質(zhì)子輻照對場板AlGaN/GaN HEMT器件電特性的影響

谷文萍，張　林，楊　鑫，全　思，徐小波，楊麗媛，劉盼芝

(1.長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西西安 710064； 2.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,陜西西安 710071；3.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048)

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質(zhì)子輻照對場板AlGaN/GaN HEMT器件電特性的影響

谷文萍1，2，張林1，楊鑫3，全思1，徐小波1，2，楊麗媛1，劉盼芝1

(1.長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西西安 710064； 2.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,陜西西安 710071；3.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048)

分別采用3MeV和10MeV的質(zhì)子對GaN基HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件進(jìn)行輻照.實(shí)驗發(fā)現(xiàn)：低注量輻照引起了體材料載流子濃度增加，高注量輻照引起了HEMT器件漏電流下降，跨導(dǎo)減小，閾值電壓顯著退化的結(jié)果.通過分析發(fā)現(xiàn)輻射感生受主缺陷引起的2DEG濃度降低是上述器件退化的主要原因.此外基于實(shí)驗結(jié)果，采用輻射感生受主缺陷退化模型仿真并計算了HEMT器件主要參數(shù)隨受主濃度的退化規(guī)律，仿真結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果有較好的一致性.本文實(shí)驗結(jié)果也表明場板結(jié)構(gòu)和SiN鈍化層有效地阻止了電子陷落在表面態(tài)中，屏蔽了絕大部分的輻照損傷，是很有效的輻射加固手段.

AlGaN/GaN HEMT；質(zhì)子輻照；輻射感生受主缺陷；輻射加固

1　引言

由于出色的綜合性能優(yōu)勢，GaN基HEMT器件在航天、核工業(yè)、軍事等特殊空間應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1，2].而空間環(huán)境除了有各種宇宙射線，電磁輻射外，在地磁俘獲帶還存在大量高能帶電粒子，主要為質(zhì)子和電子,它們構(gòu)成了半導(dǎo)體器件在空間輻射環(huán)境中主要的輻射源，所以研究質(zhì)子和重核子對GaN基HEMT器件的輻射效應(yīng)倍受關(guān)注[3～6].

高能質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中最主要的組分，它和電子一樣，與物質(zhì)通過庫侖作用反應(yīng).Luo[3]等人發(fā)現(xiàn)40MeV,5×1010cm-2質(zhì)子輻射后，GaN HEMT器件漏源電流下降了15%到20%，非本征跨導(dǎo)下降了約30%，質(zhì)子輻射同時還引起器件的最高振蕩頻率fmax下降了20%.Hu[4]等人發(fā)現(xiàn)不同能量質(zhì)子輻射對GaN基HEMT器件的影響不同，在能量1.8MeV注量1012cm-2質(zhì)子輻射下器件飽和電流下降了10.6%，最大跨導(dǎo)下降了6.1%，而在注量1013cm-2能量為15MeV、40MeV和105MeV質(zhì)子輻射下器件退化卻很小.Lv[7]等人仿真得到了不同能量質(zhì)子在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中的輻射損傷區(qū)，認(rèn)為空位缺陷可能是HEMT器件電學(xué)特性退化的主要原因.國外目前已對GaN基HEMT器件的輻照損傷研究加大了力度，但是國內(nèi)有關(guān)HEMT器件質(zhì)子輻照效應(yīng)的研究還相對較少，而作為一種很好的抗輻射器件應(yīng)用，我們很有必要研究它的輻照效應(yīng)，特別是需要對其輻射退化和損傷機(jī)制進(jìn)行深入研究.

本文利用自主研制的AlGaN/GaN HEMT器件開展了質(zhì)子輻照效應(yīng)研究，討論了質(zhì)子輻射下GaN基器件主要參數(shù)的退化規(guī)律，并對輻照后室溫下的退火效應(yīng)加以分析，討論了質(zhì)子輻射退化的物理機(jī)理.此外基于實(shí)驗結(jié)果，采用輻射感生受主缺陷退化模型仿真并計算了HEMT器件主要參數(shù)隨受主濃度的退化規(guī)律.

2　器件制造和輻射實(shí)驗

實(shí)驗選用的HEMT器件有1000nm的SiN鈍化層，都做過場板結(jié)構(gòu).本文分別采用了3MeV和10MeV的質(zhì)子能量，其中1,2,3樣品用10MeV質(zhì)子輻射，注量分別對應(yīng)1010cm-2，1011cm-2，1012cm-2；4到9號樣品用3MeV質(zhì)子輻射，注量分別對應(yīng)1011cm-2，1012cm-2，1013cm-2，1014cm-2，5×1014cm-2，1015cm-2；GaN體材料樣品XDB267，XDB268分別用3MeV 1013cm-2，1014cm-2質(zhì)子進(jìn)行輻射.

