石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的X 射線總劑量效應(yīng)*

李濟(jì)芳 郭紅霞 馬武英 宋宏甲 鐘向麗 李洋帆 白如雪 盧小杰 張鳳祁

1) (湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湘潭 411105)

2) (西北核技術(shù)研究所,西安 710024)

本文針對(duì)不同結(jié)構(gòu)、尺寸的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(graphene field effect transistors,GFET)開(kāi)展了基于10 keVX 射線的總劑量效應(yīng)研究.結(jié)果表明,隨累積劑量的增大,不同結(jié)構(gòu)GFET 的狄拉克電壓VDirac 和載流子遷移率μ 不斷退化;相比于背柵型GFET,頂柵型GFET 的輻射損傷更加嚴(yán)重;尺寸對(duì)GFET 器件的總劑量效應(yīng)決定于器件結(jié)構(gòu);200 μm×200 μm 尺寸的頂柵型GFET 損傷最嚴(yán)重,而背柵型GFET 是50 μm×50 μm 尺寸的器件損傷最嚴(yán)重.研究表明:對(duì)于頂柵型GFET,輻照過(guò)程中在柵氧層中形成的氧化物陷阱電荷的積累是VDirac和μ 降低的主要原因.背柵型GFET 不僅受到輻射在柵氧化層中產(chǎn)生的陷阱電荷的影響,還受到石墨烯表面的氧吸附的影響.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合TCAD 仿真工具實(shí)現(xiàn)了頂柵器件氧化層中輻射產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷對(duì)器件輻射響應(yīng)規(guī)律的仿真.相關(guān)研究結(jié)果對(duì)于石墨烯器件的抗輻照加固研究具有重大意義.

1 引言

石墨烯作為碳基材料的代表之一,以其高載流子遷移率、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異特性成為最有前景的二維材料之一[1,2].近年來(lái),石墨烯器件的制備工藝技術(shù)逐漸成熟,已成功制備出性質(zhì)卓越的寬帶射頻混頻器、光電探測(cè)器、化學(xué)傳感器等新型半導(dǎo)體器件[3-5],在航天領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景.然而,工作在空間輻射環(huán)境中的電子元件不可避免受到空間輻射[6,7]的影響,造成性能退化甚至失效,嚴(yán)重影響了空間電子系統(tǒng)的可靠性.

作為新型半導(dǎo)體器件,石墨烯器件的空間輻射效應(yīng)備受關(guān)注,尤其是制約其長(zhǎng)壽命應(yīng)用的空間總劑量效應(yīng).2017 年,Procházka等[8]對(duì)具有Al2O3鈍化層的背柵石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(graphene field effect transistors,GFET)開(kāi)展了X 射線輻照實(shí)驗(yàn),指出X 射線輻射會(huì)使得器件柵極電介質(zhì)中的固有缺陷俘獲空穴,從而引起石墨烯輸運(yùn)特性的變化;2020 年,Jain等[9]對(duì)背柵GFET 器件開(kāi)展了γ輻照實(shí)驗(yàn),采用拉曼光譜、X 射線光電子能譜(XPS)、以及I-V測(cè)試進(jìn)行表征,指出γ輻射增加了氧在石墨烯表面的吸附,導(dǎo)致了六方碳晶格sp2向sp3的轉(zhuǎn)化,從而使得轉(zhuǎn)移特性退化;2022 年,Zhang等[10]對(duì)SiO2背柵結(jié)構(gòu)的GFET 開(kāi)展了3 MeV 的質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn),輻照后狄拉克點(diǎn)負(fù)向偏移,指出質(zhì)子輻照在器件氧化層中產(chǎn)生的缺陷是導(dǎo)致器件性能退化的主要因素.

綜上所述,石墨烯總劑量效應(yīng)研究主要集中在背柵器件,且尚未進(jìn)行尺寸對(duì)輻照效應(yīng)的影響規(guī)律研究,相關(guān)研究并不能滿足石墨烯器件空間及加固設(shè)計(jì)的需求.因此本文利用10 keV-X 射線對(duì)不同器件結(jié)構(gòu)、尺寸的GFET 器件的總劑量效應(yīng)開(kāi)展了研究工作,獲得了不同結(jié)構(gòu)、尺寸下的GFET 的輻照響應(yīng)規(guī)律,在此基礎(chǔ)上結(jié)合TCAD 數(shù)值模擬研究了其潛在損傷機(jī)制.

