基于工藝的GaN HEMT抗輻射加固研究進展

席善斌，高金環，裴 選，高東陽，尹麗晶，彭 浩

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊050051；2.國家半導體器件質量監督檢驗中心，石家莊050051）

1 引言

現代通訊和國防航天等高科技領域的迅猛發展，對微波電子器件功率特性、頻率特性、耐高溫特性以及抗輻射穩定性等均提出了更高的要求。第三代半導體材料（GaN、A1N、SiC等）具有帶隙寬、擊穿電壓高等優勢，有望滿足現代微波技術發展的需求。通過對GaN材料調制摻雜形成的AlGaN/GaN異質結構具有很大的導帶斷續，延續了GaN材料擊穿電場高、熱傳導率高和電子遷移率高等優點，利用這種異質結構做成的器件具有優異的微波功率特性，而且其寬禁帶特點決定了它可以承受更高的工作結溫，促使GaN HEMT以其高頻、高溫及大功率特性成為近年來微波微電子領域的研究熱點。

另外，作為寬禁帶半導體，GaN材料原子鍵能很強，因此AlGaN/GaN HEMT器件具有出色的抗輻射特性，其結合了優越的抗輻射和出色的微波功率、高溫、高壓等特性，故在衛星、太空探測、核反應堆等輻射環境中具有巨大的應用前景，受到廣泛的關注和研究。

與Si基半導體器件相比，雖然GaN HEMT具有優越的抗輻射特性，但是與GaN材料自身的抗輻射能力和水平相比較，器件在抗輻射能力上還有較大差距，因此開展GaN HEMT制造工藝研究，進一步提高器件的抗輻射水平就顯得尤為必要。故此梳理了國際上近五年公開報道的文獻資料，通過對比和改進GaN HEMT制造工藝來提高器件抗輻射水平，從有源區隔離工藝、GaN溝道層厚度、鈍化層結構和襯底材料四個方面進行了梳理和分析，并給出了加固工藝優選方法，以期對我國GaN HEMT制造工藝提供指導，促進我國抗輻射加固GaN HEMT的研制和應用。

2 器件隔離工藝影響

2018年，Dong-Seok Kim等人報道了臺階刻蝕和氮離子注入兩種隔離工藝的GaN HEMT質子輻射效應[1]?；趦煞N隔離工藝的器件結構如圖1所示。圖1(a)采用臺階隔離，臺階刻蝕通過感應偶合等離子體（ICP）刻蝕工藝實現，刻蝕深度為~200nm，圖1(b)采用氮離子注入隔離，利用離子注入機實現。在氮離子注入過程中，器件的有源區采用SiO2掩膜層做保護，氮離子注入的能量和注量分別為10keV和5×1015cm-2。器件歐姆接觸采用Si/Ti/Al/Ni/Au（1nm/25nm/160nm/40nm/100nm）、肖特基接觸采用Ni/Au（50nm/100nm）多層金屬實現。柵長、柵寬、柵-漏間距分別為2μm、100μm和10μm。

圖1 不同隔離工藝GaN HEMT器件結構

室溫條件下，利用質子線性加速器對器件開展輻照試驗，采用質子能量為5MeV，輻照注量累積至1×1014cm-2，評估了兩種隔離工藝器件的參數退化情況，結果如圖2所示，器件的漏極電流和跨導在輻照前后均發生了明顯變化，兩種工藝隔離的器件參數變化量如表1所示。采用臺階刻蝕工藝隔離的GaN HEMT在輻照前后漏極飽和電流（ID,sat）和最大跨導（gm,max）均降低了約50%，而采用氮離子注入隔離的GaN HEMT其漏極飽和電流和最大跨導僅降低了約10%～20%。

圖2 輻照引起不同隔離工藝漏極電流和跨導變化

表1 不同隔離工藝GaN HEMT輻照前后參數變化

質子輻照引起GaN HEMT性能退化的主要原因是2DEG溝道中的位移損傷，入射的質子導致原子從原有晶格位置發生位移，產生了空位和帶電的陷阱中心，空位通過形成陷阱的方式降低了載流子濃度，帶電陷阱中心則通過引起載流子散射的方式降低了載流子的遷移率。

