席善斌，高金環(huán)，裴 選，高東陽，尹麗晶，彭 浩

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

1 引言

現(xiàn)代通訊和國防航天等高科技領(lǐng)域的迅猛發(fā)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(wěn)定性等均提出了更高的要求。第三代半導(dǎo)體材料（GaN、A1N、SiC等）具有帶隙寬、擊穿電壓高等優(yōu)勢，有望滿足現(xiàn)代微波技術(shù)發(fā)展的需求。通過對GaN材料調(diào)制摻雜形成的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很大的導(dǎo)帶斷續(xù)，延續(xù)了GaN材料擊穿電場高、熱傳導(dǎo)率高和電子遷移率高等優(yōu)點，利用這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)做成的器件具有優(yōu)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(jié)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(lǐng)域的研究熱點。

另外，作為寬禁帶半導(dǎo)體，GaN材料原子鍵能很強(qiáng)，因此AlGaN/GaN HEMT器件具有出色的抗輻射特性，其結(jié)合了優(yōu)越的抗輻射和出色的微波功率、高溫、高壓等特性，故在衛(wèi)星、太空探測、核反應(yīng)堆等輻射環(huán)境中具有巨大的應(yīng)用前景，受到廣泛的關(guān)注和研究。

與Si基半導(dǎo)體器件相比，雖然GaN HEMT具有優(yōu)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(jìn)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(xiàn)資料，通過對比和改進(jìn)GaN HEMT制造工藝來提高器件抗輻射水平，從有源區(qū)隔離工藝、GaN溝道層厚度、鈍化層結(jié)構(gòu)和襯底材料四個方面進(jìn)行了梳理和分析，并給出了加固工藝優(yōu)選方法，以期對我國GaN HEMT制造工藝提供指導(dǎo)，促進(jìn)我國抗輻射加固GaN HEMT的研制和應(yīng)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(zhì)子輻射效應(yīng)[1]?；趦煞N隔離工藝的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1(a)采用臺階隔離，臺階刻蝕通過感應(yīng)偶合等離子體（ICP）刻蝕工藝實現(xiàn)，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(jī)實現(xiàn)。在氮離子注入過程中，器件的有源區(qū)采用SiO2掩膜層做保護(hù)，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(xiàn)。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(jié)構(gòu)

室溫條件下，利用質(zhì)子線性加速器對器件開展輻照試驗，采用質(zhì)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(shù)退化情況，結(jié)果如圖2所示，器件的漏極電流和跨導(dǎo)在輻照前后均發(fā)生了明顯變化，兩種工藝隔離的器件參數(shù)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(dǎo)（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(dǎo)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(dǎo)變化

表1 不同隔離工藝GaN HEMT輻照前后參數(shù)變化

質(zhì)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(zhì)子導(dǎo)致原子從原有晶格位置發(fā)生位移，產(chǎn)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(cè)墻表面產(chǎn)生損傷，產(chǎn)生N空位，產(chǎn)生缺陷的區(qū)域距離器件有源區(qū)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(zhì)子發(fā)生作用，從而產(chǎn)生更多的與N空位相關(guān)聯(lián)的缺陷[2]。氮離子注入雖然也有一定的幾率在材料中產(chǎn)生初始缺陷，但是產(chǎn)生的N空位濃度相對較低，并且產(chǎn)生缺陷的區(qū)域距離器件2DEG溝道相對較遠(yuǎn)[3]。因此，采用臺階隔離工藝形成有源區(qū)的GaN HEMT在質(zhì)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(qū)的GaN HEMT更為嚴(yán)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(qū)，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(yīng)[4]。作為研究對象的Al0.24Ga0.76N/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，歐姆接觸采用Ti/Al/Au（厚度分別為15nm/60nm/50nm）疊層金屬結(jié)構(gòu)，并在N2氣氛、溫度為775℃的環(huán)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(jié)構(gòu)

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(fā)生了明顯漂移，但隨著總劑量的進(jìn)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(fù)相關(guān)的關(guān)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(guān)：(1)AlGaN層中淺能級空穴陷阱的產(chǎn)生；(2)器件制造過程中產(chǎn)生的帶電電子陷阱的中和；(3)利用氫氣鈍化處理的缺陷發(fā)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(fù)向漂移，且均與器件在生長過程中的初始缺陷密度相關(guān)。

