P型柵增強(qiáng)型GaN功率開關(guān)器件的中子輻照效應(yīng)

張得璽，陳 偉，羅尹虹，劉 巖，郭曉強(qiáng)

（西北核技術(shù)研究所，西安710024）

增強(qiáng)型器件也稱為常關(guān)器件，是電力電子系統(tǒng)中功率開關(guān)器件的首選。實現(xiàn)氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）增強(qiáng)型的方法很多，其中P型柵（也稱PN結(jié)柵）方法最早由Hu等人提出［1］。該方法實現(xiàn)增強(qiáng)型的原理是：PN結(jié)柵自建電勢場耗盡柵下二維電子氣（2DEG），使溝道在不加正柵壓時關(guān)閉。國內(nèi)外對常規(guī)AlGaN／GaN HEMT器件在γ射線、電子、質(zhì)子和中子等輻照環(huán)境下的特性退化開展了較多的研究［2－6］，而針對增強(qiáng)型AlGaN／GaN HEMT器件的輻照效應(yīng)研究相對較少。在對P型柵增強(qiáng)型器件的輻照效應(yīng)研究中，F(xiàn)iore等人認(rèn)為，為了實現(xiàn)正閾值電壓，P型柵增強(qiáng)型AlGaN／GaN HEMT器件額外引入的層結(jié)構(gòu)很可能影響器件的抗輻射性能［7］。Abbate等人的實驗結(jié)果表明，在輻照至γ總吸收劑量為10.8kGy（Si）時，P型柵增強(qiáng)型器件的總劑量效應(yīng)和重離子輻照下發(fā)生的單粒子效應(yīng)均不明顯，但器件對能量為3MeV、注量為4×1014cm－2的低能質(zhì)子輻照比較敏感，輻照后柵電流增大1個量級，閾值電壓負(fù)向漂移1V，跨導(dǎo)減小30%［8］。因此，位移損傷可能是導(dǎo)致P型柵增強(qiáng)型GaN HEMT器件性能退化的主要因素。為了進(jìn)一步了解P型柵增強(qiáng)型GaN HEMT器件對位移損傷效應(yīng)的敏感性，本文選用塑料封裝的P型柵增強(qiáng)型商用GaN功率開關(guān)器件（下文簡稱GaN功率晶體管）在反應(yīng)堆中子環(huán)境下開展實驗，研究了該器件對中子輻照的敏感性和位移損傷對其電特性的影響，重點探討了為實現(xiàn)器件增強(qiáng)型引入的P型層結(jié)構(gòu)對其抗輻射性能的影響。

1 實驗樣品與測試方法

1.1 樣品器件及其工作原理

樣品為日本松下公司的GaN功率晶體管，又稱柵注入晶體管（gate injection transistor，GIT），如圖1所示。它是一種基于GaN／AlGaN異質(zhì)結(jié)的增強(qiáng)型功率開關(guān)器件，其單管工藝流程橫截面如圖2所示。P－AlGaN／i－AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)生長在Si襯底上，異質(zhì)結(jié)和襯底中間生長了緩沖層，緩沖層包括多層GaN／AlN層和AlGaN／AlN成核層。緩沖層中的每一層都有效釋放了晶格匹配和熱匹配在GaN中產(chǎn)生的應(yīng)力。氮化物外延層的總厚度為4.7um。本征AlGaN層的Al原子分?jǐn)?shù)為15%，厚度為25nm。通過對P型AlGaN進(jìn)行選擇光刻形成P型柵，其厚度為100nm，Al原子分?jǐn)?shù)為15%。經(jīng)仿真模擬測算，該器件P型柵的摻雜濃度大于1.0×1018cm－3。器件在使用硼離子注入法進(jìn)行隔離后，在源漏柵極分別使用Ti、Al和Pd形成電極，鈍化層則使用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）淀積厚度為400nm的SiN，最后采用電鍍Au實現(xiàn)互聯(lián)。P型AlGaN柵長為2um，柵漏間距為7.5um［9］。

