伽馬輻照對(duì)量子點(diǎn)嵌入式HEMT力敏結(jié)構(gòu)的影響*

王瑞榮，郭 浩，唐 軍，劉金萍，劉麗雙

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051; 2.太原工業(yè)學(xué)院 電子工程系，山西 太原 030008)

0 引 言

量子點(diǎn)(quantum dot,QD)嵌入式高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor,HEMT)力敏傳感器由于具有高電子遷移率、高靈敏度、高帶寬、優(yōu)異的電學(xué)特性[1]等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)傳感器，這些優(yōu)異的特性使得MEMS傳感器在航空航天、空間通信、衛(wèi)星、軍事和核領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2～4]。然而，這些領(lǐng)域的輻照嚴(yán)重，很容易導(dǎo)致敏感單元的參數(shù)變化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致元器件完全失效[5]，同時(shí)太空環(huán)境以及核輻射環(huán)境中產(chǎn)生的γ射線[6,7]，會(huì)對(duì)MEMS傳感器的穩(wěn)定性工作產(chǎn)生影響。因此,研究[1]γ射線對(duì)MEMS傳感器工作性能及結(jié)構(gòu)損傷的影響具有重要的意義。

本文設(shè)計(jì)了一種InAs QD嵌入式HEMT力敏結(jié)構(gòu)，通過(guò)60Co-γ射線對(duì)InAs QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同劑量的輻照，對(duì)輻照前后力敏結(jié)構(gòu)的輸出特性、力敏特性進(jìn)行了測(cè)試。與未輻照樣品進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明:InAs QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)輻照后的漏極電流與靈敏度都發(fā)生降低，漏極電流降低的主要原因是輻照過(guò)程中InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)中引入了缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的二維電子氣載流子濃度與遷移率降低，從而對(duì)輸出電流產(chǎn)生影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種基于2-DEG InAs QD嵌入式HEMT結(jié)構(gòu)，通過(guò)臺(tái)面刻蝕、源漏和柵極金屬化、鈍化等方法在半絕緣GaAs襯底上制備了樣品。首先在半絕緣GaAs襯底表面生長(zhǎng)200 nm高純度GaAs緩沖層，生長(zhǎng)較厚的緩沖層可以避免有源層受到襯底缺陷、有害雜質(zhì)和熱轉(zhuǎn)換的影響。再在GaAs緩沖層的頂部沉積GaAs/AlGaAs超晶格結(jié)構(gòu)層、GaAs溝道層、InAs量子點(diǎn)層，再生長(zhǎng)12 nm高純AlGaAs作為隔離層;接著沉積16 nm的 n-AIGaAs勢(shì)壘層，柵極肖特基接觸在這一層。勢(shì)壘層上面是高純度GaAs隔離層，最后是45 nm的高摻雜GaAs帽層，用來(lái)進(jìn)行源極、漏極歐姆接觸的加工。本文設(shè)計(jì)的InAs QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)的柵長(zhǎng)為0.5 μm，柵寬為176 μm，溝道層的厚度為50 nm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)示意

采用QD-HEMT作為MEMS傳感器的力敏單元，當(dāng)對(duì)傳感器施加應(yīng)力作用時(shí)，QD-HEM力敏單元由于受到力作用而使能帶結(jié)構(gòu)及內(nèi)部晶格發(fā)生變化。其中,溝道層產(chǎn)生變形會(huì)造成自由電子遷移率的變化；內(nèi)部晶格變化引起晶格膨脹，導(dǎo)致散射效應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)一步影響自由電子遷移率；能帶結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響價(jià)帶到導(dǎo)帶的電子轉(zhuǎn)移，并改變自由電子濃度，造成導(dǎo)電性、遷移率的改變。這些改變的因素都會(huì)對(duì)QD-HEMT結(jié)構(gòu)中的二維電子氣產(chǎn)生影響，導(dǎo)致輸出電流發(fā)生變化，宏觀上表現(xiàn)為QD-HEMT輸出電流(IDS)的變化。應(yīng)力作用下QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)的能級(jí)變化示意圖如圖2所示，通過(guò)這一物理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)信號(hào)到電學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)化[8]。

