銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的總劑量效應(yīng)和低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)

楊桂霞,龐元龍,王曉東,徐家云,蔣洞微

(1.四川大學(xué)原子核科學(xué)與技術(shù)研究所,四川成都 610064;2.中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川綿陽 621900;3.重慶賽寶工業(yè)技術(shù)研究院,重慶 401332;4.中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100083)

III-V化合物半導(dǎo)體由于能夠與傳統(tǒng)Si CMOS工藝兼容以及出色的電子輸運(yùn)特性備受關(guān)注[1]。其中,銻化物InSb、AlSb、GaSb和In As晶格常數(shù)比較相近,這四種二元化合物以及它們的三元及四元合金統(tǒng)稱為“0.61 nm材料體系”[2]。這個(gè)材料體系內(nèi)晶格失配最大為0.7%,在材料生長控制方面相對(duì)簡單,同時(shí),能帶范圍分布廣,是制作高速低功率電子器件和集成電路的理想材料,在相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通訊、紅外成像、環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[3]。

隨著分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)、化學(xué)氣相沉積等技術(shù)的發(fā)展,已能成功制備性能優(yōu)良的銻基電子器件。研究表明銻基電子器件,如銻基高電子遷移率晶體管(Antimonide based HEMTs)、紅外探測(cè)器等,具有較強(qiáng)的耐輻照能力,隨著這些器件的開發(fā)和應(yīng)用,使得人們看見了銻基半導(dǎo)體在輻射環(huán)境中的潛在優(yōu)勢(shì)?；贠hyama、Zhang,Lu 等[4-16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,Weaver比較了Si/SiGe、GaAs/AlGaAs、InP/InGaAs、GaAs/InGaP和InAs/AlSb HEMTs的耐輻照能力,發(fā)現(xiàn)InAs/AlSb HEMTs對(duì)電子、質(zhì)子、γ射線、重離子具有更為良好的耐受能力[17-18]。

現(xiàn)有的銻基電子器件主要有銻化物異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(Antimonide based HBTs)、高電子遷移率晶體管和紅外探測(cè)器,但是這三種銻基電子器件的輻射損傷效應(yīng)研究深入度并不相同。相關(guān)研究對(duì)象多集中于高電子遷移率晶體管和紅外探測(cè)器。Bennett[19]、Weaver[18]等報(bào)道了銻基高電子遷移率晶體管、銻基紅外探測(cè)器具有良好的耐γ射線、電子、質(zhì)子、重離子輻照性能,但是目前鮮見銻基異質(zhì)結(jié)晶體管與銻基高電子遷移率晶體管、銻基紅外探測(cè)器具有相同耐輻照能力的報(bào)道,這是由于銻基異質(zhì)結(jié)晶體管相關(guān)研究現(xiàn)階段更多地關(guān)注于制備,在耐輻照能力方面的研究非常少,僅有關(guān)于In0.52Al0.48As/In0.39Ga0.61As0.77Sb0.23/In0.53Ga0.47As DHBTs[20]質(zhì)子輻照效應(yīng)的報(bào)道,至今未見γ射線、電子、重離子等粒子的輻照效應(yīng)報(bào)道。

在太空環(huán)境中,航天器中的硅基雙極器件始終工作于低劑量率[21-22]輻射環(huán)境中,不僅受到總劑量效應(yīng)[23](Total Ionizing Dose Effect,TID)的影響,也存在明顯的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)(Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity Effect,ELDRS)[24-25]。工作于太空中的航天飛行器隨著接受到的總吸收劑量的增加,飛行器的電子器件性能會(huì)隨之下降,甚至失效。20世紀(jì)90年代人們發(fā)現(xiàn),硅基雙極器件存在ELDRS,ELDRS會(huì)極大減小雙極器件的損傷閾值,導(dǎo)致雙極器件在低劑量率輻照下性能迅速下降,使得航天器相關(guān)電子學(xué)系統(tǒng)功能失常,提前結(jié)束服役時(shí)間。銻基異質(zhì)結(jié)晶體管如果工作于航天器中,也將面臨TID 及ELDRS的威脅。硅器件中導(dǎo)致ELDRS的一個(gè)重要因素是Si/SiO2層之間的氧化層陷阱或者界面態(tài)陷阱[26-27],由于銻基異質(zhì)結(jié)晶體管由多種半導(dǎo)體材料調(diào)制摻雜制備而成,存在多個(gè)界面,極可能存在導(dǎo)致并加劇ELDRS的機(jī)制,所以不僅需要對(duì)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的TID進(jìn)行研究,還需要對(duì)其ELDRS進(jìn)行研究。