2 實(shí)驗(yàn)描述

實(shí)驗(yàn)樣品選用頂柵型GFET 及背柵型GFET,器件結(jié)構(gòu)如圖1 所示.頂柵型GFET 及背柵型GFET 皆以p 型硅和SiO2為襯底,Al2O3為柵氧層,單層石墨烯均采用化學(xué)氣相沉積(CVD)和聚合物輔助轉(zhuǎn)印進(jìn)行生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移.頂柵型GFET 的Al2O3的等效氧化層厚度為20 nm,背柵型GFET的Al2O3的等效氧化層厚度為5 nm,兩種結(jié)構(gòu)的石墨烯尺寸為50 μm×50 μm,100 μm×100 μm,200 μm×200 μm.

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖 (a)頂柵型GFET;(b)背柵型GFETFig.1.Device structure diagram:(a) Top-gate GFET;(b) back-gate GFET.

總劑量輻照實(shí)驗(yàn)在10 keV-X 射線輻照平臺(tái)上進(jìn)行,輻照時(shí)劑量率為200 rad (Si)/s,在輻照過(guò)程中對(duì)兩款器件施加正柵極偏置(VG=+1 V,VD=VS=0 V),在輻照過(guò)程中累積劑量至10 krad(Si),30 krad (Si),50 krad (Si),70 krad (Si)和100 krad (Si).輻照均在室溫、大氣環(huán)境下進(jìn)行.輻照前后利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀B1500 對(duì)器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線進(jìn)行表征.頂柵型GFET 柵極電壓VG掃描范圍為-5 — +5 V,背柵型GFET 柵極電壓VG掃描范圍為-2 — +7 V,漏極電壓VD恒定為20 mV,源極電壓VS接地.輸出特性曲線漏極電壓VD掃描范圍為-1 — +1 V,柵極電壓VG恒定為0 V.樣品信息和偏置條件如表1 所示.

表1 樣品信息及偏置條件Table 1.Sample information and bias conditions.

3 結(jié)果與分析

圖2 給出了50 μm×50 μm 尺寸的頂柵型GFET 輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線變化趨勢(shì),累積總劑量為100 krad (Si).由圖2 可知,輻照后的VDirac負(fù)向偏移,VDirac代表了石墨烯的導(dǎo)帶和價(jià)帶相交的狄拉克點(diǎn)的電壓值,當(dāng)VG＞VDirac時(shí)石墨烯中的載流子為電子,當(dāng)VG＜VDirac時(shí)石墨烯中的載流子為空穴.頂柵型GFET 在輻照前VDirac為-1.05 V,輻照后VDirac為-3.10 V,變化量為2.05 V.對(duì)于GFET,其載流子遷移率與漏極電流ID和VG的關(guān)系如(1)式所示[11,12],可以從轉(zhuǎn)移特性曲線提取出GFET 的載流子遷移率μ:

圖2 輻照前后頂柵型GFET 的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線Fig.2.Transfer characteristic curve and output characteristic curve of top-gate GFET before and after irradiation.

其中μ為載流子遷移率,L/W為石墨烯的長(zhǎng)寬比,CG為柵介質(zhì)的電容,?ID/?VG是轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率.

頂柵型GFET 在輻照前的空穴遷移率μh和電子遷移率μe分別為788.9 和693.3 cm2/(V·s),空穴遷移率高于電子遷移率,這是由于金屬電極與石墨烯接觸導(dǎo)致的[13-15].在輻照后空穴遷移率為594.7 cm2/(V·s),電子遷移率為525.2 cm2/(V·s),空穴遷移率變化量為194.2 cm2/(V·s),電子遷移率變化量為168.1 cm2/(V·s),載流子遷移率退化較為嚴(yán)重.

3.1 結(jié)構(gòu)對(duì)GFET 的總劑量響應(yīng)的影響

圖3 為50 μm×50 μm 尺寸下的頂柵型GFET和背柵型GFET 器件VDirac隨輻射累積劑量的變化趨勢(shì).從圖3 中可以看出,兩個(gè)器件的VDirac都發(fā)生不同程度的退化,背柵型GFET 的退化程度較頂柵型GFET 的小,變化量為0.46 V,VDirac正向偏移,這與頂柵GFET的VDirac偏移方向不同,這可能與背柵型GFET 存在氧吸附現(xiàn)象有關(guān)[16,17].