3　實(shí)驗結(jié)果及分析

圖1為兩種能量質(zhì)子輻射下HEMT器件歐姆接觸參數(shù)的退化，左上角為退化曲線.可以看出，在1014cm-2注量之前，歐姆接觸參數(shù)的退化幾乎可以忽略，但是隨著注量進(jìn)一步增加，方塊電阻Rsh卻明顯增加，同時歐姆接觸電阻RC稍有減小.總之，質(zhì)子輻射下，Rsh隨著輻射注量的增加先減小后增加，而RC變化與之相反，不過總體上后者的退化較小，對整個器件特性影響不明顯.此外低能量質(zhì)子的退化比高能量的要明顯，這是因為質(zhì)子輻射時，主要通過非電離能量損失即NIEL產(chǎn)生損傷，而NIEL與質(zhì)子能量成反比.

表1列舉了質(zhì)子輻照前后GaN體材料特征參數(shù)的退化，這與圖1中低注量質(zhì)子輻射后Rsh減小的變化基本一致.這是因為在GaN體材料的生長過程中Ⅲ-Ⅴ族比較高，材料中形成了很多鎵空位VGa，質(zhì)子雖然是輻射粒子，但是它同時也是一種正離子，如果輻射注量較小的話，那么此時入射質(zhì)子一方面作為正離子[8]可以吸引電子，一方面還可以與VGa等受主缺陷結(jié)合，從而減少了帶電缺陷和散射中心，所以輻照后載流子濃度和遷移率都略有增加.這也說明如果適當(dāng)?shù)乜刂戚椛淠芰亢妥⒘?，那么也有可能改善材料的性?但是，隨著輻照注量增加，質(zhì)子主要通過NIEL的位移效應(yīng)在異質(zhì)材料中產(chǎn)生輻射感生受主缺陷，而這些輻射感生受主缺陷通過去載流子效應(yīng)可以耗盡一部分2DEG，從而使得材料的方塊電阻增加.

表1　Hall參數(shù)在質(zhì)子輻照前后的退化比較

圖2、圖3分別為不同注量質(zhì)子輻射前后，HEMT器件正反向柵特性的退化.可以看出，低注量(注量不高于1014cm-2)質(zhì)子輻射后器件的柵電流基本不變.而3MeV 1015cm-2注量后，器件的正反向柵電流都明顯減小.因為此時質(zhì)子注量較高，通過位移損傷在異質(zhì)結(jié)材料中感生了不少輻照缺陷，而且與其他輻射粒子相比，質(zhì)子輻射淀積的能量較高，所以在材料內(nèi)更易形成深陷阱，這些深陷阱一旦俘獲電子，電子就不容易退陷，所以此時的陷阱作用機(jī)制主要是深陷阱的載流子去除效應(yīng).另一方面，這些電子的陷落對后續(xù)電子的運(yùn)動也有一定的阻撓，從而減少了柵電子/溝道電子的注入，降低了正反向柵泄漏電流.

跟肖特基特性影響類似，當(dāng)注量不高于1014cm-2，HEMT器件轉(zhuǎn)移特性也幾乎沒有退化.此結(jié)果也說明質(zhì)子輻射過程中，場板和SiN鈍化層有效地阻止了電子陷落在表面態(tài)中，屏蔽了絕大部分的輻照損傷，是很有效的抗輻射加固手段.

圖4(a)和(b)分別給出了3MeV,1015cm-2質(zhì)子輻射前后器件轉(zhuǎn)移曲線和關(guān)態(tài)泄漏電流的退化.可以看出，此注量下器件的飽和漏電流和跨導(dǎo)峰值分別下降了26%和7%，轉(zhuǎn)移曲線斜率稍有下降，而閾值電壓正漂了39%，其中閾值電壓退化最為顯著.

