磷化銦高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)材料抗電子輻照加固設(shè)計(jì)*

周書星 方仁鳳 魏彥鋒 陳傳亮 曹文彧 張欣 艾立鹍 李豫東 郭旗

1)(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,低維光電材料與器件湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,襄陽(yáng) 441053)

2)(中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050)

3)(中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所,中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011)

為研究磷化銦高電子遷移率晶體管(InP HEMT)外延結(jié)構(gòu)材料的抗電子輻照加固設(shè)計(jì)的效果,本文采用氣態(tài)源分子束外延法制備了系列InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料.針對(duì)不同外延結(jié)構(gòu)材料開展了1.5 MeV 電子束輻照試驗(yàn),在輻照注量為2 × 1015 cm—2 條件下,并測(cè)試了InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料二維電子氣輻照前后的電學(xué)特性,獲得了輻照前后不同外延結(jié)構(gòu)InP HEMT 材料二維電子氣歸一化濃度和電子遷移率隨外延參數(shù)的變化規(guī)律,分析了InP HEMT 二維電子氣輻射損傷與Si-δ 摻雜濃度、InGaAs 溝道厚度和溝道In 組分以及隔離層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系.結(jié)果表明:Si-δ 摻雜濃度越大,隔離層厚度較薄,InGaAs 溝道厚度較大,溝道In 組分低的InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)二維電子氣輻射損傷相對(duì)較低,具有更強(qiáng)的抗電子輻照能力.經(jīng)分析原因如下:1)電子束與材料晶格發(fā)生能量傳遞,破壞晶格完整性,且在溝道異質(zhì)界面引入輻射誘導(dǎo)缺陷,增加復(fù)合中心密度,散射增強(qiáng)導(dǎo)致二維電子氣遷移率和濃度降低;2)高濃度Si-δ 摻雜和薄隔離層有利于提高量子阱二維電子氣濃度,降低二維電子氣受輻射損傷的影響;3)高In 組分應(yīng)變溝道有利于提高二維電子氣遷移率,但輻照后更容易應(yīng)變弛豫產(chǎn)生位錯(cuò)缺陷,導(dǎo)致二維電子氣遷移率顯著下降.

1 引言

隨著載人航天嫦娥探月工程和火星探測(cè)任務(wù)的開啟,航天探測(cè)工程步入到深空階段.深空探測(cè)系統(tǒng)需要傳輸?shù)奶綔y(cè)數(shù)據(jù)量越來(lái)越多,但目前面臨通信信號(hào)越來(lái)越弱、通信時(shí)延增加的問(wèn)題,急需信噪比高、靈敏度高、工作頻率高的深空通信收發(fā)系統(tǒng).磷化銦基高電子遷移率晶體管(InP based high electron mobility transistor,InP HEMT)利用InGaAs 溝道具有的高遷移率的二維電子氣(two-dimensional electron gas,2DEG)來(lái)工作,具有高速高頻、高功率增益、低噪聲及低功耗等特點(diǎn),成為毫米波和太赫茲波領(lǐng)域最具競(jìng)爭(zhēng)力的三端固態(tài)電子器件之一,非常適合制作毫米波太赫茲波低噪聲放大器,可應(yīng)用于深空通信收發(fā)系統(tǒng)[1-3].

但是,隨著HEMT 射頻器件在空間環(huán)境中應(yīng)用,面臨著包括地球輻射帶、太陽(yáng)耀斑和銀河宇宙射線等強(qiáng)輻射環(huán)境,將不可避免受到各種高能粒子和射線等輻射影響,其中電子是空間輻照環(huán)境中含量極為豐富的粒子,具有較大的電子能損,會(huì)在材料中引入微觀缺陷,并可在異質(zhì)界面引起原子混合,這都會(huì)造成HEMT 量子阱中2DEG 遷移率和密度發(fā)生變化[4-6],易于誘發(fā)空間通信系統(tǒng)中HEMT射頻器件的最小噪聲系數(shù)Fmin、截止頻率ft、最大振蕩頻率fmax等關(guān)鍵參數(shù)退化[7-9],甚至引起器件失效,影響空間通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,嚴(yán)重威脅航天器的安全可靠運(yùn)行.因此對(duì)于空間環(huán)境中應(yīng)用的HEMT 器件,研究其電子輻照效應(yīng)顯得尤為重要.

