增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)氮化鎵功率器件的高能質(zhì)子輻射效應(yīng)研究

白如雪 郭紅霞 張鴻 王迪 張鳳祁 潘霄宇 馬武英 胡嘉文 劉益維 楊業(yè) 呂偉 王忠明

1) (湘潭大學(xué)材料與工程學(xué)院,湘潭 411105)

2) (西北核技術(shù)研究所,西安 710024)

針對增強(qiáng)型共柵共源(Cascode)級聯(lián)結(jié)構(gòu)和耗盡型AlGaN/GaN 功率器件,利用60 MeV 能量質(zhì)子開展輻射效應(yīng)研究.獲得了經(jīng)質(zhì)子輻照后器件電學(xué)性能的退化規(guī)律,并與常規(guī)耗盡型HEMTs 器件輻照后的電學(xué)性能進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)器件對質(zhì)子輻照更加敏感,分析認(rèn)為級聯(lián)硅基MOS 管的存在是其對質(zhì)子輻照敏感的主要原因.質(zhì)子輻照使硅基MOS 管柵氧化層產(chǎn)生大量凈的正電荷,誘導(dǎo)發(fā)生電離損傷效應(yīng),使其出現(xiàn)閾值電壓負(fù)向漂移及柵泄漏電流增大等現(xiàn)象.利用等效(60 MeV 能量質(zhì)子,累積注量1×1012 p/cm2)劑量的 60Co γ 射線輻射器件得到電離損傷效應(yīng)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)器件的電學(xué)性能退化規(guī)律與60 MeV 能量質(zhì)子輻照后的退化規(guī)律一致.通過蒙特卡羅模擬得到質(zhì)子入射在Cascode 型器件內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生的電離能損和非電離能損,模擬結(jié)果表明電離能損是導(dǎo)致器件性能退化的主要原因.

1 引 言

作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表之一,氮化鎵(GaN)是一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料,其在室溫下的禁帶寬度為3.4 eV[1?3].氮化鎵材料具有優(yōu)異的材料特性,包括大的臨界擊穿電壓、大的電子飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率等,這也使得氮化鎵基器件在高頻、大功率應(yīng)用方面具有巨大潛力[4?6].同時(shí),相比于GaAs 材料和Si 材料,GaN 材料的寬禁帶特性使其理論上抗輻射性能更好,在航空航天領(lǐng)域前景可觀[7?8].

質(zhì)子是太陽宇宙射線和銀河宇宙射線的主要組分,質(zhì)子輻射對氮化鎵基器件的影響不容忽視.近年來,國內(nèi)外研究者針對AlGaN/GaN HEMT 器件的輻照損傷效應(yīng)開展了一些研究[9?16].Keum 等[9]開展了增強(qiáng)型p-gate AlGaN/GaN HEMT 器件的5 MeV 質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn),輻照損傷導(dǎo)致器件的閾值電壓負(fù)向漂移、飽和漏電流降低,分析認(rèn)為這是由于輻照使p-gate 柵層空穴濃度降低所致;Wan 等[10]研究了低能質(zhì)子輻照對商用增強(qiáng)型p-gate 氮化鎵器件的影響,在不同偏壓下,3.8 MeV 質(zhì)子輻照使器件閾值電壓負(fù)向漂移、跨導(dǎo)減小,分析認(rèn)為這些退化是因質(zhì)子入射在AlGaN,AlGaN/GaN 界面或AlGaN 緩沖層引入缺陷所引起的;呂玲等[11]利用70 keV 和140 keV 質(zhì)子輻照增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMTs 絕緣柵器件,輻照導(dǎo)致器件閾值電壓正向漂移,飽和漏電流急劇減小,柵泄漏電流增大,分析認(rèn)為質(zhì)子輻照在該器件溝道層、柵介質(zhì)層及柵介質(zhì)/勢壘層界面引入了不同程度的缺陷,絕緣柵的存在使器件對質(zhì)子輻照更敏感;Floriduz 等[12]利用24 GeV/ C 質(zhì)子輻照增強(qiáng)型混合漏極嵌入式柵極(HD-GIT)AlGaN/GaN 晶體管,輻照導(dǎo)致晶體管飽和漏電流減小,閾值電壓有微小的負(fù)漂,分析認(rèn)為是質(zhì)子輻照引入了缺陷.目前針對增強(qiáng)型氮化鎵功率器件的質(zhì)子輻射效應(yīng)研究較少,商用的增強(qiáng)型氮化鎵功率器件主要有Cascode 型氮化鎵功率器件、增強(qiáng)型絕緣柵(MIS-HEMTs)器件、增強(qiáng)型p-gate 氮化鎵功率器件.同時(shí),對氮化鎵器件的輻射效應(yīng)研究主要集中在低能質(zhì)子部分,有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子能量越小,器件因輻照損傷性能下降地越嚴(yán)重[17],但中高能質(zhì)子輻照會使器件產(chǎn)生電離能損和非電離能損,電離能損對氮化鎵器件造成的性能損壞同樣不可忽視.