質(zhì)子輻射在異質(zhì)結(jié)材料中可以通過輻射感生受主缺陷的去載流子效應(yīng)耗盡一部分2DEG，也可能通過感生界面應(yīng)力弛豫而使2DEG濃度下降[9]，合并遷移率的降低會引起器件串聯(lián)電阻的增加，從而使得漏電流和跨導(dǎo)減小，閾值電壓正漂.而如同在MOS晶體管中，轉(zhuǎn)移特性曲線斜率減少主要與界面態(tài)電荷的增加有關(guān)，同樣，對于HEMT器件，主要也是界面態(tài)電荷增加引起轉(zhuǎn)移特性曲線斜率降低的.而且器件飽和區(qū)跨導(dǎo)主要受遷移率影響，而遷移率則主要受輻射感生界面態(tài)影響；不過閾值電壓則主要受溝道中2DEG濃度影響，與遷移率關(guān)系不大.本文最大質(zhì)子注量下跨導(dǎo)也只下降了7%，遠(yuǎn)小于閾值電壓39%的退化，而且轉(zhuǎn)移曲線斜率變化很小，所以遷移率的退化不大，即輻射感生的界面態(tài)不多，而且輻照感生界面應(yīng)力弛豫是通過斷裂應(yīng)力鍵形成界面態(tài)的時候引起的，所以分析認(rèn)為上述器件的退化主要還是由于輻射感生受主缺陷引起的2DEG濃度降低造成的.

輻照后，我們研究了HEMT器件的室溫退火特性，圖5為HEMT器件的退火特性.室溫退火后可以觀察到明顯的退火恢復(fù)現(xiàn)象，這說明質(zhì)子輻照產(chǎn)生的損傷可以部分退火恢復(fù).

4　輻射感生受主缺陷退化模型研究

研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照在AlGaN/GaN材料和結(jié)構(gòu)中主要以空位等受主型缺陷為主[7].結(jié)合上面的實(shí)驗結(jié)果，下面使用輻射感生受主缺陷退化模型分析了HEMT器件主要的輻射損傷.

對HEMT電學(xué)特性而言，輻射感生受主缺陷會引起兩個基本輻射效應(yīng)，它們使異質(zhì)結(jié)構(gòu)各層材料中的有效摻雜濃度變化(由載流子去除引起)和遷移率的下降(由附加缺陷散射中心引起)，并由此造成器件參數(shù)退化.而以上實(shí)驗中輻照主要通過引起2DEG濃度的變化退化其他參數(shù)，所以在此模型中，主要以影響閾值電壓漂移為根本的損傷效應(yīng)，并通過漂移器件閾值電壓進(jìn)一步導(dǎo)致漏電流和跨導(dǎo)的退化.

下面我們基于Fan建立的HEMT器件閾值電壓的漂移模型[10]，以受主缺陷在HEMT結(jié)構(gòu)不同層中引入后對器件電參數(shù)的影響為研究對象，建立了輻射感生受主缺陷的退化模型.

圖6是HEMT不同層引入受主對閾值電壓漂移的影響以及實(shí)驗結(jié)果和計算結(jié)果的對比.結(jié)果顯示閾值電壓隨受主濃度Na增大而正向漂移，這與之前大注量輻照后閾值電壓變化的實(shí)驗結(jié)果相一致，表明我們采用的模型是合理的.結(jié)果還顯示，在1016cm-3受主濃度以前，閾值電壓的絕對漂移很小，之后漂移速度隨著受主濃度而加快.同時還可以看出GaN層引入的受主對閾值電壓變化的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，AlGaN層中引入的受主只是在相當(dāng)高的濃度下才對閾值電壓漂移起明顯的作用.這一結(jié)果與B.Jun和R.J.Krantz等對同結(jié)構(gòu)的AlGaAs/GaAs HEMT的輻照效應(yīng)實(shí)驗得到的結(jié)論完全一致.為了建立輻射劑量跟輻照感生受主缺陷之間的關(guān)系，我們把上面的計算結(jié)果和我們之前的實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行了比較如圖6(b)，這里我們主要進(jìn)行了異質(zhì)結(jié)構(gòu)閾值電壓漂移的比較，計算中認(rèn)為AlGaN/GaN各層均勻引入受主缺陷，可以看出隨著輻射劑量的增加，引入的受主缺陷增多，閾值電壓退化增強(qiáng).

圖7是計算得到的輻射感生受主對器件轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)的影響.很明顯，隨受主濃度的增加，轉(zhuǎn)移曲線正向移動，其斜率基本沒變，最大跨導(dǎo)也基本沒變.仿真結(jié)果說明跨導(dǎo)主要受遷移率影響，而與閾值電壓關(guān)系不大.上述實(shí)驗中I-V特性的變化顯然主要是受閾值電壓變化(2DEG濃度)影響的.

本文質(zhì)子輻照后轉(zhuǎn)移特性主要表現(xiàn)為曲線平移而其斜率變化很小，并且跨導(dǎo)也下降不大.因此我們認(rèn)為輻射感生受主缺陷造成的閾值電壓漂移(2DEG濃度的降低)才是器件退化的主要原因.