等離子體刻蝕會對臺階側墻表面產生損傷，產生N空位，產生缺陷的區域距離器件有源區中的2DEG溝道相對較近，這些初始缺陷又會在輻照過程中與質子發生作用，從而產生更多的與N空位相關聯的缺陷[2]。氮離子注入雖然也有一定的幾率在材料中產生初始缺陷，但是產生的N空位濃度相對較低，并且產生缺陷的區域距離器件2DEG溝道相對較遠[3]。因此，采用臺階隔離工藝形成有源區的GaN HEMT在質子輻照試驗過程中其性能的退化，較采用氮離子注入隔離形成有源區的GaN HEMT更為嚴重。

所以，采用氮離子注入隔離工藝替代臺階隔離工藝形成有源區，可以提高GaN HEMT的抗輻射能力。

3 器件溝道層厚度影響

2018年，Maruf A.Bhuiyan等人報道了不同GaN溝道層厚度的GaN HEMT總劑量輻射效應[4]。作為研究對象的Al0.24Ga0.76N/GaN HEMT器件結構如圖3所示，器件采用臺階刻蝕工藝，刻蝕深度為150nm，器件源/漏和柵極分別采用Ti/Al和Ni/Au金屬化結構，歐姆接觸采用Ti/Al/Au（厚度分別為15nm/60nm/50nm）疊層金屬結構，并在N2氣氛、溫度為775℃的環境中作退火處理。表面采用SiO2作為鈍化層，柵-源間距（Lgs）為5μm，柵-漏間距（Lgd）為10μm，Al0.24Ga0.76N層為24nm，GaN溝道層厚度分別為 0.5μm、2μm、3.5μm 和6.3μm。

圖3 Al0.24Ga0.76N/GaN HEMT器件結構

室溫條件下，采用能量為10keV、劑量率為31.5krad(SiO2)/min的X射線對不同GaN溝道層厚度器件開展輻照試驗，在試驗過程中器件所有管腳均作接地處理。圖4所示為X射線輻照引起不同GaN溝道層厚度GaN HEMT閾值電壓（Vth）的漂移情況，總劑量累積至3krad(SiO2)時，器件的閾值電壓就發生了明顯漂移，但隨著總劑量的進一步累積，閾值電壓漂移速率逐漸減緩。整個輻照試驗過程中，GaN HEMT閾值電壓（Vth）的漂移與GaN溝道層厚度呈負相關的關系，溝道層越薄，輻照引起器件閾值電壓漂移就越明顯。

圖4 輻照引起不同溝道層厚度下閾值電壓漂移

輻照引起GaN HEMT閾值電壓漂移主要與如下因素相關：(1)AlGaN層中淺能級空穴陷阱的產生；(2)器件制造過程中產生的帶電電子陷阱的中和；(3)利用氫氣鈍化處理的缺陷發生了脫氫作用。這三種因素均會引起器件輻照后I-V曲線的負向漂移，且均與器件在生長過程中的初始缺陷密度相關。

表2給出了不同GaN溝道層厚度AlGaN/GaN HEMT峰值遷移率值，有效的峰值溝道遷移率隨溝道層厚度增加而增大，可能原因為AlGaN層和（或）GaN中陷阱密度的降低減少了哥倫布散射（Coulomb Scattering）的發生。

表2 厚度、峰值遷移率與位錯密度關系

在AlGaN/GaN異質結生長的過程中，產生的位錯缺陷會影響GaN基HEMT的電性能，異質結中的線位錯會影響載流子遷移率和電荷的俘獲等特性，通過增加GaN層的厚度可避免襯底層和GaN層因晶格失配產生的線位錯接觸上面的2DEG溝道，降低器件的電特性[6]。輻照引起厚GaN溝道層器件閾值電壓發生較小幅度的漂移，可能原因為較厚的溝道層可以獲得質量較高的GaN層，在高質量的GaN層上生長的AlGaN層質量也相應得到了改善，由于器件在生長過程中缺陷密度的降低，所以器件的抗輻射性能獲得了較好的改善。