本文利用MBE 技術(shù)制備了銻基異質(zhì)結(jié)晶體管,并利用60Coγ輻照裝置在不同吸收劑量率和總吸收劑量下對(duì)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的TID 及ELDRS進(jìn)行了研究。利用無損、靈敏的噪聲表征技術(shù)對(duì)其輻射致缺陷濃度進(jìn)行了表征,通過范德堡法采集了器件內(nèi)部的載流子信息。通過噪聲表征方法和范德堡方法將輻射致缺陷與器件內(nèi)部載流子相關(guān)聯(lián),并相互印證。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

銻基異質(zhì)結(jié)晶體管由中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室VG-80H MKII固態(tài)源分子束外延系統(tǒng)生長制備而成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。銻基異質(zhì)結(jié)晶體管制備過程為:(1)以半絕緣GaAs材料作為襯底,對(duì)GaAs襯底進(jìn)行脫氧處理;(2)在GaAs襯底上外延500 nm GaAs緩沖層,以得到較平整表面;(3)繼續(xù)生長600 nm InAs緩沖層;(4)在緩沖層上方生長600 nm In As作為異質(zhì)結(jié)晶體管的集電極,摻雜濃度為8.0×1024m-3;(5)生長30 nm GaSb層作為異質(zhì)結(jié)晶體管的基極,摻雜濃度為1.0×1025m-3;(6)生長AlSb/AlGaSb量子阱結(jié)構(gòu)作為勢(shì)壘:15 nm AlGaSb下勢(shì)壘和3 nm AlSb上勢(shì)壘;(7)在AlSb/AlGaSb量子阱上,依次生長摻雜濃度為1.5×1023m-3的50 nm In As和8.0×1024m-3的100 nm In As作為異質(zhì)結(jié)晶體管的發(fā)射極。

圖1 分子束外延技術(shù)制備的NPN型銻基異質(zhì)結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)的橫剖面Fig.1 The cross section of NPN-type Antimonide based HBTs prepared by MBE

60Coγ輻照實(shí)驗(yàn)在中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所60Coγ輻照裝置上進(jìn)行。為評(píng)價(jià)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)是否存在ELDRS,本文采用了1.95×10-1Gy·s-1和1.50×10-2Gy·s-1兩種吸收劑量率對(duì)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管輻照。在每個(gè)吸收劑量率下,對(duì)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管依次輻照300,600,1000 和1500 Gy,考察銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的TID。本文中吸收劑量率采用重鉻酸銀劑量計(jì)測(cè)量獲得,誤差在±5%以內(nèi)。

輻照前后對(duì)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的噪聲信息和載流子信息進(jìn)行采集。輻照及測(cè)試溫度均為室溫。

本研究利用自研噪聲參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試室溫下銻基異質(zhì)結(jié)晶體管在不同吸收劑量率、總吸收劑量下的噪聲信息。該系統(tǒng)由自主研制的低噪聲偏置器、適配器、SR560電壓放大器、數(shù)據(jù)采集卡和XD3020噪聲可靠性分析軟件構(gòu)成,如圖2所示。該系統(tǒng)頻帶寬:0～106Hz,背景噪聲＜4 n V/ Hz(@1 k Hz)。

銻基電子器件的噪聲通常由白噪聲和1/f噪聲構(gòu)成。其噪聲功率譜密度可寫成為:

式中:A 為白噪聲;B 為1/f噪聲的噪聲幅值;指數(shù)k 通常為1。

在本文中依據(jù)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的噪聲譜信息,利用公式(1)中SV(f)、B、k 等對(duì)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的TID和ELDRS進(jìn)行研究。

圖2 噪聲測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 The testing system for noise

本研究利用HALLOOK 3000型霍爾效應(yīng)譜儀測(cè)試了室溫下銻基異質(zhì)結(jié)晶體管在不同吸收劑量率、總吸收劑量下的電子遷移率(Electron Mobility,μ)、載流子濃度(Carrier Concentration,N)的變化情況?；魻栃?yīng)測(cè)試方法為范德堡法[9]。