近年來(lái),國(guó)外眾多研究團(tuán)隊(duì)紛紛報(bào)道了輻照對(duì)各種HEMT 器件的影響,其中輻照源包括質(zhì)子、電子、中子、γ射線、α 粒子等,HEMT 器件主要包括GaAs HEMT[10],GaN HEMT[11],InP HEMT[12],InAs/AlSb HEMT[13].Pearton 等[14]發(fā)現(xiàn)電子輻照會(huì)導(dǎo)致GaN HEMT 二維電子氣面密度和電子遷移率減小,閾值電壓正向漂移,同時(shí)漏電流和跨導(dǎo)退化.Fleetwood[8]發(fā)現(xiàn)溝道內(nèi)缺陷及異質(zhì)界面散射會(huì)誘導(dǎo)載流子數(shù)量變化,引起HEMT 器件1/f噪聲增大.Lin 等[15,16]分析了電子質(zhì)子輻照對(duì)AlGaAs/GaAs HEMT 二維電子氣密度和電子遷移率的輻射影響規(guī)律和材料中引入的深能級(jí)缺陷,發(fā)現(xiàn)外延結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)條件會(huì)影響HEMT 二維電子氣的抗輻照能力.Tang 等[5,17]通過(guò)模擬仿真發(fā)現(xiàn)GaN HE MT 異質(zhì)結(jié)附近GaN 層中的Ga 空位會(huì)影響費(fèi)米能級(jí),并且俘獲勢(shì)阱中二維電子氣,其中采用背部勢(shì)壘層可以提高器件性能,但會(huì)導(dǎo)致抗輻射性能降低.Zang 等[18]質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):輻照誘導(dǎo)閾值電壓漂移與隔離層厚度正相關(guān),隔離層厚度較薄會(huì)提高 GaN HEMT 抗輻射能力.Smith 等[19]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):通過(guò)材料外延設(shè)計(jì)和鈍化技術(shù)可控制和提高GaN HEMT 抗伽馬輻照能力.Zhong 等[20]通過(guò)模擬仿真質(zhì)子輻照InP HEMT 輻照前后直流和射頻特性變化發(fā)現(xiàn):溝道下面插入一層Si-δ 摻雜層可以增強(qiáng)質(zhì)子輻射耐受性.研究以上文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn):通過(guò)材料生長(zhǎng)、外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝鈍化技術(shù)都可提高HEMT 抗輻射性能,但大部分主要集中在GaN HEMT 器件抗輻射效應(yīng)研究上,而InP HEMT 器件抗輻射效應(yīng)的研究報(bào)道較少,在輻照損傷機(jī)理和抗輻射加固措施上有待進(jìn)一步研究.

二維電子氣(2DEG)的電子遷移率(u)和面密度(n)是影響 HEMT 器件頻率、功率、噪聲系數(shù)等性能的2 個(gè)重要參數(shù),研究輻射誘導(dǎo)缺陷對(duì)二維電子氣的影響對(duì)分析 HEMT 器件空間輻照退化機(jī)理和加固方法具有十分重要的意義.目前國(guó)內(nèi)在InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料電子輻射效應(yīng)方面的研究尚不夠全面和深入,無(wú)法為InP HEMT 器件與電路抗輻照加固設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo).因此本文擬對(duì)系列InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料開展1.5 MeV電子束輻照試驗(yàn),獲得輻照前后二維電子氣濃度和電子遷移率輻射損傷特性,研究InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料二維電子氣輻射與外延結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性,分析結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料的抗輻照性能影響,為InP HEMT 器件與電路抗輻照加固設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐.