圖2 QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下的能級(jí)變化

2 實(shí)驗(yàn)條件

為了研究γ射線輻照對(duì)InAs QD-HEMT電學(xué)性能及力敏特性影響，設(shè)計(jì)了下面的實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行輻照前，首先在室溫條件下利用Keithley 4200半導(dǎo)體特性分析儀對(duì)InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輸出與轉(zhuǎn)移特性測(cè)試。60Co-γ射線輻照實(shí)驗(yàn)在中國(guó)輻射防護(hù)研究院進(jìn)行，γ射線平均能量為1.25 MeV。將樣品分別放置于不同的透明塑料盒中，在室溫條件下按照最大劑量率41.67 rad/s進(jìn)行10 Mrad(Si)，50 Mrad(Si)，100 Mrad(Si)，150 Mrad(Si)不同劑量的輻照實(shí)驗(yàn)，輻照過(guò)程中樣品處于開態(tài)且未施加偏壓。其中,有一個(gè)原始樣品未進(jìn)行輻照，便于進(jìn)行輻照前后的對(duì)比，輻照完成后立即進(jìn)行器件性能測(cè)試。

3 結(jié)果分析

3.1 輸出特性

圖3為InAs QD-HEMT未輻照與150 Mrad劑量γ射線輻照后的輸出特性曲線(IDS-VDS)。從圖3可以看出，經(jīng)過(guò)150 Mrad劑量輻照后InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的漏極飽和電流發(fā)生了降低，從105 mA減小到83 mA，減小了約21 %。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于輻照過(guò)程在結(jié)構(gòu)中引入了缺陷，導(dǎo)致InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的二維電子氣載流子濃度與遷移率降低，影響InAs QD-HEMT的電學(xué)特性。

圖3 InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)未輻照與150 Mrad輻照后輸出特性曲線

3.2 力敏特性

根據(jù)量子隧穿效應(yīng)原理，在1～10 nm尺寸范圍內(nèi)，隨著尺寸的不同，量子隧穿幾率也不同，量子隧穿概率與尺寸關(guān)系如圖4所示[9～11]。

圖4 量子隧穿概率

對(duì)不同劑量輻照后的InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的力敏特性進(jìn)行了測(cè)試。使用實(shí)驗(yàn)室的JT—1500溫度壓力復(fù)合環(huán)境聯(lián)合控制測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行常溫環(huán)境下0～1 kPa壓力作用下結(jié)構(gòu)的力敏特性測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 力敏測(cè)試系統(tǒng)

力敏特性測(cè)試結(jié)果如圖6(a)～(e)所示。靈敏度S=((U-U0)/U0)/ΔP,其中，U為InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)施加應(yīng)力后測(cè)得的電壓，U0為初始電壓，ΔP為對(duì)應(yīng)應(yīng)力的變化。

圖6 不同劑量輻照后InAs QD-HEMT力敏特性變化

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以得到，在0～300 Pa應(yīng)力范圍內(nèi)，未輻照前InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的靈敏度為3.06 kPa-1;10，50，100，150 Mrad輻照后InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的靈敏度分別為2.56，2.38，1.71，1.12 kPa-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同應(yīng)力作用下，隨著輻照劑量的增加，InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的靈敏度降低，與未輻照相比，150 Mrad輻照后，QD-HEMT結(jié)構(gòu)的靈敏度降低了63.4 %。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是,γ射線作用在半導(dǎo)體材料上，產(chǎn)生電離效應(yīng)，電離產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，電荷在半導(dǎo)體器件中不斷地累積，從而使材料降解，導(dǎo)致器件性能嚴(yán)重退化。

4 結(jié) 論

本文利用60Co-γ射線對(duì)設(shè)計(jì)的InAs QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同劑量的輻照。由于輻照過(guò)程在結(jié)構(gòu)中引入了缺陷，影響了HEMT結(jié)構(gòu)二維電子氣載流子濃度與遷移率，從而使漏極飽和電流從105 mA減小到83 mA，減小了約21 %。力敏特性測(cè)試結(jié)果表明:隨著輻照劑量的增加，QD-HEMT結(jié)構(gòu)的力敏特性不斷減小。與輻照前相比，與150 Mrad劑量輻照后結(jié)構(gòu)的靈敏度降低了 63.4 %，但高劑量輻照后QD-HEMT仍具有工作特性。