2 結(jié)果

利用低頻噪聲信息來間接表征器件內(nèi)部輻射致缺陷的變化情況,器件內(nèi)部輻射致缺陷的增多將導(dǎo)致低頻噪聲SV增大。在不同吸收劑量率、總吸收劑量的60Coγ射線輻照后,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管在低頻段(1～30 Hz)的SV較之輻照前減小。其中,吸收劑量率為1.50×10-2Gy·s-1,吸收劑量為300 Gy時(shí)SV減至最小,頻率為1 Hz時(shí)SV較之輻照前減小77%,如圖3所示。

圖3 銻基異質(zhì)結(jié)晶體管輻照前后的S V曲線Fig.3 The variation of S V with frequency in pre-irradiation and post-irradiation for Antimonide based HBTs

在本文中,利用輻照前后的低頻噪聲變化量ΔSV及其相關(guān)參數(shù)來表征電子材料和器件內(nèi)部輻射致缺陷的變化情況:

不同吸收劑量率下ΔSV與總吸收劑量的關(guān)系如圖4和圖5所示。在圖4和圖5中, “Exp.”代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),“Fit”代表擬合曲線。從圖4和圖5可以看出,在吸收劑量率為1.95×10-1Gy·s-1和1.50×10-2Gy·s-1時(shí),ΔSV＜0,即相較于輻照前SV降低。但是ΔSV隨著總吸收劑量的增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì),表現(xiàn)為ΔSV(300 Gy)＜ΔSV(600 Gy)＜ΔSV(1000 Gy)～ΔSV(1500 Gy)。

圖4 銻基異質(zhì)結(jié)晶體管在吸收劑量率為1.95×10-1 Gy·s-1時(shí),ΔS V與頻率的關(guān)系曲線Fig.4 The curves ofΔS V-frequency in Antimonide based HBTs at the dose rate of 1.95×10-1 Gy·s-1

圖5 銻基異質(zhì)結(jié)晶體管在吸收劑量率為1.50×10-2 Gy·s-1時(shí),ΔS V與頻率的關(guān)系曲線Fig.5 The curves ofΔS V-frequency in Antimonide based HBTs at the dose rate of 1.50×10-1 Gy·s-1

經(jīng)分析,在1～30 Hz頻率范圍內(nèi),輻照前后的ΔSV與f的關(guān)系如公式(3)所示,表明低頻噪聲為1/f噪聲。

ΔSV與頻率的關(guān)系式為:

式中:ΔB 為噪聲幅值的差值;k 為1/f噪聲指數(shù)。

圖6為不同吸收劑量率下1/f噪聲指數(shù)與吸收劑量(D)的關(guān)系圖,可以看出k 在不同吸收劑量率、吸收劑量下數(shù)值基本一致,并不隨之變化,說明k 只與銻基異質(zhì)結(jié)晶體管本身特性有關(guān),輻照并未引起k 的變化。但是由于銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的特性,其k 不等于1,k 約為1.9。

圖7為不同吸收劑量率下ΔB 與總吸收劑量的關(guān)系圖,可以看出,在2種吸收劑量率下,ΔB 隨著吸收劑量的增大而緩慢增大,在300 Gy時(shí),ΔB 最小,在1000 Gy時(shí),ΔB 最大,但是ΔB 量級(jí)都為-10-14V2·Hz-1。

圖6 不同吸收劑量率下1/f噪聲指數(shù)與吸收劑量的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between k and dose at different dose rates

圖7 不同吸收劑量率下ΔB 與吸收劑量的關(guān)系圖Fig.7 Relationship betweenΔB and dose at different dose rates

除噪聲信息外,本文利用μ 和N 這兩個(gè)物理量來直接表征銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的電學(xué)性能變化。高速的μ 和極高的N 是銻基異質(zhì)結(jié)晶體管作為高速低功率器件工作的前提,它們決定了銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的性能優(yōu)劣。表1和表2分別給出了不同吸收劑量率、總吸收劑量下的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的μ 和N 信息。從表1和表2中可以看出,輻照前銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的μ 可達(dá)3.81×107m2·V-1·s-1,N 的絕對(duì)值可達(dá)1.42×1022m-3。輻照后μ 增大了1.35%～6.48%,最大為4.06×107m2·V-1·s-1。同時(shí),N 的絕對(duì)值增大1.43%～6.88%,絕對(duì)值最大為1.52×1022m-3,這表明輻射優(yōu)化了銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的μ 和N 這兩個(gè)重要特性。

