GaN器件低温下欧姆接触性能研究

  GaN HEMT的源、漏欧姆接触电阻的变化将直接影响器件的输出电流和膝点电压,为了深入分析常规器件输出电流在低温下所发生的变化,有必要对低温条件下器件源、漏欧姆接触电阻进行分析。本文选取常规GaN HEMT生长在同一晶片上的TLM图形进行低温下AlGaN/GaN HEMT欧姆接触特性分析。
 
1. 传输线模型
  在研究器件欧姆接触特性时,最常使用的方法是传输线模型(TLM)。在采用该测量方法时需要制备图1所示的测试图形,用以得到所测材料的比接触电阻ρc和半导体材料方块电阻RSH
TLM测试图形 
图1 TLM测试图形
 
  根据传输线模型的相关理论可以知道,测试中,如果金属电极的方块电阻远小于半导体材料本身的方块电阻,那么相邻两电极间的总电阻RT就可以用下式表示:
计算公式1     (1)
 
  上式中,RC为金属电极的接触电阻,RSH是两电极之间半导体材料的方块电阻,l为相邻电极的间距。根据TLM相关理论的计算,如果定义传输长度公式,则有:
计算公式2、3 
 
  从公式(3)可以看出,通过测量不同间距处相邻电极之间的总电阻RT,可以得到总电阻RT随间距l的变化曲线,如图2所示。我们通过直线的斜率和直线与横轴的截距可以分别得到材料方块电阻RSH和传输长度LT,进一步利用传输长度定义可以求出比接触电阻ρc:
计算公式4      (4)
接触电阻随接触间距的变化曲线 
图2 接触电阻随接触间距的变化曲线
 
  采用TLM法所确定的比接触电阻的单位是Ω•cm2。另外,当比接触电阻低于10-7Ω•cm2时,TLM方法所得结果的准确度将会受到影响。
 
  2. 源、漏欧姆接触电阻变温测试结果
  如前文所述,实验中制作了用于TLM测试的图形,用以确定低温下欧姆接触性能随温度的变化关系。其中,金属电极的宽度Wc=100µm,电极间距离从左向右依次为3µm、5µm、8µm、13µm 和 20µm。测试温度依次选取T=77K、100K、200K和300K等四个温度点。同时,为了提高测试精度,在每一组测试前都会对探针引入电阻进行评估,以降低误差。图3(a)、(b)、(c)、(d)依次给出了各个温度点下的TLM结果,其中离散点为实际测试结果,直线是线性拟合所得。
TLM 测试结果 
图3 TLM 测试结果
 
  根据公式(3)中的关系,通过图3线性拟合过程中的直线斜率和截距,可以计算得到不同温度下欧姆接触的方块电阻RSH和比接触电阻ρc,如图 4 所示。
(左a)方块电阻随温度变化曲线 (右b) 比接触电阻随温度变化曲线 
图4(左a)方块电阻随温度变化曲线 (右b) 比接触电阻随温度变化曲线
 
  从图4 可以看出,欧姆接触方块电阻和比接触电阻都随着温度的降低而减小,,同时,越靠近低温段,二者随温度减小的速度都表现出明显的降低趋势。此外,从图3.0(b)中可以看到,本实验中得到的当比接触电阻基本都能满足大于 10-7Ω•cm2这一测试要求,即所得结果可以反映材料的真实变化规律。

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