4 器件鈍化層結構影響

2016年，Andrew D.Koehler等人報道了不同鈍化層結構對AlGaN/GaN HEMT質子輻射效應的影響[7-8]。通常采用PECVD工藝淀積SiN的方法來鈍化GaN HEMT界面態以抑制電流崩塌、動態導通電阻增加、DC-RF損耗等，在AlGaN/GaN外延層上采用相同制造工序淀積一層原位（in-situ）SiN層，可以有效降低界面態密度[9]。

器件結構如圖5所示，基本工藝相同，均采用MOCVD工藝外延生長 2μm GaN緩沖層、17nm AlGaN勢壘層，MOCVD條件為300℃、20W、650mT、20sccm CH4、23.5sccm NH3、980sccm N2。鈍化層則采用了兩種結構：(1)100nm PECVD的SiN層的肖特基柵HEMT結構，如圖5(a)所示；(2)10nm原位SiN層和100nm PECVD的SiN層的MIS柵HEMT結構，如圖5(b)所示。

圖5 不同鈍化層結構GaN HEMT示意圖

室溫條件下，利用能量為2MeV的質子對不同鈍化層結構的AlGaN/GaN HEMT進行輻照試驗，輻照注量為6×1014H+·cm-2，輻照過程中器件所有管腳均作浮空處理。質子輻照引起AlGaN/GaN HEMT參數變化如表3所示，其中2DEG遷移率（μ2DEG）、方塊載流子濃度（n2DEG）、最大漏極電流（IDmax）、最大跨導均（gmmax）隨輻照注量的增加而減小，但方塊電阻（RSH）和靜態導通電阻（RON）則隨輻照注量的增加而增加。輻照引起兩種鈍化層結構器件的穩態I-V參數變化量類似，說明原位鈍化層對穩態I-V參數影響較小，但是僅有PECVD SiN鈍化層的HEMT閾值電壓漂移量（1.3V）要大于原位SiN和PECVD SiN雙重鈍化層的HEMT閾值電壓漂移量（0.6V）。

表3 質子輻照前后器件參數變化

質子輻照感生的、位于2DEG溝道附近的施主缺陷會捕獲電子，從而耗盡2DEG，導致晶體管動態導通電阻（RONDYN）的嚴重退化。圖6所示為處于導通狀態下（ON-State）的GaN HEMT輻照前后I-V特性曲線變化。依據獲得的I-V特性曲線提取晶體管的動態導通電阻，在VDSQ=0V條件下，輻照引起兩種鈍化層結構HEMT的RONDYN變化幅度相差不大（61%和72%）；在VDSQ=50V條件下，輻照引起PECVD SiN鈍化層HEMT的RONDYN變化了22750%，而原位SiN和PECVD SiN雙重鈍化層HEMT的RONDYN變化了303%。

圖6 質子輻照引起不同鈍化層結構I-V曲線變化

由于兩種結構的晶體管的AlGaN/GaN外延層和制造工藝相同，因而輻照引起RONDYN不同程度的退化主要是表面原位鈍化層導致的，而原位鈍化層結構可有效抑制界面態密度，故采用原位鈍化層可以降低輻照引起的GaN HEMT動態導通電阻的變化，提高器件的抗輻射能力。

5 器件襯底材料影響

2014年，Andrew D.Koehler等人還報道了不同襯底材料的AlGaN/GaN HEMT質子輻射效應和退化機理[10]。分別選擇基于藍寶石（Sapphire）襯底、Si襯底和SiC襯底生長的GaN HEMT器件，研究器件原生缺陷數量對GaN HEMT抗輻射性能的影響。采用MOCVD方法分別在藍寶石襯底、Si襯底和SiC襯底上外延生長AlGaN/GaN層，GaN層厚度大于1μm，AlGaN層（27%～30%的Al組分）厚度為17～25nm，通過感應偶合等離子體（ICP）刻蝕工藝實現臺階刻蝕，采用Ti/Al/Ni/Au電子束淀積、剝離和快速熱退火工藝形成歐姆接觸的源/漏電極，采用淀積和剝離工藝形成肖特基接觸的柵電極。最后對樣品進行100nm的SiNx鈍化處理、SF6反應離子刻蝕、接觸窗口刻蝕和Ti/Au金屬淀積。