本文利用60 MeV 能量的質(zhì)子,對增強(qiáng)型Cascode結(jié)構(gòu)和耗盡型AlGaN/GaN 功率器件開展了輻照實(shí)驗(yàn).主要研究高能質(zhì)子輻照對器件直流特性的影響,通過計(jì)算機(jī)仿真軟件模擬得到輻照誘導(dǎo)的電離能損和非電離能損,并利用等效劑量的60Coγ射線輻照器件得到電離損傷效應(yīng)結(jié)果.為增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件在極端輻射環(huán)境中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

2 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選用的樣品是共柵共源(Cascode)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT 器件,該器件由高壓耗盡型GaN HEMT 和低壓增強(qiáng)型Si MOSFET級聯(lián)構(gòu)成,器件結(jié)構(gòu)如圖1 所示.該器件不加?xùn)艍呵衣┰措妷捍笥诹銜r(shí),工作在正向阻斷模態(tài);當(dāng)柵壓大于Si 基MOS 管的閾值電壓時(shí),器件正向?qū)?一旦Si 基MOS 管反向?qū)?器件將工作在反向?qū)B(tài).又因?yàn)镾i 基MOS 管的漏源電壓Vds_Si給GaN HEMT 的柵源電壓Vgs_GaN 提供負(fù)偏置電壓,因此控制Si 基MOS 管的通斷即可控制GaN HEMT 的通斷,從而實(shí)現(xiàn)常閉特性[18].由于硅基MOS 管的引入,器件具有更大的與驅(qū)動電路兼容的柵壓浮動,應(yīng)用范圍更加廣泛.圖2 為器件開封裝圖.

圖1 增強(qiáng)型Cascode GaN HEMT 器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Structure diagram of enhanced Cascode GaN HEMT device.

圖2 增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)氮化鎵器件開封裝圖Fig.2.Internal equivalent circuit diagram of enhanced Cascode structure.

利用西安200 MeV 質(zhì)子應(yīng)用裝置開展增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)和耗盡型AlGaN/GaN 功率器件質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn),利用該裝置引出60 MeV 的準(zhǔn)單能質(zhì)子束流,質(zhì)子注量達(dá)到1×1012p/cm2即停止輻照.輻照過程中,器件的3 個電極均接地.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀Agilent B1500,對質(zhì)子輻照前后的樣品進(jìn)行離線電學(xué)性能測試,通過直流特性曲線獲得器件閾值電壓、最大跨導(dǎo)及柵泄漏電流等電學(xué)參數(shù)[19].發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)氮化鎵器件的電學(xué)特性在質(zhì)子輻照后有明顯退化.輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3 和圖4 所示.

