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提取二极管参数测试示意图
图1 提取二极管参数测试示意图
 
  从以上的分析我们可以设计测试实验以抽取HEMT结构二极管的内建电势和势垒高度,并分析栅源、栅漏寄生悬空栅HEMT对I-V特性的影响。如图1所示的是大正向偏置下的测试示意图。设计不同源漏距离且栅极悬空的有源电阻与肖特基二极管的阳极相连,T1至Tn的源极分别接到肖特基二极管的阳极,T1至Tn的漏极接正电源VDD。从0V到15V扫描VDD的电压,观察电流总的电流大小和二极管与T1至Tn的电压值Vout。VDD在0V到肖特基二极管的内建电势(Vbi)范围时,由于肖特基势垒的存在,二极管的电阻非常大,所有的VDD都加在肖特基二极管上,而与之串联的T1至Tn上的电压可以忽略。此时的I-V特性表现为典型的肖特基结I-V特性。当VDD电压增大到大于Vbi后,AlGaN/GaN界面处的导带底已经和Ni-AlGaN界面的导带底相持平,能带的偏移量将出现在与HEMT结构二极管串联的T1至Tn和Tch上,此时的I-V特性表现为电阻特性。所能测量到的Vout为HEMT结构二极管的内建电势Vbi和加在HEMT结构二极管内建有源电阻Tch上的电压之和。
内建电势和肖特基势垒高度测试  
图2 内建电势和肖特基势垒高度测试Vout-VDD,IDD-VDD关系曲线。(a)HEMT结构二极管栅极面积1256um 2 ,(b)HEMT结构二极管栅极面积2826um 2
 
  与HEMT结构二极管相连的寄生悬空HEMT T1至Tn为5个,它们的栅宽分别为100um,命名为T1到T5。从T1到T5的栅源间距为3um,5um,8um,13um,20um,而HEMT结构二极管的栅极和源/漏极的间距为2um。将T1至T5与HEMT结构二极管串联,相当于将不同的电阻与HEMT串联。需要注意的是,HEMT结构二极管本身就是一个二极管与一个寄生栅极悬空的HEMT Tch串联的二端器件,当我们测量Vout的时候,Vout的值正是这个本征二极管内建势和栅极悬空HEMT上降落的电压总和。
 
  如图2所示的是内建电势/肖特基势垒高度测试I-V和V-V关系曲线。从图上可以看到,在VG<Vbi的范围内,所有曲线几乎重合,也就是说与HEMT结构二极管串联的有源电阻的大小并不影响这个电压范围内的V-V、I-V特性曲线,特性曲线的变化完全由HEMT结构二极管决定。所有的VDD都加载在HEMT结构二极管的栅极和源/漏极,与二极管的寄生栅极悬空HEMT上没有任何电压。这点也可以从Vout-VDD的曲线看到,从0<VG<Vbi,Vout与VDD线性相关,随着VDD的增大Vout以斜率为1.00的直线上升,在VG=Vbi附近开始偏离这个线性关系。
 
  随着VDD大于Vbi,IDD和Vout的曲线都与VDD依旧呈现线性的关系,只不过此时的线性度已经偏离1.00。这是因为在这个范围内,电压增量已经不能继续加载在HEMT结构二极管两端,而是加在T1到T5,以及Tch上。T1至T5,以及Tch也处于自身的线性电阻区内。
 
  随着电压的继续增大,T1至T5,以及Tch的电压也逐渐增大,直到沟道中的2DEG以饱和速度从源极移动到漏极形成饱和漏极电流。此时的Vout由T1至T5与Tch的分压决定。
不同串联电阻1V到2V区间的Vout和VDD关系图  
图3 不同串联电阻1V到2V区间的Vout和VDD关系图
 
  图3给出的是不同串联电阻1V到2V区间的Vout和VDD的关系曲线。从图中可以看到Vout的值从1.3V左右的位置开始偏离斜率为1.00的直线,这意味着能带图上从半导体异质结处的电子往金属侧所旭克服的势垒已经非常小,电压开始降落在与HEMT结构二极管串联的Tch和T1至T5上。但是Vout开始变化的点并不明确。从图4中我们可以看到,在1.75V至2.00V之间的总电流有着很好的线性度,这是因为由于所加电压不是很大,寄生的栅极开路HEMT T1至T5也正处于它们的线性电阻区域。为此,我们将这一段线性电阻区的Vout-VDD曲线族做线性拟合直线,发现它们都交于一个固定的点1.24V。也就是说不管串联电阻的阻值为多少,在1.24V后,部分电压已经开始加载在寄生HEMT上。因为寄生悬空HEMT的线性区的电阻越大,则原生HEMT结构二极管与Tch串联所分得的压降Vout就越低。由此,从不同寄生悬空HEMT的共同出发点1.24V做一条平行x轴的直线,此直线代表寄生悬空栅极HEMT电阻无穷大时的分压曲线,如图3所示。这条直线与实测Vout-VDD的拟合直线的交点就是本征HEMT结构二极管的内建电势差Vbi,图中提取的是为1.34V。
由寄生栅极悬空HEMT决定的线性区  
图4 由寄生栅极悬空HEMT决定的线性区,在1.7V至2V之间的范围内
 
  由图1的测试电路图,式(4-1)给出了Vout与输入电压的关系
计算公式  
  Rch和RSD分别寄生悬空栅HEMT和串联悬空栅HEMT在线性区的电阻。从式中可以看到,RSD越大,Vout所表现出来的电压值就与本征二极管的内建势相近。当RSD为无穷大时(不可能的值),Vout=Vbi。当RSD为零时,Vout的值为VDD的值,此时除Vbi外,所有电压加到寄生悬空栅HEMT T1至T5上。
两个HEMT结构肖特基二极管与有源电阻串联Vout-VDD,IDD-VDD关系曲线  
图5 两个HEMT结构肖特基二极管与有源电阻串联Vout-VDD,IDD-VDD关系曲线
 
  图5给出的是两个串联的HEMT结构肖特基二极管与有源电阻串联Vout-VDD,IDD-VDD关系曲线。从图上可以看到在偏置部分,不同串联有源电阻的曲线仍然重合得很好。从共同出发点做平行与x轴的直线与Vout-VDD相交的方法得到的两个本征HEMT结构二极管的内建势的值为2.7V。这与上面用一个HEMT结构二极管提取的内建势的值刚好为两倍关系,这说明了这种测试方法的准确性。
内建电势和肖特基势垒高度测试Vout-VDD,IDD-VDD关系曲线  
图6 内建电势和肖特基势垒高度测试Vout-VDD,IDD-VDD关系曲线。(a)F处理HEMT结构二极管栅极面积1256um 2 ,(b)F处理HEMT结构二极管栅极面积2826um 2
 
  图6给出的是F处理HEMT结构二极管不同串联电阻1V到2V区间的Vout和VDD的关系曲线。Vout-VDD在低偏置下偏离斜率1.00的点明显要比常规HEMT结构二极管要往正方向平移,这是F处理后内建电势/肖特基势垒高度升高的缘故。从图中可以提取F注入HEMT结构二极管的内建势为1.98V,相比常规HEMT结构肖特基二极管内建势升高了0.64V。

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