2 材料制備與輻照試驗(yàn)

2.1 材料制備

本實(shí)驗(yàn)所用InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料樣品是中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提供的,采用V90型氣態(tài)源分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)(GSMBE)制備,該生長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)備如圖1 所示.樣品基本結(jié)構(gòu)如表1 所列,外延結(jié)構(gòu)從下至上的組成為:300 nm非摻雜In0.52Al0.48As 緩沖層(Buffer layer)、twnm非摻雜InxGa1—xAs 溝道層(Channel)、hwnm In0.52Al0.48As 隔離層(Spacer layer)、Si-δ 平面摻雜層(δdoping)、8 nm 非摻雜In0.52Al0.48As 勢(shì)壘層(Barrier layer)、4 nm 非摻雜InP 停止刻蝕層(Etch-stopper)、15 nm 的n+摻雜的In0.52Al0.48As 帽層(Cap layer 3)、15 nm 的n+摻雜的In0.53Ga0.47As 帽層(Cap layer 2)和10 nm 的n+摻雜的In0.65Ga0.35As帽層(Cap layer 1).為了研究 InP HEMT 二維電子氣輻射損傷與外延結(jié)構(gòu)參數(shù)依賴的關(guān)系,進(jìn)行抗輻射外延加固優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)制備了4 組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的外延結(jié)構(gòu)樣品.A 組樣品的隔離層厚度為3 nm,溝道厚度為15 nm,溝道In 組分為0.53,Si-δ平面摻雜層濃度分別為3×1012,4×1012,5×1012,6×1012cm—2,分別標(biāo)記為樣品A1,A2,A3,A4.B 組樣品的Si-δ 平面摻雜層濃度為5×1012cm—2,溝道厚度為15 nm,溝道In 組分為0.53,隔離層厚度分別為2,3,4,5 nm,分別標(biāo)記為樣品B1,B2,B3,B4.C 組樣品的Si-δ 平面摻雜層濃度為5×1012cm—2,隔離層厚度為3 nm,溝道厚度為10 nm,溝道In 組分分別為0.6,0.65,0.7,0.75,分別標(biāo)記為樣品C1,C2,C3,C4.D 組樣品的Si-δ 平面摻雜層濃度為5×1012cm—2,隔離層厚度為3 nm,溝道In 組分分別為0.53,溝道厚度分別為5,15,25,35 nm,分別標(biāo)記為樣品D1,D2,D3,D4.4 組樣品輻照前常溫(RT)和低溫77 K 霍爾測(cè)試結(jié)果如表2 所列.圖2 給出了溝道In 組分為0.7 且溝道厚度為12 nm 的InP HEMT 結(jié)構(gòu)材料TEM 分析圖[21].

圖1 V90型氣態(tài)源分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)Fig.1.V90 gas source molecular beam epitaxy growth system.

表1 InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)表(S.I.InP sub,半絕緣InP 襯底)Table 1. Structure parameters of the InP HEMT(S.I.InP sub,semi-insulating InP substrate).

表2 InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)樣品輻照前霍爾測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2. Hall data of the InP HEMT structures before irradiation.

圖2 InP HEMT 結(jié)構(gòu)材料TEM 分析圖Fig.2.TEM analysis diagram of InP HEMT structural material.

2.2 輻照試驗(yàn)

電子輻照試驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所完成的.試驗(yàn)采用的電子加速器型號(hào)為俄羅斯ELV-8 II 高頻高壓電子加速器,能量范圍為1.0—2.0 MeV.試驗(yàn)選取入射電子能量為1.5 MeV,注量率為1.0×1011cm2·s—1,采用垂直入射方式.當(dāng)累積輻照注量達(dá)到2×1015cm—2時(shí),將樣品取出進(jìn)行常溫和低溫77 K 霍爾測(cè)試,獲取InP HEMT二維電子氣濃度和遷移率.

3 試驗(yàn)結(jié)果

在輻照前后分別進(jìn)行常溫和低溫77 K 霍爾測(cè)試,獲取InP HEMT 二維電子氣濃度和遷移率,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化(Normalized)處理,即采用輻照后的二維電子氣濃度或電子遷移率除以輻照前對(duì)應(yīng)外延結(jié)構(gòu)材料的二維電子氣濃度或電子遷移率;分析InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料二維電子氣輻射損傷隨外延結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律,以便進(jìn)行外延結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)優(yōu)化.