圖3 VDirac 隨輻射累積劑量的變化趨勢(shì) (a) 頂柵型GFET;(b) 背柵型GFETFig.3.The variations of VDirac with cumulative dose:(a) Top-gate GFET;(b) back-gate GFET.

圖4 為50 μm×50 μm 尺寸下頂柵型GFET 和背柵型GFET 器件載流子遷移率隨輻射累積劑量的變化趨勢(shì).由圖4 可知,兩種器件的載流子遷移率在輻照后均下降,頂柵型GFET 的空穴遷移率退化了約33.2%,電子遷移率退化了約29.9%,而背柵型GFET 的空穴遷移率退化了約8.3%,電子遷移率退化了約17.3%.在輻照過(guò)程中,頂柵型GFET 的空穴遷移率退化更明顯,而背柵型GFET的電子遷移率退化更嚴(yán)重,與背柵型GFET 相比,頂柵型的GFET 的載流子遷移率退化更嚴(yán)重.

圖4 載流子遷移率隨輻射累積劑量的變化趨勢(shì) (a)頂柵型GFET;(b)背柵型GFETFig.4.The variations of μ with cumulative dose:(a) Top-gate GFET;(b) back-gate GFET.

載流子遷移率與氧化物陷阱電荷的關(guān)系如(2)式和(3)式所示[18],載流子遷移率的退化則是在輻照過(guò)程中產(chǎn)生的空穴被陷阱電荷俘獲,形成氧化物陷阱電荷,氧化物陷阱電荷增加了散射位點(diǎn),導(dǎo)致庫(kù)侖散射增強(qiáng),載流子遷移率降低[10,15,16,18-20]:

其中,Not是氧化物陷阱電荷,μc是受庫(kù)侖散射影響的載流子遷移率,μSR是受短程散射影響的載流子遷移率,Qgc是電荷密度,Eeff是有效電場(chǎng)強(qiáng)度,α,β,N0及Q0是擬合參數(shù).

3.2 尺寸對(duì)GFET 的總劑量響應(yīng)的影響

對(duì)50 μm×50 μm,100 μm×100 μm,200 μm×200 μm 三種尺寸下的頂柵型GFET 和背柵型GFET 進(jìn)行輻照,圖5 為頂柵型GFET 和背柵型GFET 器件輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線的變化趨勢(shì).從圖5 可知,尺寸是影響GFET 輻照響應(yīng)的關(guān)鍵因素.表2 為輻照前后不同尺寸GFET的VDirac偏移量ΔVDirac和載流子遷移率偏移量Δμ,可以看到頂柵型GFET 尺寸為200 μm×200 μm 時(shí)偏移量最大,損傷也最明顯,整體上尺寸越大,輻照損傷程度越明顯,這是由于受輻照的面積越大,產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多,在正柵極偏置下形成的氧化物陷阱電荷越多,導(dǎo)致了更嚴(yán)重的輻射損傷.而50 μm×50 μm 尺寸的背柵型GFET 輻射損傷最嚴(yán)重,整體上尺寸越小,輻照損傷程度越明顯,這可能是由于大尺寸器件的石墨烯與氧氣的接觸面積較大,受氧吸附的影響也越明顯,輻射損傷與氧吸附的作用相互抵消[21,22],反而大尺寸器件損傷較小.

表2 輻照前后不同尺寸GFET的VDirac 偏移量ΔVDirac 和載流子遷移率偏移量ΔμTable 2.VDirac offsets ΔVDirac and carrier mobility offsets Δμ of GFETs of different sizes before and after irradiation.

圖5 輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線的變化趨勢(shì) (a)頂柵型GFET;(b)背柵型GFETFig.5.Transfer characteristic curve of GFET before and after irradiation:(a) Top-gate GFET;(b) back-gate GFET.

