GaN HEMT器件電子輻照效應研究

羅尹虹 郭紅霞 張科營 王圓明 張鳳祁

（西北核技術研究所 西安 710024）

空間通訊系統要求器件具有強的抗輻照能力，GaN基材料由于禁帶寬(3.4 eV)、原子鍵合強，理論上具有很強的抗輻照能力[1]。GaN中Ga原子的位移閾能為22 eV，遠高于GaAs中的9.8 eV。GaN基半導體器件的抗總劑量性能，普遍達Mrad以上，明顯高于Si器件。AlGaN/GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件，結合了優越的抗輻射性能和出色的微波功率、高溫、高壓等特性，在衛星、太空探測、核反應堆等輻射環境中具有巨大的應用前景。

雖然理論上AlGaN/GaN HEMT器件的抗輻射特性很強，但由于受到材料質量、器件工藝水平以及材料與器件結構等因素的影響，AlGaN/GaN HEMT器件的抗輻射特性還遠未體現出 GaN基材料的優勢。況且AlGaN/GaN異質結構材料和HEMT器件在結構、載流子產生與輸運機制等方面與其他半導體器件存在很大差異，使輻射引起的AlGaN/GaN HEMT器件退化規律和退化機制變得非常復雜，需開展深入研究。近十年來，AlGaN/GaN HEMT器件在g射線、電子、質子和中子等輻射下的特性退化研究得到很大關注[2–9]。

2004年，James[8]用0.45、0.8、1.2 MeV電子照射液氮低溫下的 MODFET，發現注量為 6′1016/cm2的1.2 MeV電子照射引起漏極電流Ids減小，注量為1014/ cm2的0.45 MeV電子照射則引起柵極電流Igs和漏極電流Ids增大。2007年，John等[9]報道了低溫環境下低能電子對GaN基HFET電特性的影響，注量為1014/cm2的0.45 MeV電子照射使Igs和Ids增大，室溫退火后Igs不變，Ids減小。

我國在GaN微波器件和材料方面起步較晚，剛開展了GaN HEMT器件的g輻照效應研究[10]，在電子輻射效應方面還沒有進行深入研究，也亟需加強GaN器件輻射損傷機理和特性退化規律的研究，以提高GaN器件在航天領域的應用和可靠性。對于繞地球運行航天器威脅最大的是位于赤道上空的范·艾倫輻射帶，其主要由高能質子和電子組成，是半導體器件在空間輻射環境中主要的輻射源，也是本文研究的重點。

1 材料與方法

1.1 器件制備

GaN HEMT器件，襯底為半絕緣SiC襯底，表面淀積GaN緩沖層，再淀積一層AlN插入層，最后淀積AlGaN 勢壘層，通過臺面刻蝕、源漏金屬化、柵金屬化、鈍化、橋面等工藝，制成AlGaN/AlN/GaN HEMT。器件柵長0.35 mm，柵寬150 mm。

1.2 輻照

輻照實驗在電子加速器上進行，電子束能量為0.8和1.2 MeV，流強2 mA，總注量5′1016/cm2。

為避免電應力對器件輻照效應的影響，器件輻照時不加偏置電壓。

1.3 電參數測量

采用HP4156B 精密半導體參數分析儀在室溫下測試輻射實驗前后器件的直流特性，包括轉移特性曲線Ids-Vgs，傳輸特性曲線Ids-Vds，以及柵電流曲線Igs-Vds，輻射后30min內完成器件特性測試。

2 結果與分析

圖1是HEMT器件轉移特性曲線隨電子注量的變化關系。圖1(a)為0.8 MeV電子束照射，電子注量2.5′1016/cm2時，轉移特性曲線僅有輕微負漂，電子注量增至5′1016/cm2，器件閾值電壓向負方向發生明顯漂移，器件夾斷電流增大，表明在相同柵電壓下器件更難被夾斷。圖1(b)為1.2 MeV電子束照射，隨著電子注量的增加，轉移特性曲線負向漂移和夾斷電流的變化量較小。

圖2給出了最大峰值跨導退化量和夾斷電流變化量隨電子注量的變化，可以看出，相同電子注量下0.8 MeV電子引起的峰值跨導退化量和夾斷電流變化量明顯大于1.2 MeV。

圖3和圖4給出了不同柵壓下器件傳輸特性曲線以及柵電流曲線隨電子注量的變化關系。注量為2.5′1016/cm2的0.8 MeV電子束照射，器件飽和漏電流及柵電流有所增大，注量達5′1016/cm2，這兩個電參量明顯增大。而1.2 MeV電子束照射，器件飽和漏電流以及柵電流略有增加，它們隨著電子注量的變化不很明顯。

圖1 HEMT器件轉移特性曲線隨電子注量的變化關系Fig.1 Transfer characteristic curves of the HEMT device as a function of electron fluence.