圖3 為電子輻照對(duì)不同δ 摻雜濃度InP HEMT二維電子氣濃度和電子遷移率的歸一化影響.由圖3(a)和圖3(b)可知:室溫和77 K 二維電子氣濃度和電子遷移率輻射損傷趨勢(shì)一致,即在相同輻照條件下,隨著δ 摻雜濃度增大,InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)二維電子氣濃度和電子遷移率輻照損傷減小,這說(shuō)明δ 摻雜濃度高的InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)二維電子氣濃度和電子遷移率輻照損傷相對(duì)較小,具有較強(qiáng)的抗輻照能力.對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可發(fā)現(xiàn):同一樣品在相同輻照條件下,77 K 條件下的二維電子氣濃度和電子遷移率比常溫退化嚴(yán)重,說(shuō)明樣品輻照后二維電子氣輻射損傷性能隨著溫度的降低會(huì)發(fā)生顯著退化,這主要是由于隨著溫度降低,載流子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度變小,不能較快地掠過(guò)輻射誘導(dǎo)缺陷,偏轉(zhuǎn)較大,受到缺陷散射增強(qiáng),且更容易受到輻射誘導(dǎo)缺陷俘獲[22].圖4 為電子輻照對(duì)不同隔離層厚度InP HEMT 二維電子氣濃度和電子遷移率的歸一化影響.從圖4(a)和圖4(b)可以看到:室溫和77 K 二維電子氣濃度和電子遷移率輻射損傷趨勢(shì)基本一致,即在相同輻照條件下,隨著隔離層厚度減小,InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)二維電子氣濃度和電子遷移率輻照損傷快速減小,這說(shuō)明隔離層較薄的InP HEMT 外延材料二維電子氣濃度和電子遷移率輻照損傷相對(duì)較小,具有較強(qiáng)的抗輻照能力,在GaN HEMT 中也觀察到縮減隔離層厚度減小輻射退化的類似現(xiàn)象[18].圖5 為電子輻照對(duì)不同溝道In 組分InP HEMT 二維電子氣濃度和電子遷移率的歸一化影響.從圖5(a)和圖5(b)可以看到:室溫和77 K 二維電子氣濃度和電子遷移率輻射損傷趨勢(shì)基本一致,即在相同輻照條件下,隨著溝道In 組分減小,InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)二維電子氣電子遷移率輻照損傷快速減小,二維電子氣濃度輻射損傷緩慢增大,影響較小,這說(shuō)明溝道In 組分較小的InP HEMT 外延材料二維電子氣電子遷移率輻照損傷相對(duì)較小,具有較強(qiáng)的抗輻照能力.圖6 為電子輻照對(duì)不同溝道厚度InP HEMT 二維電子氣濃度和電子遷移率的歸一化影響.從圖6(a)和圖6(b)可以看到:室溫和77 K 二維電子氣濃度和電子遷移率輻射損傷趨勢(shì)基本一致,即在相同輻照條件下,隨著溝道厚度增大,InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)二維電子氣電子遷移率輻照損傷緩慢減小,二維電子氣濃度輻射損傷變化不明顯,這說(shuō)明溝道厚度大的InP HEMT 外延材料二維電子氣電子遷移率輻照損傷相對(duì)較小,具有較強(qiáng)的抗輻照能力.在圖4、圖5 和圖6 中同樣也可以發(fā)現(xiàn):同一樣品在相同輻照條件下,77 K 條件下的二維電子氣濃度和電子遷移率比常溫退化嚴(yán)重,這說(shuō)明無(wú)論樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)如何,其低溫條件下的輻射損傷均較室溫下嚴(yán)重.

圖3 電子輻照對(duì)不同δ 摻雜濃度InP HEMT 二維電子氣濃度和電子遷移率的歸一化影響 (a)室溫;(b)77 KFig.3.Normalized 2DEG density (n)and electron mobility (u)versus δ-doping density measured at (a)room-temperature and(b)77 K irradiated by electron beam.