通常,在轉(zhuǎn)移特性曲線上,選擇跨導(dǎo)線密度最大值處做切線,該切線與橫軸的交點(diǎn)所對應(yīng)的電壓稱為閾值電壓[19].圖3 給出了經(jīng)60 MeV 能量質(zhì)子輻照后,器件的閾值電壓及跨導(dǎo)變化.從圖3 可見,質(zhì)子輻照后,器件閾值電壓出現(xiàn)明顯負(fù)向漂移,由4.2 V 減小至3.0 V,漂移了1.2 V,跨導(dǎo)峰值由0.324 S/mm 降至0.260 S/mm,降低了約19.75%;從圖4 可見,器件柵正向泄漏電流略微上升.

圖3 質(zhì)子輻照前后增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件閾值電壓及跨導(dǎo)曲線Fig.3.Threshold voltage and transconductance curve of Al-GaN/GaN HEMT devices of enhanced Cascode structure before and after proton irradiation.

圖4 質(zhì)子輻照前后增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件柵泄漏電流曲線Fig.4.Gate leakage current profile of AlGaN/GaN HEMT devices with enhanced Cascode structure before and after proton irradiation.

圖5 和圖6 給出了60 MeV 質(zhì)子輻照前后,耗盡型AlGaN/GaN HEMT 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線,從圖中可以看出質(zhì)子輻照對耗盡型氮化鎵器件幾乎沒有影響.

圖5 質(zhì)子輻照前后耗盡型AlGaN/GaN HEMT 器件閾值電壓及跨導(dǎo)曲線Fig.5.Threshold voltage and transconductance curve of depleted AlGaN/GaN HEMT devices before and after proton irradiation.

圖6 質(zhì)子輻照前后耗盡型AlGaN/GaN HEMT 器件柵泄漏電流曲線Fig.6.Gate leakage current profile of depleted AlGaN/GaN HEMT devices before and after proton irradiation.

圖7所示為等效(60 MeV 能量質(zhì)子,累積注量1×1012p/cm2)劑量的60Coγ射線輻照Cascode型器件轉(zhuǎn)移特性曲線變化,等效轉(zhuǎn)換公式為

質(zhì)子能量為60 MeV 時(shí),其LET 值為0.0086 MeV·cm2/mg,當(dāng)注量達(dá)到1×1012p/cm2時(shí),電離總劑量為137.6 krad(Si),劑量率為50 rad(Si)/s.從圖7 可見,經(jīng)60Coγ射線輻照后,器件閾值電壓由4.15 V 減小到2.15 V,負(fù)向漂移了2 V;跨導(dǎo)峰值由0.335 S/mm 降至0.300 S/mm,降低了約10.45%.與質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比(圖3),60Coγ射線輻照也會導(dǎo)致器件閾值電壓負(fù)向漂移,且漂移的更加嚴(yán)重,跨導(dǎo)也出現(xiàn)明顯下降.

圖7 60Co γ 射線輻照前后增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件閾值電壓及跨導(dǎo)曲線Fig.7.Threshold voltage and transconductance curve of Al-GaN/GaN HEMT devices of enhanced Cascode structure before and after 60Co γ -ray irradiation.

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

通過對增強(qiáng)型與耗盡型器件質(zhì)子輻照前后的電學(xué)特性變化比較發(fā)現(xiàn),增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件對質(zhì)子輻照更為敏感,分析認(rèn)為其敏感的主要原因是級聯(lián)的硅基MOS管在質(zhì)子輻照后退化嚴(yán)重.由Cascode 結(jié)構(gòu)的內(nèi)部等效電路圖(圖8)可以看出,該器件最大的特點(diǎn)就是級聯(lián)了低壓增強(qiáng)型Si MOSFET 器件,且Cascode結(jié)構(gòu)整體閾值電壓主要由Si 基MOS 管控制.MOSFET 管的閾值電壓Vth數(shù)學(xué)模型為[20]:

圖8 增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)內(nèi)部等效電路圖Fig.8.Internal equivalent circuit diagram of enhanced Cascode structure.