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(fā)生。

表2 厚度、峰值遷移率與位錯密度關(guān)系

在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)生長的過程中，產(chǎn)生的位錯缺陷會影響GaN基HEMT的電性能，異質(zhì)結(jié)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(chǎn)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(fā)生較小幅度的漂移，可能原因為較厚的溝道層可以獲得質(zhì)量較高的GaN層，在高質(zhì)量的GaN層上生長的AlGaN層質(zhì)量也相應(yīng)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(jié)構(gòu)影響

2016年，Andrew D.Koehler等人報道了不同鈍化層結(jié)構(gòu)對AlGaN/GaN HEMT質(zhì)子輻射效應(yīng)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(tài)以抑制電流崩塌、動態(tài)導(dǎo)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(tài)密度[9]。

器件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：(1)100nm PECVD的SiN層的肖特基柵HEMT結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示；(2)10nm原位SiN層和100nm PECVD的SiN層的MIS柵HEMT結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示。

圖5 不同鈍化層結(jié)構(gòu)GaN HEMT示意圖

室溫條件下，利用能量為2MeV的質(zhì)子對不同鈍化層結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HEMT進(jìn)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(zhì)子輻照引起AlGaN/GaN HEMT參數(shù)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(dǎo)均（gmmax）隨輻照注量的增加而減小，但方塊電阻（RSH）和靜態(tài)導(dǎo)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(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)態(tài)I-V參數(shù)變化量類似，說明原位鈍化層對穩(wěn)態(tài)I-V參數(shù)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(zhì)子輻照前后器件參數(shù)變化

質(zhì)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(dǎo)致晶體管動態(tài)導(dǎo)通電阻（RONDYN）的嚴(yán)重退化。圖6所示為處于導(dǎo)通狀態(tài)下（ON-State）的GaN HEMT輻照前后I-V特性曲線變化。依據(jù)獲得的I-V特性曲線提取晶體管的動態(tài)導(dǎo)通電阻，在VDSQ=0V條件下，輻照引起兩種鈍化層結(jié)構(gòu)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(zhì)子輻照引起不同鈍化層結(jié)構(gòu)I-V曲線變化

由于兩種結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的，而原位鈍化層結(jié)構(gòu)可有效抑制界面態(tài)密度，故采用原位鈍化層可以降低輻照引起的GaN HEMT動態(tài)導(dǎo)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(zhì)子輻射效應(yīng)和退化機(jī)理[10]。分別選擇基于藍(lán)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(shù)量對GaN HEMT抗輻射性能的影響。采用MOCVD方法分別在藍(lán)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(yīng)偶合等離子體（ICP）刻蝕工藝實現(xiàn)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(jìn)行100nm的SiNx鈍化處理、SF6反應(yīng)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(jìn)行掃描電鏡（SEM）成像，對外延層中的線位錯（TD）進(jìn)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(lán)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(dǎo)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(fā)光（PL）譜檢查GaN材料質(zhì)量，獲得的結(jié)果如圖7所示，SiC襯底GaN HEMT表現(xiàn)為最大的帶邊峰值（Band Edge Peak），藍(lán)寶石襯底GaN HEMT帶邊峰值最小，但是藍(lán)寶石襯底GaN HEMT表現(xiàn)出的黃帶缺陷（500nm～700nm）信號卻明顯強(qiáng)于SiC襯底GaN HEMT，這一結(jié)果與ECCI結(jié)果一致，說明藍(lán)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(zhì)子對不同襯底的AlGaN/GaN HEMTs進(jìn)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(tài)、脈沖I-V特性曲線，結(jié)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(tài)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(fā)生顯著退化。

圖8 藍(lán)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(zhì)量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，襯底質(zhì)量越高，μ2DEG退化幅度越大，對輻照表現(xiàn)就越敏感。

GaN HEMT器件表現(xiàn)出較強(qiáng)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(shù)量相比較，輻照感生的缺陷數(shù)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(jìn)，材料中的原生缺陷數(shù)量控制的越來越低，那么器件的輻射效應(yīng)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(xiàn)卻最為敏感，而外延層缺陷密度最多的藍(lán)寶石襯底GaN HEMT則表現(xiàn)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(jié)束語

分別從器件有源區(qū)隔離工藝、GaN溝道層厚度、鈍化層結(jié)構(gòu)和襯底材料四個方面分析了國際最新研究進(jìn)展，梳理了工藝對GaN HEMT輻射效應(yīng)的影響和參數(shù)退化機(jī)理，認(rèn)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(xiàn)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。