薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型及参数提取方法

摘要

本发明涉及一种薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型及参数提取方法；模型中的非线性沟道电阻Rch、肖特基结和导通电阻Rs为串联连接结构；非线性电容CFP与串联的肖特基结和非线性沟道电阻Rch成并联连接结构；本发明提供模型能够综合提取出器件的寄生和本征参数建立小信号等效电路，可以方便地模拟器件的直流特性和高频特性，模型仿真结果与实际测试结果有较好地一致性；本发明的场板型肖特基二极管器件模型的参数提取方法，能够准确地提取器件场板在不同频率，不同偏置点下的电容，能够准确地提取器件的本征参数，提高模型参数提取的效率和模型的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域。尤其一种薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型及参数提取方法。

背景技术

肖特基二极管在微波射频领域有着广泛的应用，如用做高性能、敏感型混频器和检测器。所以，肖特基二极管常被分类为射频器件。GaN作为宽禁带半导体材料的代表之一，具有临界击穿电场强、耐高温和饱和电子漂移速度大等优点，适合小型化、宽频带、大功率应用。带有场板结构的超薄势垒层AlGaN/GaN肖特基二极管，通过在阳极肖特基上方区域增加场板结构，以及引入超薄的势垒层，降低了开启电压，降低了阳极区域的电场集中效应，减小了器件的漏电，增加了器件的稳定性和反向耐压能力，在高频大功率微波领域有着广阔的应用前景。模型是器件工艺和电路设计之间的桥梁，模型的准确性关系到电路设计的成败，场板结构的引入改变了器件的C-V特性，传统的二极管模型无法精确描述高频特性，器件模型仿真精度不能满足射频电路的设计要求。GaN材料及工艺特点不同于传统硅材料，目前针对这种特殊结构的AlGaN/GaN肖特基二极管还没有系统的建模方案，和其等效电路模型相关的参数提取方法有待完善，提取的效率和准确性也有待提高。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型及参数提取方法，以克服传统的二极管模型简单无法精确描述器件高频特性的缺点，提高器件模型仿真结果的精度。

本发明提供的技术方案是：

本发明公开了一种薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型，包括本征等效器件和非线性等效器件；