圖4 電子輻照對(duì)不同隔離層厚度InP HEMT 二維電子氣濃度和電子遷移率的歸一化影響 (a)室溫;(b)77 KFig.4.Normalized 2DEG density (n)and electron mobility (u)versus spacer layer thickness measured at (a)room-temperature and(b)77 K irradiated by electron beam.

圖5 電子輻照對(duì)不同InGaAs 溝道In 組分InP HEMT 二維電子氣濃度和電子遷移率的歸一化影響 (a)室溫;(b)77 KFig.5.Normalized 2DEG density (n)and electron mobility (u)versus channel In content measured at (a)room-temperature and(b)77 K irradiated by electron beam.

圖6 電子輻照對(duì)不同溝道厚度InP HEMT 二維電子氣濃度和電子遷移率的歸一化影響 (a)室溫;(b)77 KFig.6.Normalized 2DEG density (n)and electron mobility (u)versus channel thickness measured at (a)room-temperature and(b)77 K irradiated by electron beam.

4 討論

InP HEMT 外延材料的2DEG 來(lái)自InGaAs/InAlAs 量子阱,其輸運(yùn)特性主要受InGaAs/InAl As 異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程電離雜質(zhì)散射、庫(kù)侖散射、合金散射等各種散射過(guò)程的影響.二維電子氣受到的散射越強(qiáng),電子遷移率越低.當(dāng)用高能電子束輻照InP HEMT 外延材料時(shí),電子會(huì)和材料中的晶格原子相互作用,發(fā)生彈性碰撞或非彈性碰撞,將部分能量傳給晶格原子,導(dǎo)致晶格原子獲得足夠能量,克服周圍原子束縛,擠入晶格間隙,同時(shí)原來(lái)的晶格位置成為空位,形成輻射誘導(dǎo)點(diǎn)缺陷[23].且在注量不太高的情況下,輻射誘導(dǎo)點(diǎn)缺陷濃度與電子注量的大小成正比.另外高能電子輻照也會(huì)導(dǎo)致溝道InGaAs/InAlAs 異質(zhì)結(jié)附近區(qū)域合金無(wú)序和遠(yuǎn)程離化雜質(zhì)等輻射誘導(dǎo)缺陷增多.這些在InP HEMT 溝道InGaAs/InAlAs 異質(zhì)結(jié)附近區(qū)域產(chǎn)生的輻射誘導(dǎo)缺陷(包括點(diǎn)缺陷、合金無(wú)序、遠(yuǎn)程離化雜質(zhì)等缺陷)和材料中的其他雜質(zhì)會(huì)破壞晶格周期性,在量子阱區(qū)域晶格禁帶中產(chǎn)生局部分立缺陷能級(jí),使載流子散射增強(qiáng),導(dǎo)致InP HEMT 外延材料二維電子氣電子遷移率減小,其中部分缺陷能級(jí)成為載流子俘獲中心,俘獲載流子后出現(xiàn)附加電荷,削弱溝道InGaAs/InAlAs 量子阱異質(zhì)界面內(nèi)建電場(chǎng),降低能帶彎曲程度,使異質(zhì)結(jié)界面處三角勢(shì)變淺,導(dǎo)致二維電子氣濃度減小[23].

