT的S参数；2)计算不同栅偏压下GaN基HEMT的栅电容C
g
；3)根据不同栅长下的栅电容C
g
，得到寄生电容C
ext
和栅本征电容C
int
；再通过对栅本征电容C
int
随栅偏压的变化曲线进行积分，进而得到栅下二维电子气电子面密度。2.根据权利要求1所述的一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法，其特征在于，步骤1)中，在固定漏端偏压下，采用矢量网络分析仪测试不同栅源偏压下GaN基HEMT的S参数矩阵[S]，[S]满足：3.根据权利要求2所述的一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法，其特征在于，矢量网络分析仪包括信号输入端口和信号输出端口，每个端口通过电缆和探针与GaN基HEMT器件相连，矢量网络分析仪的信号输入端口与GaN基HEMT的栅极相连接，矢量网络分析仪的信号输出端口与GaN基HEMT的漏极相连接，GaN基HEMT的源极通过探针相连接地；栅偏压变化范围为
‑
6V～1V，步幅为0.5V；漏端偏压固定为0.1V，矢量网络分析仪输出频率范围设定为1～40GHz，步幅为500MHz。4.根据权利要求1所述的一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法，其特征在于，步骤2)中，计算不同栅偏压下GaN基HEMT的栅电容C
g
，具体过程为：2
‑
1，将S参数矩阵经过短路开路去嵌处理后，转化成Z参数矩阵[Z]；2
‑
2，在Z参数矩阵中减去源极电阻R
s
、漏极电阻R
d
和栅极电阻R
g
，得到本征Z参数矩阵[Z
int
]，本征Z参数矩阵[Z
int
]满足：2
‑
3，将得到的本征Z
int
参数转换成Y参数，则获得栅源电容C
gs
和栅漏电容C
gd
：：式(V)和(VI)中，ω表示角频率，且ω＝2πf，f为测试频率，lm()表示取复数的实部；Re()表示取复数的实部；2
‑
4，基于获得的栅源电容C
gs
和栅漏电容C
gd
，得到器件的栅电容C
g
＝C
gs
+C
gd
；2
‑
5，重复步骤2
‑
1至步骤2
‑
4，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔鹏，陈思衡，钟宇，李汉和，徐明升，崔潆心，李树强，韩吉胜，徐现刚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：