所述本征等效器件包括肖特基结和导通电阻R

所述非线性等效器件包括由场板结构造成的非线性电容C

所述非线性沟道电阻R

进一步地，还包括寄生等效器件；所述寄生等效器件包括寄生电容C

所述寄生电容C

所述耦合电容C

所述寄生电感L

所述寄生电感L

进一步地，所述场板型肖特基二极管包括的AlGaN势垒层为薄势垒层，厚度约为10nm。

本发明还公开了一种根据如上所述的场板型肖特基二极管器件模型的参数提取方法，包括以下步骤：

步骤S1、构建第一器件和第二器件；所述第一器件为被测的薄势垒层的场板型肖特基二极管器件；所述第二器件为与第一器件同尺寸的无场板结构的肖特基二极管器件；

步骤S2、基于第一器件建立射频测试结构进行测试，提取包括寄生电容C

步骤S3、基于第二器件建立射频测试结构进行测试，提取包括结电容C

步骤S4、基于第一器件建立射频测试结构进行测试，提取第一器件的本征参数；结合步骤S3提取的本征参数提取包括非线性电容C

进一步地，所述射频测试结构包括开路射频测试结构和短路射频测试结构；

第一器件或第二器件的开路射频测试结构的尺寸与第一器件或第二器件的结构相同，并在结构中去除第一器件或第二器件的引线及有源区，只保留焊盘；

第一器件或第二器件的短路射频测试结构的尺寸与第一器件或第二器件的结构相同，并在结构中将阴、阳电极相连，并与共面波导结构的地相连。

进一步地，所述步骤S4包括以下子步骤：

步骤S401、对第一器件的开路射频测试结构和短路射频测试结构进行去嵌测试得到第一本征S参数；

步骤S402、通过矩阵运算将第一本征S参数转换得到对应的Y参数Y

步骤S403、计算第一器件的本征区域的总电容C

进一步地，总电容

总电阻

结电阻R

将总电容C

进一步地，步骤S3中本征参数结电容C

步骤S301、对第二器件的开路射频测试结构和短路射频测试结构进行去嵌测试得到第二本征S参数；

步骤S302、通过矩阵运算将第二本征S参数转换得到对应的Y参数Y

步骤S303、计算第二器件的本征区域的总电容C

步骤S304、根据不同偏置点的测试结果，提取被测器件的本征参数结电容C

进一步地，在不同偏置点下，第二器件本征区域的总电容

第二器件本征区域的总电阻

进一步地，利用第一器件的开路射频测试结构的转移导纳提取出器件阴阳极引线之间的耦合电容C

在低频区域根据公式

本发明至少可实现以下有益效果之一：

本发明提供的薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型，能够综合提取出器件的寄生和本征参数建立小信号等效电路，可以方便地模拟器件的直流特性和高频特性，模型仿真结果与实际测试结果有较好地一致性；本发明的所建立针对薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型的参数提取方法，能够准确地提取器件场板在不同频率，不同偏置点下的电容，能够准确地提取器件的本征参数，提高模型参数提取的效率和模型的准确性。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实施例的薄势垒层的场板型肖特基二极管器件结构示意图；

图2为本实施例的薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型示意图；

图3为本实施例的器件薄势垒层的场板型肖特基二极管器件的C-V曲线；

图4为本实施例的场板型肖特基二极管器件模型参数的提取方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，本实施例中进行模型建构的薄势垒层的场板型肖特基二极管为AlGaN/GaN肖特基二极管，器件结构包括由下向上顺序布置的Silicon衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和钝化层；二极管阳极连接板场结构，阳极肖特基金属直接与AlGaN势垒层接触形成肖特基接触；阴极金属与AlGaN薄势垒层接触形成欧姆接触。

更具体的，阳极肖特基金属直接与AlGaN势垒层接触形成肖特基接触；与阳极连接的板场结构与钝化层以及AlGaN势垒层构成金属-绝缘层-半导体(MIS)结构；并且肖特基二极管AlGaN势垒层为薄势垒层，厚度约为10nm；钝化层的厚度小于等于≤20nm；以形成薄势垒层的场板型肖特基二极管。

与现有的GaN体材料以及GaN异质结厚势垒的肖特基器件不同，对于本实施例中的肖特基二极管，当阳极施加电压时，场板结构调控GaN沟道层的二维电子气。

受二极管阳极电压控制，使场板结构下的MIS结构电容以及沟道电阻会产生非线性变化，从而使得传统的肖特基二极管模型无法应用于本二极管。

即，二极管阳极施加电压时，肖特基接触产生的结电容以及场板与钝化层、超薄势组成的MIS结构同时变变化，导致器件总的C-V特性曲线不同于常规的体材料肖特基二极管，不符合关系

基于此，本实施例建立的一种薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型，如图2所示，包括本征等效器件、非线性等效器件和寄生等效器件；

本征等效器件为肖特基二极管的本体参数的等效器件；包括肖特基结和导通电阻R

所述非线性等效器件为引入板场结构所带来的非线性参数的等效器件；具体包括，受阳极电压调控的非线性电容C

其中，所述非线性沟道电阻R

其中，寄生等效器件为肖特基二极管器件的电极、金属引线以及金属引线之间的寄生参数的等效器件，包括肖特基二极管器件电极与衬底材料之间寄生参数的等效器件；阴、阳电极与其对应的金属引线之间的寄生参数的等效器件；阴、阳电极的金属引线之间的耦合参数的等效器件。

所述肖特基二极管器件电极与衬底材料之间寄生参数的等效器件包括阳极与衬底材料之间寄生电容C

所述阴、阳电极与其对应的金属引线之间的寄生参数的等效器件包括阳极与其对应的金属引线之间的寄生电感L

所述阴、阳电极的金属引线之间的耦合参数的等效器件为跨接在阴、阳电极的金属引线之间的耦合电容C

更具体的，由MIS结构产生的非线性电容C

电容取决于器件中耗尽区的空间电荷区的宽度，具体取决于阳极施加的电压。如图3所示，场板结构和一定厚度的钝化层、AlGaN超薄势垒层形成MIS结构，当阳极施加负偏压时，器件被夹断，场板下面的沟道层完全耗尽，因此C

C

其中，

本发明实施例对于上述薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型的参数提取方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤S1、构建第一器件和第二器件；