3.3 損傷機(jī)理及模擬仿真

對(duì)頂柵型GFET 而言,輻射在柵氧層Al2O3和襯底SiO2中產(chǎn)生了大量的電子空穴對(duì),由于施加了正柵極偏置,電子和空穴在偏置電場(chǎng)中復(fù)合及移動(dòng),由于電子的移動(dòng)速度要遠(yuǎn)大于空穴的移動(dòng)速度,Al2O3層中的電子被掃出柵極,空穴則向Al2O3與石墨烯的界面處移動(dòng),在移動(dòng)中被Al2O3中的缺陷俘獲成為帶正電的氧化物陷阱電荷,而襯底SiO2中未復(fù)合的電子向石墨烯與SiO2的界面處移動(dòng),在石墨烯與SiO2的界面處形成界面陷阱電荷.通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知氧化物陷阱電荷是導(dǎo)致VDirac負(fù)向偏移的主要原因[23-27].

根據(jù)空穴產(chǎn)額模型[28],電場(chǎng)是影響空穴產(chǎn)額的主要因素.由于頂柵型GFET 的Al2O3的等效氧化層厚度為20 nm,背柵型GFET 的Al2O3的等效氧化層厚度為5 nm,在施加相同偏置時(shí),背柵型GFET 柵氧層中的電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)于頂柵型GFET柵氧層中的電場(chǎng)強(qiáng)度,背柵型GFET 的空穴產(chǎn)額更大,將導(dǎo)致更嚴(yán)重的輻射損傷.

對(duì)于背柵型GFET,還會(huì)受到氧吸附的影響.背柵型GFET 中的石墨烯暴露在大氣中,O2和H2O 在石墨烯表面發(fā)生如下反應(yīng):

反應(yīng)生成OH-,在反應(yīng)過(guò)程中增加了電荷轉(zhuǎn)移,石墨烯中的電子流出,這導(dǎo)致了n 型摻雜的降低,最終VDirac正向偏移,這與氧化物陷阱電荷的作用相反,一定程度上抵消了輻射損傷[16].當(dāng)氧吸附強(qiáng)于陷阱電荷的作用時(shí),VDirac將正向偏移.因此背柵型GFET 的輻射損傷程度弱于頂柵型GFET.

為更好地解釋VDirac的負(fù)向偏移,結(jié)合TCAD仿真工具研究了氧化物陷阱電荷對(duì)GFET 的影響,在TCAD 工具中建立頂柵結(jié)構(gòu)的GFET 的二維模型,該模型中石墨烯的溝道長(zhǎng)為50 μm,通過(guò)改變多晶硅的參數(shù)來(lái)替代石墨烯[29].在仿真過(guò)程中添加氧化層固定電荷來(lái)模擬氧化物陷阱電荷的作用.圖6 為固定不同數(shù)目的陷阱缺陷的轉(zhuǎn)移特性曲線,從圖6 可以看出,隨著固定陷阱電荷數(shù)目的增加,轉(zhuǎn)移特性曲線負(fù)向移動(dòng),同時(shí)在界面處的固定陷阱電荷數(shù)目越高,轉(zhuǎn)移特性曲線的偏移量越大.這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,也證明了正的氧化物陷阱電荷是造成VDirac的負(fù)向偏移的主要原因.

圖6 固定不同數(shù)目的陷阱缺陷的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.6.Transfer characteristic curve after fixing different number of trap defects.

4 結(jié)論

本文研究了不同結(jié)構(gòu)、尺寸的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GFET)的總劑量效應(yīng),發(fā)現(xiàn)頂柵型GFET和背柵型GFET的VDirac和載流子遷移率隨著總劑量的增大而退化,頂柵型GFET 的抗輻照能力弱于背柵型GFET,GFET 總劑量效應(yīng)響應(yīng)規(guī)律與器件結(jié)構(gòu)和器件尺寸均有很強(qiáng)的依賴性.對(duì)于頂柵型GFET,尺寸越大的GFET 由于受輻照面積更大,對(duì)輻照損傷更加敏感,而背柵型GFET,尺寸越小的GFET 對(duì)輻照損傷越敏感.輻照在柵氧層中產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷是頂柵型GFET 的退化的主要原因,而背柵型GFET,氧吸附一定程度上抵消了氧化物陷阱電荷的作用,在背柵型GFET的輻照過(guò)程中發(fā)揮一定作用.通過(guò)TCAD 仿真模擬,表明氧化物陷阱電荷是頂柵型GFET的VDirac退化的主要原因.這對(duì)GFET 的抗輻射加固設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值.