其中Not是氧化物陷阱電荷,Nit是界面陷阱電荷,COX是單位面積柵氧化層電容,εs是Si 的介電常數(shù),NA是P 型溝道 區(qū)域的有效摻雜濃度,?Fp是P 型襯底的費(fèi)米勢,?MS是金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差,k是玻爾茲曼常數(shù),T是絕對溫度,ni是Si 本征載流子濃度.Vth的負(fù)向漂移主要是由于質(zhì)子輻照在柵氧化層中誘導(dǎo)產(chǎn)生大量電子-空穴對所引起的.由于電子在氧化層中的遷移率高于空穴,因此電子能夠在較短時(shí)間內(nèi)離開柵氧化層,而大部分空穴緩慢的移向SiO2/Si 界面,被陷阱俘獲形成Not和Nit.又因?yàn)檠趸锵葳宸@電荷的速度比界面陷阱快出幾個數(shù)量級[21],最終導(dǎo)致柵氧化層陷阱電荷Not比界面陷阱電荷Nit增長的多,使得Vth降低.

跨導(dǎo)(Gm)則指輸出端電流的變化值與輸入端電壓的變化值之間的比值,可以表示為[22]

Gm數(shù)值表示輸入端電壓(VGS) 對輸出端電流(IDS) 控制作用的強(qiáng)弱.跨導(dǎo)峰值的降低可以很好地評價(jià)柵區(qū)域的損傷程度.由圖(3)中跨導(dǎo)可以看出輻照后Cascode 結(jié)構(gòu)器件柵控能力急劇下降.如圖4 所示,柵極泄露電流有所增加,分析認(rèn)為,質(zhì)子輻照在硅MOS 管中引入缺陷作為隧穿中心,加大了柵極電流的隧穿幾率.

對于增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)氮化鎵功率器件而言,級聯(lián)的硅基MOS 管是其重要組成部分,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MOS 管對電離效應(yīng)較敏感.當(dāng)器件受到高能質(zhì)子輻照時(shí),硅基MOS 管內(nèi)柵氧化層造成凈的正電荷增大使得閾值電壓降低,這也是引發(fā)器件電學(xué)特性特化的主要原因.閾值電壓的降低使器件的靜態(tài)功耗增大,甚至當(dāng)器件在某個大小的柵壓信號下本應(yīng)表現(xiàn)為關(guān)態(tài)時(shí),在輻照后即可開啟,從而導(dǎo)致漏電增加甚至整個系統(tǒng)出現(xiàn)故障.大幅的閾值電壓漂移表明質(zhì)子輻照嚴(yán)重影響該功率器件的工作能力.

綜上,高能質(zhì)子輻照導(dǎo)致增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件的電學(xué)性能出現(xiàn)明顯退化,大幅度的閾值電壓漂移說明質(zhì)子輻照已經(jīng)對該器件造成嚴(yán)重影響.高能質(zhì)子輻照可以誘導(dǎo)產(chǎn)生電離損傷和非電離損傷,結(jié)合總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖7)和上述公式分析,高能質(zhì)子輻照產(chǎn)生的電離能損是使器件性能退化的主要原因.因此,高能質(zhì)子輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生電離能損對氮化鎵器件造成的性能損傷不容忽視.

4 輻射損傷模擬

本節(jié)利用仿真模擬軟件SRIM,計(jì)算質(zhì)子輻照增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)氮化鎵功率器件,誘導(dǎo)其產(chǎn)生的電離能損和非電離能損隨深度變化情況,仿真軟件采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法,模擬粒子在物質(zhì)中運(yùn)動的物理過程.本次計(jì)算采用106個粒子,入射質(zhì)子從靶材表面中心垂直入射.利用聚焦離子束(FIB)對器件進(jìn)行切片處理,進(jìn)一步結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)分析,最終得到了低壓功率MOSFET和耗盡型氮化鎵的器件結(jié)構(gòu)及各部分材料成分,根據(jù)分析結(jié)果(如圖9 所示)構(gòu)建仿真模型.