圖2 HEMT器件峰值跨導退化量(a)和夾斷電流增加量(b)隨電子注量的變化關系Fig.2 Peak transconductance degradation factor (a) and saturation drain current increase factor (b) as a function of electron fluence.

圖3 HEMT器件傳輸特性曲線隨電子注量的變化關系Fig.3 Output characteristic curves of HEMT device as a function of electron fluence.● the virgin, ○ 2.5×10–16 /cm2, □ 5×10–16 /cm2

圖4 HEMT器件柵電流曲線隨電子注量的變化關系Fig.4 Gate current curves of HEMT device as a function of electron fluence,● the virgin, ○ 2.5×10–16 /cm2, □ 5×10–16 /cm2

3 討論

3.1 輻照損傷退化機制分析

輻照前后 Ids、Vth隨電子注量的變化，表明了HEMT器件性能的輻照退化影響。HEMT漏源電流Ids可用基本漏極電流模型描述，耗盡近似下式(1)可描述缺陷對二維電子氣(2DEG)載流子濃的作用

其中，q是單位電荷；W 是柵寬；v(x)是與遷移率相關的電子漂移速度，其隨溝道電場而變化，最大為飽和電子速度vs；ns是薄層電荷濃度。2DEG中載流子濃度ns的變化和溝道區中與v(x)相關的遷移率的變化，是AlGaN層中受輻射損傷影響的兩個關鍵參數。載流子濃度方程可表示為式(2)，與閾值電壓的相關性可表示為式(3)

其中，ns是由AlGaN 層摻雜引起的薄層載流子密度，d是柵和薄層電荷之間的距離，Vgs是柵源電壓，e(x)是AlGaN的介電常數，EF是二維勢阱的費米能級，x是AlGaN中的Al摩爾組份，Nd是AlGaN層摻雜濃度，d是摻雜AlGaN 層的厚度，jb(x)是肖特基的勢壘高度，DEc(x)是導帶不連續性，s(x)是總的薄層電荷濃度，EF是費米能級，Vth是閾值電壓。

對每項參數作輻照反應分析，才能確定引起電流輻照退化的主要原因。肖特基勢壘高度jb(x)、AlGaN中的摻雜濃度 Nd、極化電荷s(x)可能是受輻照影響的主要參數。輻射在異質結各層中引入的深能級陷阱和電子陷阱通過俘獲載流子（載流子去除效應）和增加陷阱輔助隧穿造成影響，其中對AlGaN 勢壘層會造成有效施主摻雜濃度 Nd的變化，改變有效勢壘高度jb(x)，在GaN溝道層會直接改變 2DEG 濃度。這些作用會造成閾值電壓的漂移，漏電流和跨導的退化，還會嚴重影響柵特性，因而是 HEMT 器件輻射損傷的主要機制之一。影響 HEMT器件電流輸出特性的另一個主要因素就是遷移率的變化，由于強極化效應和更大的導帶斷續，AlGaN/GaN 異結構中形成的量子阱深而窄，其中 2DEG密度高且分布非常接近異質結界面。2DEG這一分布特點會使異質結輻射感生界面態電荷的散射作用更加顯著，在考慮遷移率輻射退化上，AlGaN/GaN HEMT 器件主要以輻射感生界面態的影響機制為主。

3.2 電子輻照損傷退化機理

下面針對GaN HEMT器件電子輻照效應進行具體的分析和討論。入射粒子與材料相互作用，使入射粒子損失的能量一般分為兩種：電離能量損失IEL(Ionizing Energy Loss)和非電離能量損失 NIEL (Non-Ionizing Energy Loss)。IEL是入射粒子在與核外電子相互作用并在材料中產生電子空穴對的過程中而損失的能量；NIEL是入射粒子在與原子核相互作用并在材料中產生晶格缺陷和熱的過程中損失的能量。入射粒子損失的能量也就是粒子在材料中沉積的能量。對于半導體器件，不同類型的能量沉積會產生不同的輻射損傷效應。因此，粒子在半導體器件內產生的輻射損傷的機理也分為兩類：由電離能量沉積導致的電離輻射損傷效應和由非電離能量沉積導致的位移損傷效應。電離能損是劑量率相關的，是短時的，而非電離能損是總劑量相關的，是持續的。非電離能損是要素原子的位移導致空位、間隙原子和缺陷聯合體的形成。

進入AlGaN和GaN材料中電子會與晶格原子發生彈性碰撞損失大量能量，這些碰撞可能導致位移損傷，晶格中的原子會離開它在晶格中的本征位置。Ga原子和N原子位移產生率是原子結合能以及碰撞傳遞能量的函數。材料中原子結合能通常是固有的，Ga原子束縛程度輕于N原子。碰撞傳遞能量主要依賴于晶格原子的質量。