分別對AlGaN/GaN外延層進行掃描電鏡（SEM）成像，對外延層中的線位錯（TD）進行了電子通道襯度成像（ECCI）[11]，獲得的形貌和線位錯密度分布如表4所示，藍寶石襯底外延層線位錯密度最高，Si襯底次之，SiC襯底外延層線位錯密度最低，可見襯底和外延層間的晶格和熱失配是導致材料缺陷密度差異的主要原因。

表4 不同材料襯底上外延層形貌及線位錯密度

利用光致發光（PL）譜檢查GaN材料質量，獲得的結果如圖7所示，SiC襯底GaN HEMT表現為最大的帶邊峰值（Band Edge Peak），藍寶石襯底GaN HEMT帶邊峰值最小，但是藍寶石襯底GaN HEMT表現出的黃帶缺陷（500nm～700nm）信號卻明顯強于SiC襯底GaN HEMT，這一結果與ECCI結果一致，說明藍寶石襯底生長的外延層中缺陷最多，其次為Si襯底，SiC襯底生長的外延層中缺陷最少。

圖7 輻照前不同材料襯底GaN HEMT的PL譜

室溫條件下，利用能量為2MeV的質子對不同襯底的AlGaN/GaN HEMTs進行輻照試驗，輻照注量為6×1014H+·cm-2，輻照過程中器件管腳均作浮空處理。

輻照前后分別測試三種襯底GaN HEMT的靜態、脈沖I-V特性曲線，結果如圖8至圖10所示，輻照均引起三種襯底GaN HEMT特性如開態電阻（ΔRon,Sapphire=48.2%、ΔRon,Si=86.0%、ΔRon,SiC=51.7%）、最大漏極電流（ΔIDmax,Sapphire=-36.6%、ΔIDmax,Si=51.8%、ΔIDmax,SiC=46.2%）發生顯著退化。

圖8 藍寶石襯底GaN HEMT輻照前后I-V曲線

圖9 Si襯底GaN HEMT輻照前后I-V曲線

圖10 SiC襯底GaN HEMT輻照前后I-V曲線

圖11所示為輻照引起三種襯底GaN HEMT的2DEG遷移率（μ2DEG）變化情況，從中可以看出，Δμ2DEG，SiC＞Δμ2DEG，Si＞Δμ2DEG，sapphire，2DEG 遷移率退化與襯底質量呈負相關的關系，襯底質量越高，μ2DEG退化幅度越大，對輻照表現就越敏感。

GaN HEMT器件表現出較強的抗輻射特性，可能的原因為GaN本身含有較多的原生缺陷。與自身缺陷數量相比較，輻照感生的缺陷數量相對較少，對器件性能的影響也就較小。隨著GaN HEMT器件制造工藝的改進，材料中的原生缺陷數量控制的越來越低，那么器件的輻射效應就可能會變的越來越敏感。SiC襯底外延層缺陷密度最少，但SiC襯底GaN HEMT對輻照表現卻最為敏感，而外延層缺陷密度最多的藍寶石襯底GaN HEMT則表現出較好的抗輻射特性。

圖11 輻照引起不同襯底HEMT霍爾遷移率變化

6 結束語

分別從器件有源區隔離工藝、GaN溝道層厚度、鈍化層結構和襯底材料四個方面分析了國際最新研究進展，梳理了工藝對GaN HEMT輻射效應的影響和參數退化機理，認為采用氮離子注入隔離工藝、較厚的GaN溝道層厚度、在AlGaN/GaN外延層上淀積一層原位SiN層可有效降低工藝引入的缺陷，提高GaN HEMT的抗輻射性能。另外，雖然采用SiC襯底可有效降低材料的原生缺陷，提升GaN HEMT電特性，但輻射感生缺陷相對原生缺陷密度所占比例增加，器件對輻照表現更為敏感。在抗輻射GaN HEMT制造中，需綜合考慮制造工藝對器件電性能和器件抗輻射能力的綜合影響，以獲得高可靠性、高性能的GaN HEMT。