圖1 GaN功率晶體管Fig.1GaN power transistors

圖2 GaN功率晶體管單管工藝截面圖Fig.2Cross section of GaN power transistor

器件的工作原理如圖3所示。一方面，勢壘層形成具有內(nèi)建電壓VF的PN結(jié)，由于P型摻雜具有提高能帶的作用，在柵壓Vgs為0V時使柵下溝道電子耗盡，實現(xiàn)了增強(qiáng)型特性；另一方面，當(dāng)0＜Vgs＜VF時，器件以場效應(yīng)管原理工作，當(dāng)Vgs＞VF時，將使空穴從P型AlGaN注入溝道，而溝道電子向柵的注入被AlGaN／GaN界面勢壘抑制。注入的空穴將從源極吸引等量的電子以保持溝道的電中性，這些電子在漏極電壓的作用下不斷以高遷移率到達(dá)漏極，而由于空穴遷移率比電子遷移率低2個量級，注入的空穴基本上位于柵下溝道區(qū)域。在保持較小的柵電流時，這種電導(dǎo)調(diào)制作用能夠明顯增加漏電流。和一般增強(qiáng)型器件的電流驅(qū)動能力相比，由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的介入，這種器件實現(xiàn)了較高的電流驅(qū)動能力［10］。

圖3 GaN功率晶體管工作原理示意圖Fig.3Schematic of the working mechanism of GaN power transistor

1.2 實驗條件

利用西安脈沖反應(yīng)堆1MeV等效中子進(jìn)行輻照實驗，中子注量率為3.18×1010cm－2·s－1，中子注量為 1.5×1015cm－2，累計 γ總吸收劑量約200krad（Si）。如前文所述，由于器件對電離輻照不敏感，因此在本實驗中不考慮γ總劑量效應(yīng)。為避免輻照時電應(yīng)力對器件特性產(chǎn)生影響，輻照時未加偏置電壓。

1.3 電參數(shù)測量

器件初始靜態(tài)參數(shù)和輻照后靜態(tài)參數(shù)測量均在型號為TESEC 3620TT的功率器件靜態(tài)參數(shù)測試儀器上進(jìn)行。該儀器測試的最高電壓和最大電流分別為1 200V和200A，電壓與電流的測試精度分別為1mV和3pA；阻抗測試范圍為1mΩ～999.9MΩ。該儀器可用于功率器件擊穿電壓、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、柵極電流、漏極漏電流、跨導(dǎo)、脈沖電流以及源漏二極管正向壓降等參數(shù)的測量。本文主要測量了與輻照效應(yīng)相關(guān)的擊穿電壓、柵極電流和漏電流等參數(shù)。

2 實驗結(jié)果與分析

對3只樣品器件在反應(yīng)堆中子環(huán)境下同時進(jìn)行輻照，中子注量為1.5×1015cm－2。測試結(jié)果表明，3只樣品的輻照結(jié)果基本一致，對其中1只樣品的測試結(jié)果進(jìn)行了分析。

圖4為GaN功率晶體管中子輻照前后的轉(zhuǎn)移曲線對比圖。其中，Ids為漏電流，漏極電壓Vds為5V。

圖4 中子輻照前后GaN器件的轉(zhuǎn)移曲線對比Fig.4Transfer characteristics of GaN power transistor before and after neutron irradiation

通過對實驗數(shù)據(jù)和圖4分析可知，輻照后轉(zhuǎn)移曲線的斜率略有減小，閾值電壓基本沒有發(fā)生變化。電流較輻照前開始降低，降低量隨著柵壓增加先增大后減小，Vgs約為2.5V時，漏電流明顯降低。轉(zhuǎn)移曲線斜率變小的主要原因是中子輻照導(dǎo)致溝道電子遷移率減小。從輻照前后的轉(zhuǎn)移曲線對比可以看出，閾值電壓幾乎沒有發(fā)生漂移。