表1 不同吸收劑量率、總吸收劑量的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的μTab.1 The values ofμin Antimonide based HBTs at different dose rates and doses

3 討論

3.1 銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的TID

低頻噪聲信息,尤其是1/f噪聲,可作為一種靈敏的電子材料及器件內(nèi)部缺陷的表征手段[28-30],現(xiàn)已被用于表征電子器件的輻射損傷。在射線輻射作用下,電子材料和器件內(nèi)部缺陷的增多、結(jié)構(gòu)的破壞都會(huì)導(dǎo)致低頻噪聲功率譜密度增大[31-32],如1995 年,Babcock等[33]利用低頻噪聲信息分析了UHV/CVD SiGe HBT在60Coγ射線作用下的耐輻照能力,實(shí)驗(yàn)表明總吸收劑量的增大導(dǎo)致SiGe HBT性能不斷下降,其電流增益隨著吸收劑量的增大而不斷減小,內(nèi)部缺陷增多,其噪聲信息表現(xiàn)為輻照后的SV在低頻范圍內(nèi)相較于輻照前增大。在本文中,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的SV在輻照后減少,說明其內(nèi)部缺陷減少,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管性能變好。但是從圖4和圖5中可以看出,在1～30 Hz頻率范圍內(nèi),雖然ΔSV＜0,但是ΔSV隨著總吸收劑量的增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì),表現(xiàn)為ΔSV(300 Gy)＜ΔSV(600 Gy)＜ΔSV(1000 Gy)～ΔSV(1500 Gy),這說明銻基異質(zhì)結(jié)晶體管存在TID。

從圖7可以看出,在2種吸收劑量率下,在300～1500 Gy時(shí)ΔB 量級(jí)都為-10-14V2·Hz-1,并未出現(xiàn)量級(jí)的差別,和Si BJTs[34]相比,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管表現(xiàn)出較弱的TID。但是總體而言,在300～1500 Gy吸收劑量范圍內(nèi),ΔB＜0,說明該器件具有良好的耐總劑量輻照能力。

3.2 銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的ELDRS

硅器件中導(dǎo)致ELDRS的一個(gè)重要因素是器件內(nèi)部的界面態(tài)陷阱和氧化層陷阱[31],這些缺陷是因?yàn)槠骷写嬖赟iO2層而引起的。在硅器件制備過程中,硅材料表面極易形成穩(wěn)定且晶格失配率極低的SiO2絕緣層,迄今為止,還未找到比SiO2晶格更為匹配的硅器件用絕緣材料。但是在低劑量率輻射條件下,較之高劑量率Si/SiO2層之間產(chǎn)生更多的氧化層陷阱,不斷俘獲載流子,致使載流子濃度減少速度增大,遷移率下降速度變快,從而表現(xiàn)出ELDRS。

從圖6和圖7看出,吸收劑量率為1.95×10-1Gy·s-1和1.50×10-2Gy·s-1時(shí),在誤差范圍內(nèi),銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的k 并未改變,ΔB 基本相同,并未隨著吸收劑量率的減小而增大。與之對(duì)應(yīng)的,μ 與N 與吸收劑量率并不存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。綜上所述,噪聲信息和載流子信息都表明銻基異質(zhì)結(jié)晶體管在1.50×10-2～1.95×10-1Gy·s-1吸收劑量率范圍內(nèi)并不存在ELDRS。

本文推測(cè)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管之所以未表現(xiàn)出ELDRS,得益于其制備工藝中氧化層的缺失及器件內(nèi)部各個(gè)界面之間低的晶格失配率。本文制備的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管在半絕緣GaAs襯底上生長了8層納米級(jí)電子材料,制造出7個(gè)界面。在這7個(gè)界面的制備過程中,嚴(yán)格限制氧元素的介入,避免產(chǎn)生大量的氧化層陷阱,避免了在界面處形成氧化層進(jìn)而導(dǎo)致ELDRS。另一方面,本文中的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管所用內(nèi)部材料屬于“0.61 nm材料體系”,這個(gè)材料體系內(nèi)固有的晶格失配最大為0.7%,從根本上減少了界面處懸掛鍵的產(chǎn)生,極大降低了異質(zhì)結(jié)晶體管的界面態(tài)缺陷密度,從而抑制了ELDRS在銻基異質(zhì)結(jié)晶體管中的表達(dá)。