Luo 等[2]計算了在 GaN中的最小位移能，Ga原子的最小位移能為22±1eV，N原子的最小位移能為 25±1eV，平均位移能量分別是 45±1eV和109±2eV。不同能量入射電子傳遞給晶格原子的最大能量由式(4)給出：

其中，Ee-是入射電子的能量；me-是電子質量9.1′10–31kg；matom是目標原子的質量，Ga的原子質量1.16′10–25kg，N的原子質量2.338′10–26kg；c是光速。

用式(4)計算了不同能量入射電子傳遞給Ga和N晶格原子的最大能量，如圖5所示。Ga原子質量是N原子的5倍，因此大部分能量傳遞給了N原子。從圖中可見，引起N原子位移所需的最小電子能量約為0.15 MeV，引起Ga原子位移所需的最小電子能量約為0.5 MeV。不同能量電子產生不同位移缺陷類型的能力，將導致不同晶格原子位移缺陷的產生率和濃度不同。電子能量在0.45 MeV以下時，只能引起N原子的位移。電子能量在0.87MeV以內時，N位移缺陷的產生率始終大于Ga位移缺陷的產生率。

圖5 不同能量電子傳遞給Ga和N晶格原子最大能量Fig.5 Maximum energy transfer for Ga and N as a function of the incident electron energy.

由圖1、圖3，入射電子能量0.8 MeV時，飽和漏電流增大，閾值電壓負向漂移。從對輻射損傷基本機理的分析可以推斷，輻照后Ids的增加和閾值電壓的負向漂移，表明輻照后在AlGaN中正電荷有初始增加。輻照時，入射電子在AlGaN層與原子發生電離和彈性碰撞，電離產生的電子空穴對，由于AlGaN內固有電場和高的電子遷移率，電子通過柵極被移去，這個電場是肖特基結和界面自發極化共同作用的結果。部分空穴與電子發生復合，其余空穴則相對不可動，緩慢向異質結界面漂移。

電子與材料晶格原子還會發生彈性碰撞，晶格原子在碰撞過程中得到能量，從而離開它正常的點陣位置，成為晶格中的間隙原子，在它原來位置處留下一個空位，空位則可與相鄰原子相結合，亦可空位與空位相結合，空位亦能移動到雜質附近，與雜質原子形成空位雜質復合體。電子產生的點空穴缺陷是不可動的，分布在整個AlGaN層中，這些缺陷成為正電荷的俘獲陷阱中心，從而俘獲電離產生的空穴成為固定正電荷，這部分電荷產生的電場將使量子阱導帶斷續加深，使2DEG載流子濃度增加，從而導致漏極電流和夾斷電流增大，并引起閾值電壓負向漂移。

另一方面，在GaN中，由于非電離能量損失，會形成N空位貢獻電子和Ga的空位接受電子。從圖5的分析可知，由于能量低于0.87 MeV，形成N空位的濃度高于 Ga空位，因此將貢獻電子給2DEG，也會引起載流子濃度增大和漏電流的增加。當電子能量在1.2 MeV時，形成Ga空位的濃度將高于N空位,將會從2DEG中俘獲電子，從而降低載流子濃度，這也是1.2 MeV電子輻照漏極電流和閾值電壓變化不明顯的主要原因。

柵極電流增加主要是由于電子非電離能量損傷在AlGaN層產生的間隙原子形成深的電子陷阱，被空位俘獲的固定正電荷也能與電子發生復合。這些陷阱的存在增強了電子的隧穿幾率，即增強了輔助隧穿效應，輻照后電子獲得能量或直接穿過勢壘通過隧道效應與陷阱發生復合，這相當于降低了肖特基勢壘高度，從而使得器件的柵泄漏電流增加了，這種TAT效應(trap-assisted tunneling)是導致柵電流增大的直接原因。當電子能量增大，發生位移損傷的概率降低，主要表現為電離和激發，形成的電子陷阱和俘獲正電荷將大量減少，因此能量1.2 MeV時，柵極電流增大不明顯。

4 結語

用0.8和1.2 MeV電子束對GaN HEMT器件開展輻照效應研究的結果表明，電子輻照引起器件飽和漏電流增大，閾值電壓負向漂移，跨導降低和夾斷電流增大，0.8MeV電子對器件的損傷甚于1.2 MeV電子。通過對輻照損傷退化機制的分析，認為飽和漏電流增大，閾值電壓負向漂移主要由AlGaN層中電離輻射產生的俘獲正電荷以及 GaN層中非電離能量損失產生的N、Ga空位所引起。柵電流增加主要由非電離能量損失在 AlGaN勢壘層形成的電子陷阱和俘獲正電荷引起 TAT效應(trap-assisted tunneling)所導致。

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