從圖3 和圖4 可以觀察到δ 摻雜濃度較高和隔離層較薄的InP HEMT 外延材料二維電子氣濃度和電子遷移率輻照損傷相對(duì)較小.這主要是由于InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料二維電子氣濃度隨著δ 摻雜濃度增加和隔離層厚度減少而迅速提高,同時(shí)二維電子氣電子遷移率略微降低,如表2 中A 組和B 組數(shù)據(jù)所列.同時(shí)在輻照劑量相等且不是很高的條件下,在材料中引入的輻照誘導(dǎo)缺陷數(shù)量基本相等,導(dǎo)致輻射誘導(dǎo)缺陷引起的二維電子濃度減小數(shù)目基本相同,因此輻照后會(huì)導(dǎo)致較高δ 摻雜濃度和較薄隔離層厚度的InP HEMT 二維電子氣濃度損傷相對(duì)較低.此外,低δ 摻雜濃度和較厚隔離層的InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料中由于引入的遠(yuǎn)程電離雜質(zhì)Si 較少,遠(yuǎn)程雜質(zhì)散射較弱,導(dǎo)致低δ 摻雜濃度和較厚隔離層的InP HEMT 二維電子氣遷移率較高,如表2 中A 組和B 組數(shù)據(jù)所列.由于輻照后會(huì)在InP HEMT 溝道InGaAs/InAlAs異質(zhì)結(jié)附近區(qū)域產(chǎn)生輻射誘導(dǎo)缺陷,此時(shí)二維電子氣的電子遷移率主要由輻射誘導(dǎo)缺陷散射決定,其他非輻照誘導(dǎo)散射如遠(yuǎn)程電離雜質(zhì)散射、合金散射、晶格散射等可忽略不計(jì).在相同輻照條件下,樣品中引入的輻照誘導(dǎo)缺陷數(shù)量基本相同,從而引入的輻射誘導(dǎo)缺陷散射大致相同,但是輻射誘導(dǎo)缺陷散射會(huì)造成較低δ 摻雜濃度和較厚隔離層厚度的InP HEMT 二維電子氣電子遷移率減小的更多,因此輻照后會(huì)導(dǎo)致較高δ 摻雜濃度和較薄隔離層厚度的InP HEMT 二維電子氣遷移率損傷相對(duì)較低.

從圖5 可以觀察到溝道In 組分較低的InP HEMT 外延材料二維電子氣輻照損傷相對(duì)較小.原因如下所述,在晶格失配的溝道InxGa1—xAs/InAlAs量子阱中,晶格的對(duì)稱性由于應(yīng)變層的引入發(fā)生變化,外延層橫向發(fā)生壓縮應(yīng)變使晶格常數(shù)與襯底匹配,即晶格常數(shù)在平行于異質(zhì)結(jié)平面的兩個(gè)方向相對(duì)原來(lái)縮小,受到雙軸壓應(yīng)力,同時(shí)縱向伸長(zhǎng)發(fā)生張應(yīng)變,如圖7(a)和圖7(b)InGaAs/InAlAs 應(yīng)變異質(zhì)結(jié)的外延生長(zhǎng)示意圖所示.在雙軸壓應(yīng)變層中,凈的帶隙移動(dòng)為[24]

式中:α為形變勢(shì),α＞0,與材料的彈性常數(shù)等有關(guān);ε是壓應(yīng)變,ε≤0 .從(1)式可以看出隨著壓應(yīng)變?cè)龃螽愘|(zhì)結(jié)凈的帶隙也會(huì)隨著增大,壓應(yīng)變?nèi)绻?凈的帶隙移動(dòng)也會(huì)跟著消失.隨著In 組分的增大,壓應(yīng)變?cè)龃?溝道異質(zhì)結(jié)界面勢(shì)阱變深,量子阱二維電子氣受到的散射減小,電子遷移率快速增大,同時(shí)電離施主雜質(zhì)電子也更容易轉(zhuǎn)移到量子阱中,導(dǎo)致二維電子氣濃度也略微增大,如表2中C 組樣品數(shù)據(jù)所列.在經(jīng)過(guò)同等條件輻照后,通過(guò)輻照誘導(dǎo)缺陷的引入,部分失配應(yīng)變弛豫,導(dǎo)致溝道InxGa1—xAs 應(yīng)變層的晶格常數(shù)與襯底InP 晶格常數(shù)不再相等,應(yīng)變能量將通過(guò)在異質(zhì)結(jié)界面附近產(chǎn)生位錯(cuò)缺陷而釋放出來(lái),如圖7(c)所示.因此輻射誘導(dǎo)缺陷會(huì)造成溝道In 組分高的InP HEMT外延結(jié)構(gòu)高應(yīng)變量子阱晶格嚴(yán)重弛豫,導(dǎo)致量子阱勢(shì)壘降低,應(yīng)變量子阱弛豫引起的位錯(cuò)散射和遠(yuǎn)程離化雜質(zhì)散射將會(huì)增強(qiáng),導(dǎo)致溝道In 組分高的InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料二維電子氣遷移率輻射損傷更大,所以輻照后會(huì)導(dǎo)致溝道In 組分低、應(yīng)變較小的InP HEMT 二維電子氣電子遷移率損傷相對(duì)較低.同時(shí),溝道異質(zhì)結(jié)界面輻射誘導(dǎo)缺陷俘獲載流子后會(huì)出現(xiàn)附加電荷,削弱異質(zhì)界面內(nèi)建電場(chǎng),使界面能帶彎曲程度降低,三角勢(shì)阱變淺,造成二維電子氣的載流子濃度降低[23].同時(shí)應(yīng)變弛豫后會(huì)導(dǎo)致量子阱勢(shì)壘進(jìn)一步降低,造成二維電子氣的載流子濃度再次降低.因此,隨著In組分增大雖然可以略微增大二維電子氣濃度,但是隨著輻照后應(yīng)力弛豫同樣會(huì)導(dǎo)致二維電子氣濃度損傷更大.所以溝道In 組分較低對(duì)InP HEMT 二維電子氣的輻射損傷變化較小,具有更好的抗輻照能力.

