使用冷场效应晶体管（cold-FET）与开路/短路（open-short）技术对高电子迁移率晶体管（HEMTs）进行相对退嵌入（de-embedding）的比较

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Comparative RF de-embedding of HEMTs using cold-FET vs open-short techniques

　　

苏拉吉特·查克拉博蒂（Surajit Chakraborty）| 李朱赫荣（Ju-Hyung Lee）| 阿维沙克·雷（Avishak Ray）| 全赫敏（Hyuk-Min Kwon）| 金泰宇（Taewoo Kim）

韩国蔚山大学电气工程学院，蔚山，大韩民国

摘要

我们提出了一种改进的冷式场效应晶体管（cold-FET）去嵌入方法，用于提高高电子迁移率晶体管（HEMTs）的射频（RF）特性分析，该方法解决了传统开路-短路（open-short）技术的结构限制。虽然开路-短路方法能有效去除寄生焊盘电容，但它无法消除由栅极电极超出台面区域扩展引起的边缘场效应。通过在深度亚阈值偏压条件（VGS ? Vth）下调整冷式场效应晶体管的提取方法，我们能够分离并减去这些与偏压相关的寄生分量。与开路-短路方法相比，我们的技术在50 GHz范围内的S参数测量精度提高了多达50%，并且截止频率（fT）和最大振荡频率（fmax）的精度提高了约10%。这种方法使得高频HEMTs的建模更加精确，特别是在太赫兹（terahertz）频段的应用中。

引言

随着无线通信标准向更高工作频率发展，晶圆上参数测量的精度变得更为关键。频率的增加带来了额外的挑战，尤其是在消除与晶圆探针相关的寄生分量方面，这些分量无法通过缩小测试结构来轻松减少[1]。去嵌入技术对于消除这些寄生效应并准确表征高频器件（如HEMTs）至关重要[2]。其中，开路-短路去嵌入技术因其简单性和在各种RF应用中的广泛应用而长期以来一直是行业标准[3,4]。然而，在更高频率下，它的局限性变得明显，因为它在结构上无法捕获和消除所有寄生源，特别是由栅极金属超出台面区域扩展引起的边缘电容。这些边缘场会在栅极与相邻源极或漏极电极之间形成额外的电容，而这些电容在开路和短路测试结构中无法体现[5,6]。因此，使用开路-短路方法提取的器件性能可能会因这些残余寄生效应而显著失真。

为了克服这些限制，人们开发了更先进的去嵌入技术。在这些技术中，冷式场效应晶体管去嵌入方法在高频应用中显示出特殊的前景。该技术能够在关断状态（pinch-off）条件下准确提取与偏压相关的寄生电容，尤其是在栅极偏压处于深度亚阈值（VGS ? Vth）且处于电容偏压独立区域时。在这种条件下，内在通道完全被切断，冷式场效应晶体管方法能够有效分离并消除开路-短路测试模式中未处理的栅极诱导边缘电容[[7], [8], [9], [10]]。

尽管冷式场效应晶体管去嵌入技术本身并不新颖，但以往的研究大多忽视了精确选择栅极偏压条件对于准确提取的重要性。在这项工作中，我们证明了可靠的边缘电容分离需要深入到pinch-off区域，在该区域内偏压相关的电容变化最小化。这种改进提高了栅极长度小于100 nm器件的可重复性和精度。最近的研究还强调了传统去嵌入方法在处理栅极诱导边缘场方面的局限性，特别是在先进的GaN和InP HEMTs中[[11], [12], [13]]。如参考文献[[10], [14]]所改进的冷式场效应晶体管方法，与基于开路-短路的方法相比，能够更有效地隔离栅极偏压相关的电容，从而支持了对太赫兹（THz）应用至关重要的性能提升[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]。

在本文中，我们对开路-短路和冷式场效应晶体管去嵌入技术进行了比较研究，重点关注边缘场电容的去除以及提取的器件参数的改进。我们证明，在优化的偏压条件下应用冷式场效应晶体管方法，可以在提取的截止频率（fT）和最大振荡频率（fmax）方面实现显著改进——高达10%。这些结果证实，冷式场效应晶体管去嵌入技术在高频晶体管建模方面具有更高的精度，非常适合毫米波和太赫兹领域的应用。

章节片段

方法

AlGaN/GaN和InGaAs/InP HEMTs的直流特性表现出极佳的均匀性，关键参数（如饱和电流和跨导）的变化幅度小于2%，表明制造过程非常稳健可靠。为了准确对高频HEMTs进行射频特性分析，精确提取寄生分量是必不可少的。图1展示了包含这两部分的HEMT的小信号等效电路

结果与讨论

在这项研究中，我们分析了栅极长度为100 nm、采用双指布局的AlGaN/GaN HEMTs，其栅极总宽度分别为2 × 25 μm和2 × 50 μm。S参数测量在1–50 GHz范围内进行，这些器件的阈值电压约为-2.0 V。使用冷式场效应晶体管S参数，在-10 V至-3 V的栅极电压范围内以50 mV的步进进行了提取，得到了总的外在电容（Cgs_ext、Cgd_ext和Cds_ext）。如图2所示，对于Wg为...

结论

总之，本研究提出了一种针对高频HEMT特性分析的改进型冷式场效应晶体管去嵌入方法。虽然冷式场效应晶体管技术在文献中已得到广泛应用，但我们的研究强调了选择适当栅极偏压条件的重要性——特别是在电容偏压独立区域内操作（VGS ? Vth），以可靠地分离与偏压相关的边缘电容。通过与传统...

CRediT作者贡献声明

苏拉吉特·查克拉博蒂（Surajit Chakraborty）：撰写——原始草稿，形式分析，数据整理。李朱赫荣（Ju-Hyung Lee）：撰写——原始草稿，形式分析。阿维沙克·雷（Avishak Ray）：形式分析。全赫敏（Hyuk-Min Kwon）：撰写——审阅与编辑，监督。金泰宇（Taewoo Kim）：撰写——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：全赫敏（Hyuk-Min Kwon）报告称，文章发表费用由韩国国家研究基金会（NRF）的国家研发计划提供。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府（MSIT）提供（资助编号：NRF-2022M3I8A1078437）。此外，本研究还得到了韩国国家纳米制造中心（NNFC）的资助，该中心由韩国政府（MSTI）提供（RS-2024-00441236）。