圖9 器件切片分析結(jié)果示意圖 (a)增強(qiáng)型硅基MOS 管;(b)耗盡型GaN 晶體管Fig.9.Schematic diagram of device slice analysis results:(a) Reinforced silicon-based MOS transistors;(b) depletiontype GaN transistors.

在硅基MOS 管中,柵氧化層以及Si/SiO2界面為電離輻射效應(yīng)敏感區(qū)[23];在GaN HEMT 中,AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面為電離輻射效應(yīng)敏感區(qū)[24].仿真計(jì)算結(jié)果如圖10 和圖11 所示.

從圖10 和圖11 可知,模擬60 MeV 質(zhì)子輻照材料后,器件內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生電離能損和非電離能損.也可以明顯看出,在器件敏感區(qū)部分產(chǎn)生的電離能損遠(yuǎn)高于非電離能損.無論是在Si MOS 還是在氮化鎵HEMT 中,相同深度下的電離能損都要比非電離能損高4 個數(shù)量級以上,耗盡型氮化鎵HEMT器件具有較強(qiáng)的抗電離損傷效應(yīng)能力[25],137.6 krad(Si)的總劑量對應(yīng)的電離損傷難以導(dǎo)致器件發(fā)生性能退化,本工作在實(shí)驗(yàn)中使用的耗盡型氮化鎵HEMT 器件在質(zhì)子輻照下也未發(fā)生退化.對于低壓Si MOS,由于氧化層以及Si/SiO2界面的存在,電離損傷誘導(dǎo)的氧化物陷阱電荷及界面態(tài)陷阱電荷會對其性能產(chǎn)生顯著的影響.在開展增強(qiáng)型Cascode結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 功率器件的中高能質(zhì)子輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí).在較高的質(zhì)子累積注量下中高能質(zhì)子對器件的電離損傷效應(yīng)不容忽視.

圖10 級聯(lián)硅基MOS 管中的電離能損和非電離能損隨深度的變化Fig.10.Ionization and non-ionization loss in cascaded silicon MOS transistors vary with depth.

圖11 級聯(lián)耗盡型AlGaN/GaN HEMT 中的電離能損和非電離能損隨深度的變化Fig.11.Ionization and non-ionization losses in cascaded depleted AlGaN/GaN HEMT vary with depth.

5 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)工作針對增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 功率器件開展了質(zhì)子輻照效應(yīng)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在1×1012p/cm2的質(zhì)子累積注量下,輻照導(dǎo)致Cascode 型器件閾值電壓負(fù)向漂移,由4.2 V 減小至3.0 V,漂移了1.2 V;跨導(dǎo)峰值由0.324 S/mm 降至0.260 S/mm,降低了約19.75%.與常規(guī)耗盡型AlGaN/GaN 功率相比,增強(qiáng)型Cascode結(jié)構(gòu)器件因?yàn)榧壜?lián)硅基MOS 管的存在會對質(zhì)子輻照更加敏感,質(zhì)子輻照導(dǎo)致硅基MOS 管產(chǎn)生電離損傷效應(yīng).利用等效(60 MeV 能量質(zhì)子,累積注量1×1012p/cm2)劑量的60Coγ射線輻射器件得到電離損傷效應(yīng)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)等效劑量60Coγ射線輻照后,器件的電學(xué)性能退化規(guī)律與高能質(zhì)子輻照后的退化規(guī)律一致.為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)論的準(zhǔn)確性,通過蒙特卡羅模擬得到輻射在該器件內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生的電離能損和非電離能損,模擬結(jié)果表明電離能損誘導(dǎo)硅基MOS 產(chǎn)生氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷,是增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT功率器件性能退化的主要原因.本文的相關(guān)研究成果可用于增強(qiáng)型Cascode 結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 功率器件輻照機(jī)理分析及抗輻照加固設(shè)計(jì)方面.