5　結(jié)論

以上實(shí)驗結(jié)果表明,低注量質(zhì)子輻照后GaN體材料的載流子濃度和遷移率略有增加，進(jìn)而使得材料的串聯(lián)電阻略有降低.對于HEMT器件輻照后發(fā)現(xiàn)只有在最高注量1015cm-2下，器件飽和漏電流，最大跨導(dǎo)和閾值電壓等參數(shù)才發(fā)生退化，而且閾值電壓變化最為顯著.通過漏電流，跨導(dǎo)和閾值電壓的退化比較，我們認(rèn)為上述器件的退化主要是由于輻射感生受主缺陷引起的2DEG濃度的降低造成的，主要體現(xiàn)為閾值電壓的漂移退化.而且輻照后由于質(zhì)子在異質(zhì)結(jié)材料中感生的缺陷使得器件正反向柵電流明顯降低，關(guān)態(tài)泄漏電流減小.此外實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)了明顯的器件退火恢復(fù),這說明場板和SiN鈍化層有效地阻止了電子陷落在表面態(tài)中，屏蔽了絕大部分的輻照損傷.

另外本文從實(shí)驗結(jié)果出發(fā)，基于輻射感生受主缺陷影響模型進(jìn)行計算.計算結(jié)果表明，隨著引入的受主缺陷濃度增加，閾值電壓發(fā)生正向漂移，并且隨著輻照注量的增加，引入的受主缺陷增加，閾值電壓漂移更加明顯.在溝道GaN層中引入的類受主陷阱是造成HEMT閾值電壓增加的主要原因.分析結(jié)果表明，輻射感生受主缺陷主要通過引起閾值電壓增加(2DEG濃度的降低)的機(jī)制，使得器件飽和漏電流退化，但對器件飽和區(qū)跨導(dǎo)影響不大.因此輻射感生受主的影響模型能夠全面反映本文輻射對器件的作用機(jī)制，在聯(lián)合輻射感生界面態(tài)等對遷移率的退化作用后，可以對器件進(jìn)行有效的輻射效應(yīng)模擬和分析.

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Fang Long.The Study on Defects in GaN-Based Films and Radiation Damage of High Electron Mobility Transistors[D].Xi′an:Xidian University,2003.(in Chinese)

谷文萍女，1982年11月出生，陜西寶雞人，博士，2010年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，其后進(jìn)入長安大學(xué)任教，講師，從事GaN基材料和器件的研究工作.

E-mail:wpgu@chd.edu.cn

The Effect of Proton Irradiation on the Electrical Properties of FP-AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors

GU Wen-ping1，2,ZHANG Lin1,YANG Xin3,QUAN Si1,XU Xiao-bo1,YANG Li-yuan1,LIU Pan-zhi1

(1.SchoolofElectronicandControlEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710064,China;2.SchoolofMicroelectronics,XidianUniversity,Xi’an,Shaanxi710071,China;3.SchoolofMaterialsScinceandEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048China)

The radiation effect of FP-GaN HEMT was investigated by using proton radiation source.After low irradiation fluence,the phenomena of an increase in carrier density of GaN material was found.The device showed negligible degradation at low proton fluences.At high fluences,the decreased drain current and transconductance as well as the obviously shifted threshold voltage of HEMT were observed.And the ohmic contact was so relative robustness to proton,but the Schottky characteristics degraded obviously.Utilizing the depletion approximation theory and the introduction of acceptor defects to express radiation induced defects in AlGaN/GaN heterostructures,we developed irradiation induced acceptor defects damage model for AlGaN/GaN HEMT.The simulations indicated that the acceptor defects induced in both channel and buffer layer dominate the radiation damage in AlGaN/GaN HEMT.A good agreement between calculations and experiments presents the validity of this model.The annealing results proved that the damage induced by proton may be partially recovered.SiN-passivated FP-AlGaN/GaN HEMTs appear to be attractive candidates for space and terrestrial applications,and the HEMTs are resistant to displacement damage.

AlGaN/GaN HEMT;proton-irradiation;irradiation induced acceptor defects;radiation hardness

2015-03-17;修回日期:2015-06-23;責(zé)任編輯：梅志強(qiáng)

國家自然科學(xué)基金(No.61504011，No.51504191);中國博士后基金(No.2013M540732，No.2013M542307);陜西省自然科學(xué)基金(No.2014JM6229，No.2014JQ8344，No.2015JM6357);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項目(No.310832161002);西安市科技計劃項目(No.CXY1441(9),No.CXY1438(5))；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(No.201510710037)

TN323+.4

A

0372-2112 (2016)06-1445-05