圖5為輻照前后樣品器件的輸出特性曲線?？梢钥闯觯?jīng)中子注量為1.5×1015cm－2輻照后，Vgs＞1.75V時，輸出曲線同輻照前相比有所下降，表明飽和漏電流有所減??；Vgs＝2V時，輸出曲線平均下降約3.13%，飽和漏電流減小約0.5A；Vgs＝2.25V時，輸出曲線平均下降5%，飽和電流下降約0.8A。從實驗數(shù)據(jù)可知，輻照后在閾值柵壓附近漏電流變化較小，在柵壓Vgs為1.6V附近，漏電流變大，但增量非常??；器件膝點電壓附近漏電流變化最明顯，最大降低量約達(dá)10%，漏電流的減小量接近1A。

圖5 中子輻照前后GaN功率晶體管的輸出特性曲線Fig.5Output characteristics of GaN power transistor before and after neutron irradiation

圖6 為輻照前后器件關(guān)態(tài)漏電流Ids－off的對比圖。在進(jìn)行輻照時器件三端均懸空，測量參數(shù)期間Vgs始終保持0V不變，使器件處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖6 中子輻照前后器件關(guān)態(tài)漏電流對比g.6Off－state drain current vs.drain voltage for GaN power transistor before and after neutron irradiation

可以看出，經(jīng)過中子注量為1.5×1015cm－2輻照后，在Vds＜200V的區(qū)間，同輻照前相比，器件Ids－off明顯增加，最大增幅達(dá)50%，增加0.3uA。

圖7給出了GaN功率晶體管靜態(tài)反向柵漏電流Igs在中子輻照前后的對比情況?？梢钥闯?，中子輻照后Igs沒有發(fā)生變化，因此，Igs不屬于中子輻照敏感參數(shù)。對于常規(guī)肖特基柵HEMT而言，中子輻照引起的缺陷會輔助電子隧穿，從而會導(dǎo)致正向和反向柵泄漏電流的增加。而P型柵結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型器件，柵極由PN結(jié)構(gòu)成，對陷阱輔助隧穿效應(yīng)不敏感。因此，P型柵增強(qiáng)型HEMT器件的反向柵特性對中子輻照具有一定的免疫能力。由樣品器件工作機(jī)理可知，正向柵泄漏電流比絕緣柵或其他柵結(jié)構(gòu)HEMT的大，中子輻照對正向柵泄漏電流的影響有待進(jìn)一步研究。

圖7 輻照前后GaN功率晶體管靜態(tài)反向柵電流對比Fig.7Off－state gate currents vs.gate voltage for GaN power transistor before and after neutron irradiation

3 GaN功率晶體管輻照損傷退化機(jī)理分析與討論

GaN器件經(jīng)中子輻照，在位移損傷作用下，不但感生出常見的空位缺陷，而且產(chǎn)生間隙原子和反位缺陷，間隙原子和反位缺陷在工藝過程中很難形成。中子輻照在GaN材料中產(chǎn)生的各類缺陷與材料中的原生雜質(zhì)、人為摻雜雜質(zhì)以及位錯缺陷等發(fā)生復(fù)合，形成絡(luò)合物，尤其會產(chǎn)生大的缺陷群落，各種類型的缺陷和各種形式的絡(luò)合物在禁帶中形成不等的缺陷能級，能量分布范圍較大，可以從距離較近的能級到接近禁帶中部。這些輻射感生缺陷在材料中可以是電子／空穴陷阱，通過俘獲載流子起到減小載流子壽命和去除載流子的作用；還可以成為附加的散射中心，引起溝道遷移率的降低；對于肖特基柵，還有可能通過增加隧穿效應(yīng)對器件的柵特性產(chǎn)生影響［9］。對于GaN HEMT器件，形成的缺陷還會影響AlGaN材料的極化特性，最終改變HEMT器件的極化電荷密度。

GaN樣品器件輸出特性曲線和關(guān)態(tài)漏電流在輻照前后發(fā)生明顯變化表明，輻照導(dǎo)致樣品器件性能出現(xiàn)退化。下面對器件的輻照退化機(jī)制進(jìn)行討論。