圖7 InGaAs/InAlAs 應(yīng)變異質(zhì)結(jié)的外延生長(zhǎng)及弛豫示意圖 (a)兩種不同晶格常數(shù)外延層;(b)應(yīng)變異質(zhì)結(jié);(c)弛豫異質(zhì)結(jié)Fig.7.Schematic diagram of epitaxial growth and relaxation of InGaAs/InAlAs strained heterojunction:(a)Epitaxial layers with different lattice constants;(b)strained heterojunction;(c)relaxation heterojunction.

從圖6 可以觀察到溝道厚度較厚的InP HEMT外延材料二維電子氣輻照損傷變化相對(duì)較小.由于InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料二維電子氣濃度和電子遷移率隨溝道厚度變化不明顯,如表2 所列.在相同輻照劑量條件下,在外延結(jié)構(gòu)材料中引入的輻照損傷缺陷數(shù)量基本一致,導(dǎo)致輻射誘導(dǎo)缺陷復(fù)合的二維電子濃度減小數(shù)目基本相同,溝道厚度對(duì)InP HEMT 二維電子氣濃度輻射損傷影響較小,可以忽略不計(jì).但是,輻照在量子阱材料異質(zhì)界面引入的輻照損傷較大,造成輻射誘導(dǎo)缺陷集聚在異質(zhì)界面,量子阱溝道厚度越小,輻照后量子阱內(nèi)的缺陷濃度越高,量子阱內(nèi)的二維電子氣受到的缺陷散射越強(qiáng),導(dǎo)致溝道厚度窄的InP HEMT 二維電子氣遷移率損傷相對(duì)較大.因此輻照后會(huì)導(dǎo)致溝道厚度較厚的InP HEMT 二維電子氣電子遷移率損傷相對(duì)變化較小.

5 結(jié)論

本文利用電子加速器試驗(yàn)裝置,開展了不同外延結(jié)構(gòu)參數(shù)的InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料的電子輻射效應(yīng)試驗(yàn)研究.通過(guò)研究 InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料二維電子氣輻射損傷與外延結(jié)構(gòu)參數(shù)(例如Si-δ 摻雜濃度、InGaAs 溝道厚度和溝道In 組分以及隔離層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù))的依賴關(guān)系,獲得了不同外延結(jié)構(gòu)InP HEMT 材料二維電子氣歸一化濃度和電子遷移率隨外延參數(shù)的變化規(guī)律.值得注意的是,研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)增大δ 摻雜濃度和InGaAs 溝道厚度,減小隔離層厚度和溝道應(yīng)力等措施都可以增強(qiáng)InP HEMT 外延結(jié)構(gòu)材料的抗輻照能力,這說(shuō)明通過(guò)調(diào)節(jié)外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)InP HEMT 材料的抗輻照性能是一種可行的外延加固方法.未來(lái)仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證外延結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)對(duì)InP HEMT器件的抗輻照性能影響.