3.3 60 Coγ射線對(duì)銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的輻射退火效應(yīng)

在本文中,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的SV在輻照后減少,說明其內(nèi)部缺陷減少,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管性能變好。

制備的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管未輻照前已經(jīng)具有優(yōu)良的電子遷移率性能,室溫下μ 可達(dá)3.81×107m2·V-1·s-1,可作為高遷移率器件使用。在高遷移率的同時(shí),制備的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管也具有較大的電子濃度,室溫下N 可達(dá)-1.42×1022m-3,此處的“-”表明載流子為電子。經(jīng)過60Coγ射線輻照后,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的μ 和N 絕對(duì)值同時(shí)增大,這種μ 和N絕對(duì)值同時(shí)增大的現(xiàn)象稱之為輻照退火效應(yīng)[14],即在射線的照射下,使得電子材料或器件內(nèi)部的缺陷減少,進(jìn)而改善電子材料或器件的性能。輻照退火效應(yīng)類似于溫度退火[35]效應(yīng)。

早在1979年,Mcmahon等[14]就發(fā)現(xiàn)離子注入的硅p+-n結(jié)在電子輻照后,性能得到極大改善,可與高溫退火的硅p+-n結(jié)性能相似,因此,Mcmahon等建議用電子輻照來替代溫度退火,不僅可以改善器件結(jié)構(gòu)性能,并可避免高溫退火時(shí)摻雜元素的再次擴(kuò)散對(duì)器件性能的影響。硅器件作為最成熟、應(yīng)用最廣泛的電子器件,一直深受TID的影響,其性能隨著吸收劑量的增加而不斷變壞,未有60Coγ射線對(duì)硅器件進(jìn)行退火效應(yīng)的報(bào)道,致使廣泛認(rèn)為60Coγ射線不具備對(duì)電子學(xué)材料退火的功能。本文所發(fā)現(xiàn)的60Coγ射線輻照后銻基異質(zhì)結(jié)晶體管性能改善是首次發(fā)現(xiàn)的電子器件γ射線輻射退火效應(yīng)。

60Coγ射線平均能量為1.25 Me V,該能量的光子與銻基異質(zhì)結(jié)晶體管中的物質(zhì)相互作用機(jī)制主要為電離效應(yīng),產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)可與器件內(nèi)部缺陷相互作用,使得銻基異質(zhì)結(jié)晶體管制備過程中引入的缺陷被中和。但是ΔSV隨著吸收劑量的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì),說明輻射導(dǎo)致了新的缺陷中心,對(duì)器件性能形成新的損傷,致使優(yōu)化作用減弱。因此,為了獲得性能更為優(yōu)良的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管,需對(duì)輻射條件進(jìn)行調(diào)控。

4 結(jié)論

本文利用60Coγ射線對(duì)MBE技術(shù)制備的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管的TID效應(yīng)和ELDRS效應(yīng)進(jìn)行了研究,研究表明在吸收劑量率范圍為1.50×10-2～1.95×10-1Gy·s-1,總劑量范圍為300 Gy(Si)～1500 Gy(Si)的γ輻射環(huán)境中,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管未顯現(xiàn)ELDRS,僅表現(xiàn)出微弱的TID。但是總體而言,銻基異質(zhì)結(jié)晶體管低頻噪聲SV較之輻照前降低,μ 增大了1.35%～6.48%,N 增大了1.43%～6.88%,表明輻射使得銻基異質(zhì)結(jié)晶體管退火,性能變得更為優(yōu)良。本研究制備的銻基異質(zhì)結(jié)晶體管經(jīng)輻照后,室溫下μ 最高可達(dá)4.061×107m2·V-1·s-1,N 的絕對(duì)值最高可達(dá)1.52×1022m-3,具備作為高速低功率器件的使用潛質(zhì)。

致謝

衷心感謝中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所鈷源輻照裝置運(yùn)行組在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中給予的大力支持和幫助。