對HEMT器件，漏電流Ids近似為

式中，q為電子電荷；W 為柵寬；v（x）為電子漂移速度，與溝道電場和遷移率相關(guān)，遷移率為位移損傷敏感參數(shù)（輻照在溝道內(nèi)形成的各類缺陷，能夠使溝道中電子遷移率降低）；ns（x）為薄層載流子濃度，即2DEG濃度，也與輻照相關(guān)。

輻照對2DEG濃度ns（x）的影響分為兩種情況：

1）當(dāng)Vgs＜VF時，ns（x）為

其中，ε（x）為AlGaN層介電常數(shù)；x為AlGaN材料AlGaN層形成的自建電勢；ΔEC（x）為異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶不連續(xù)能級差；Nd為AlGaN層摻雜濃度；NA為P型AlGaN柵摻雜濃度；d為AlGaN層厚度；ΔEF為量子勢阱導(dǎo)帶底部與費(fèi)米能級之差；σ（x）為極化電荷密度。其中，最有可能受中子輻照影響的參數(shù)包括受NA影響的VF和σ（x）。輻照在器件各層引起的深能級陷阱通過俘獲載流子對器件性能產(chǎn)生影響，載流子去除效應(yīng)導(dǎo)致P型AlGaN層受主摻雜濃度NA的降低（AlGaN勢壘層為未經(jīng)過人為摻雜的弱N型，因此載流子去除效應(yīng)對摻雜濃度Nd的影響可忽略），最終影響自建電勢的變化。另外，輻照在勢壘層形成晶格失序?qū)O化效應(yīng)產(chǎn)生影響，在勢壘層形成的位移缺陷會導(dǎo)致極化電荷密度σ（x）的變化（壓電效應(yīng)對位移缺陷不敏感）。VF和σ（x）在輻照后發(fā)生改變都會導(dǎo)致ns（x）發(fā)生變化，最終影響漏電流改變。

2）當(dāng)Vgs＞VF時，ns（x）為

式（3）中，后一項表示注入溝道的空穴濃度。由器件的工作原理可知，基于電中性原理，柵注入空穴濃度與溝道層內(nèi)參與導(dǎo)電的電子濃度的增量相等。經(jīng)中子輻照后，除了VF和σ（x）發(fā)生改變之外，當(dāng)柵壓足夠高，以至于器件出現(xiàn)空穴注入時，注入空穴濃度也會發(fā)生變化，最終會間接導(dǎo)致器件漏電流發(fā)生改變。

器件閾值電壓可表示為

由式（4）可知，引起閾值電壓漂移的因素有：1）載流子去除效應(yīng)引起的P型柵有效摻雜濃度NA的降低會導(dǎo)致閾值電壓發(fā)生負(fù)向漂移；2）輻照在勢壘層形成晶格失序引起的極化電荷密度σ（x）的降低會導(dǎo)致閾值電壓發(fā)生正向漂移。圖4實驗結(jié)果顯示，閾值電壓沒有發(fā)生明顯的漂移，有可能因為載流子去除效應(yīng)導(dǎo)致的閾值電壓負(fù)向漂移與勢壘層位移缺陷導(dǎo)致極化電荷密度降低引起的閾值電壓正向漂移之間發(fā)生了補(bǔ)償。

器件關(guān)態(tài)漏電流Ids－off同樣可由式（1）表示，Vgs＝0V時，則

從式（1）和式（5）可看出，中子輻照下，可能影響關(guān)態(tài)漏電流的主要參數(shù)包括與溝道遷移率相關(guān)的v（x）、P型柵摻雜濃度NA以及極化電荷密度σ（x）。