所述第一器件为被测器件；即为被测的薄势垒层的场板型肖特基二极管器件；所述第二器件为与第一器件同尺寸的无场板结构的肖特基二极管器件。

步骤S2、基于第一器件建立射频测试结构进行测试，提取包括寄生电容C

所述射频测试结构包括开路(open)射频测试结构和短路(short)射频测试结构；

更具体的，开路(open)射频测试结构的尺寸与第一器件结构相同，并去除引线及有源区，只保留焊盘pad。

短路(short)射频测试结构的尺寸与第一器件结构相同，且阴阳极相连并与CPW(coplanar waveguide，共面波导)结构的地相连。

具体包括以下子步骤：

步骤S201、利用第一器件的开路(open)射频测试结构确定寄生电容C

更具体的，寄生电容的确定包括：

1)测得第一器件的开路(open)射频测试结构的S参数；

2)通过矩阵运算将开路(open)射频测试结构的S参数转换得到对应的Y参数Y

3)利用Y参数虚部构成寄生电容C

4)在低频区域(≤5GHz)来提取阴阳极焊盘寄生电容C

优选的，寄生电容C

式中：ω为角频率；Y

步骤S202、利用第一器件的开路(open)射频测试结构的转移导纳提取出器件阴、阳电极引线之间的耦合电容C

耦合电容C

在低频区域(≤5GHz)经过公式(3)的计算可得到器件阴、阳极引线之间的耦合电容C

步骤S203、利用第一器件的短路(short)射频测试结构的测试结果确定寄生电感L

更具体的，寄生电感L

1)测得第一器件的短路(short)射频测试结构的S参数；

2)通过矩阵运算将短路(short)射频测试结构的S参数转换得到对应的Y参数Y

3)利用Y参数虚部构成寄生电感L

具体的，计算公式包括：

Z

上式中，Y

4)在高频区域(≥20GHz)根据寄生电感L

5)在高频区域(≥20GHz)根据寄生电阻R

利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管的高频寄生电阻，进而根据该肖特基二极管的高频寄生电阻确定寄生电阻R

本实施例中被测器件的射频参数主要是S参数，S参数包括四类特性，即：S

步骤S3、基于第二器件建立射频测试结构进行测试，提取包括结电容C

所述第二器件的射频测试结构包括开路(open)射频测试结构和短路(short)射频测试结构；更具体的，开路(open)射频测试结构的尺寸与肖特基二极管(第一器件结构)相同，并去除引线及有源区，只保留pad。

短路(short)射频测试结构的尺寸与肖特基二极管(第一器件结构)相同，且阴阳极相连并与CPW(coplanar waveguide，共面波导)结构的地相连。

步骤S301、对第二器件的开路(open)射频测试结构和短路(short)射频测试结构进行去嵌测试得到第二本征S参数；

采用现有的去嵌测试方法得到第二本征S参数，不对本发明的保护范围构成影响。

步骤S302、通过矩阵运算将第二本征S参数转换得到对应的Y参数Y

步骤S303、计算第二器件的本征区域的总电容C

步骤S304、根据不同偏置点的测试结果，提取被测器件的本征参数结电容C

本征参数结电容C

利用第二本征Y参数的虚部和公式(10)来提取不同偏置点下器件本征区域的总电容C

将总电容C

本征参数结电阻R

将第二本征S参数通过矩阵运算得到第二本征Z参数，利用第二本征Z参数的实部和公式(11)可在反向偏置和正向偏置(饱和工作区)分别提取出器件的结电阻和串联电阻。

器件本征区域的总电阻R

结电阻R

步骤S4、测量第一器件的本征参数，结合第二器件的本征参数进行包括非线性电容C

步骤S401、对第一器件的开路射频测试结构和短路射频测试结构进行去嵌测试得到第一本征S参数；

采用现有的去嵌测试方法得到第二本征S参数，不对本发明的保护范围构成影响。

步骤S402、通过矩阵运算将第一本征S参数转换得到对应的Y参数Y

步骤S403、步骤S403、计算第一器件的本征区域的总电容C

具体的，第一器件的本征区域的总电容C

其中，

则，将总电容C

此参数提取方法的好处在于，可以准确有效地将场板对器件的影响剥离出来，得到非线性场板电容，以及可变电阻。具体应用中根据器件工作频率和对耐压能力的要求反馈到工艺，确定场板的长度、宽度，介质层的厚度。

综上所述，本实施例的方案能够综合提取出器件的寄生和本征参数建立小信号等效电路，可以方便地模拟器件的直流特性和高频特性，模型仿真结果与实际测试结果有较好地一致性；本发明的所建立针对薄势垒层的场板型肖特基二极管器件模型的参数提取方法，能够准确地提取器件场板在不同频率，不同偏置点下的电容，能够准确地提取器件的本征参数，提高模型参数提取的效率和模型的准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。