漏電流的變化主要與3個參數(shù)相關(guān)，分別是與P型柵摻雜濃度相關(guān)的自建電勢VF、與溝道遷移率相關(guān)的漂移速度v（x）以及極化電荷密度σ（x）。GaN功率晶體管樣品器件經(jīng)中子輻照后，產(chǎn)生載流子去除效應(yīng)，會導(dǎo)致器件P型柵有效摻雜濃度的降低。由式（1）至式（3）可知，P型柵濃度降低會進(jìn)一步導(dǎo)致漏電流增加。在溝道區(qū)域形成的缺陷會導(dǎo)致電子遷移率降低，從而影響電子漂移速度，最終導(dǎo)致漏電流減小。輻照在器件勢壘層形成位移缺陷或晶格無序區(qū)域，會導(dǎo)致極化電荷密度降低，從而導(dǎo)致漏電流減小。從圖5可以看出，當(dāng)Vgs＜1.7V時，漏電流隨柵壓增大略有增加，說明在柵壓接近器件閾值電壓附近時，中子輻照引起的載流子去除效應(yīng)使P型柵的有效摻雜濃度NA減小，因此，低柵壓情況下，漏電流較小，中子輻照引起的載流子去除效應(yīng)占主導(dǎo)。當(dāng)Vgs＞1.7V時，漏電流較大，經(jīng)中子輻照后，漏電流明顯減小，表明位移缺陷對遷移率和極化電荷密度的影響占主導(dǎo)。

由器件的工作原理可知，器件的增強(qiáng)特性是通過P型柵耗盡柵下溝道電子實現(xiàn)的，因此，中子輻照產(chǎn)生的載流子去除效應(yīng)對P型柵有效摻雜濃度的影響必然會導(dǎo)致溝道電子濃度發(fā)生變化。電子漂移速度v（x）和極化電荷密度σ（x）的減小會導(dǎo)致器件關(guān)態(tài)漏電流Ids－off減小，而P型柵有效摻雜濃度NA的降低會導(dǎo)致Ids－off增加。在器件處于關(guān)閉狀態(tài)、漏電流非常小的情況下，中子輻照產(chǎn)生的缺陷造成v（x）發(fā)生變化，但對Ids－off的影響非常小。因此，線性區(qū)Ids－off的增大主要是由載流子去除效應(yīng)引起的P型柵有效摻雜濃度降低造成的。圖6中，當(dāng)Vds＞200V時，Ids－off受中子輻照后產(chǎn)生不規(guī)則變化，這是否受到其他機(jī)制的影響，目前尚無定論。

4 結(jié)論

對P型柵增強(qiáng)型GaN功率晶體管在反應(yīng)堆1MeV等效中子環(huán)境下進(jìn)行了輻照實驗，中子注量為1.5×1015cm－2，研究了 GaN 功率晶體管對中子輻照的敏感性。結(jié)果顯示，在中子輻照后，樣品器件的轉(zhuǎn)移曲線斜率減?。黄骷柡蛥^(qū)漏電流明顯降低，最大降幅可達(dá)2A；器件的關(guān)態(tài)漏電流在輻照后明顯增大；柵極反向泄漏電流在輻照后沒有發(fā)生變化。分析表明，轉(zhuǎn)移曲線斜率減小的原因是中子輻照導(dǎo)致器件溝道遷移率降低；飽和漏電流減小的主要原因是中子輻照引起溝道遷移率的降低和2DEG的退化；輻照前后器件的關(guān)態(tài)漏電流發(fā)生變化的主要原因是載流子去除效應(yīng)導(dǎo)致P型柵有效摻雜濃度降低，從而弱化了P型柵對溝道電子的耗盡，這正是中子輻照引起P型柵退化的重要例證。器件柵極反向泄漏電流輻照前后沒有發(fā)生變化，可能因為PN結(jié)柵對中子輻照引起的陷阱輔助隧穿效應(yīng)不敏感。

研究表明，P型柵增強(qiáng)型GaN功率開關(guān)器件在大注量中子輻照下，最敏感的結(jié)構(gòu)是為了實現(xiàn)增強(qiáng)型而額外增加的重?fù)诫sP型柵，P型柵退化產(chǎn)生的最大影響是器件關(guān)態(tài)漏電流增加，最大增幅達(dá)50%，而器件反向柵泄漏電流對中子輻照具有一定的免疫力，中子輻照對器件正向柵泄漏電流的影響有待進(jìn)一步研究。器件溝道遷移率、極化電荷密度等參數(shù)受中子輻照的影響與其他常規(guī)GaN HEMT器件中子位移損傷效應(yīng)沒有明顯差異。下一步工作可開展該類器件的質(zhì)子輻照效應(yīng)研究。