呂 玲，林正兆，郭紅霞，潘霄宇，嚴(yán)肖瑤

(1.強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024；2.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，西安710071)

作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，氮化鎵(GaN)具有直接帶隙，且具有禁帶寬度大(3.42 eV)、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高(3.3 MV·cm-1)、熱導(dǎo)率大(2.1 W·cm-1·K-1)、電子飽和漂移速度高(2.5×107cm·s-1)、抗輻照能力強(qiáng)和化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)異性能。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料在極化效應(yīng)的作用下可以形成高密度(>1×1013cm-2)、高室溫電子遷移率(>1 500 cm2·V-1·s-1)的2維電子氣(2DEG)，特別適合用于制備新一代高頻的大功率器件和電路，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)、航母、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、航空航天及核反應(yīng)堆等關(guān)鍵領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[1-2]。

空間衛(wèi)星及深空探測(cè)對(duì)電源系統(tǒng)的高效率、小型化和抗輻照性能等有較高的要求。GaN基電力電子器件是應(yīng)對(duì)這一要求的理想方案。基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管(HEMT)在常規(guī)應(yīng)用情況下是耗盡型，而在電源應(yīng)用中必須是增強(qiáng)型。金屬絕緣層半導(dǎo)體(MIS)的HEMT結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)GaN基增強(qiáng)型電力電子器件的主要結(jié)構(gòu)。2000年，Khan等報(bào)道了采用SiO2作為柵絕緣層的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件[3]。該新型MIS-HEMT器件結(jié)構(gòu)結(jié)合了傳統(tǒng)HEMT器件和MISFET器件的性能優(yōu)勢(shì)，器件的柵絕緣層大大提高了柵下區(qū)域電子勢(shì)壘的高度，從而降低了電子穿越勢(shì)壘的概率和柵極泄漏電流。GaN基MIS-HEMT具有關(guān)態(tài)漏電低、亞閾特性好、擊穿電壓高及柵壓正向偏置范圍大等優(yōu)勢(shì)，將替代傳統(tǒng)的肖特基柵HEMT，成為研制高效GaN基微波功率器件和高壓開(kāi)關(guān)器件的理想選擇[4-5]。

工作于極端輻射環(huán)境中的半導(dǎo)體器件和電子系統(tǒng)，其工作狀態(tài)、可靠性和壽命將受到射線和粒子輻照的影響，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效。對(duì)于化合物半導(dǎo)體，輻照主要會(huì)引起位移損傷效應(yīng)。質(zhì)子作為范·艾倫帶的主要成分，是半導(dǎo)體器件在外太空中面臨的主要威脅之一。質(zhì)子同GaN材料和器件的作用包括電離過(guò)程和位移過(guò)程，前者屬于瞬時(shí)過(guò)程，而后者會(huì)在材料中形成晶體缺陷，屬于永久性損傷，是引起半導(dǎo)體器件性能退化的主要因素[6-7]。因此，研究GaN材料與器件的質(zhì)子輻照效應(yīng)，對(duì)提高器件的抗輻照能力具有重要意義。美國(guó)Vanderbilt大學(xué)Fleetwood小組和Florida大學(xué)Pearton小組長(zhǎng)期致力于傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMTs器件的質(zhì)子輻照效應(yīng)研究，利用不同能量質(zhì)子輻照器件，給出了器件詳細(xì)的電學(xué)特性退化規(guī)律，并提出輻照缺陷是造成器件性能退化的主要原因[8-12]。Chen等對(duì)不同生長(zhǎng)工藝制備的GaN器件進(jìn)行了質(zhì)子輻照研究，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照產(chǎn)生的深受主陷阱會(huì)引起器件特性退化[13]。Koehler等發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照后感生陷阱的去載流子效應(yīng)，會(huì)引起器件性能退化[14]。本研究團(tuán)隊(duì)曾對(duì)常規(guī)HEMT器件的質(zhì)子輻照效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，采用3 MeV質(zhì)子輻照，只有在質(zhì)子注量達(dá)到1×1015cm-2時(shí)，器件性能才有明顯退化，且退化量不超過(guò)10%，這說(shuō)明器件具有很強(qiáng)的抗輻照特性[15-17]。

目前，針對(duì)AlGaN/GaN MIS-HEMTs增強(qiáng)型器件的輻照效應(yīng)研究，國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。該結(jié)構(gòu)器件與MOSFET器件類似，對(duì)其研究需重點(diǎn)關(guān)注柵介質(zhì)和柵介質(zhì)/AlGaN界面。在極端輻射環(huán)境中，輻照會(huì)導(dǎo)致柵介質(zhì)層和柵介質(zhì)/AlGaN界面中感生新的陷阱，界面態(tài)充/放電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的閾值電壓漂移現(xiàn)象，造成器件性能退化[18-19]。因此，本文主要研究AlGaN/GaN MIS-HEMTs增強(qiáng)型器件的低能質(zhì)子輻照效應(yīng)，獲得不同能量質(zhì)子輻照下的器件電學(xué)性能退化規(guī)律，探索相關(guān)輻照損傷機(jī)理，為AlGaN/GaN MIS-HEMTs增強(qiáng)型器件在極端輻射環(huán)境中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1輻照實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品由西安電子科技大學(xué)寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室研制，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該器件制備中，采用了金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。器件外延結(jié)構(gòu)由AlN成核層、2 μm的非故意摻雜GaN層及20 nm的非故意摻雜Al0.3Ga0.7N勢(shì)壘層組成。源極(S)和漏極(D)均使用電子束蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，金屬層為Ti/Al/Ni/Au，各層的厚度分別為20，160，55，45 nm，退火條件為氮?dú)猸h(huán)境中850 ℃退火30 s。柵極(G)通過(guò)電子束蒸發(fā)形成Ni/Au/Ni金屬層，各層的厚度分別為45，100，20 nm，從而實(shí)現(xiàn)肖特基接觸。柵下淀積了厚度為20 nm的Al2O3介質(zhì)層，在柵源和柵漏之間淀積了厚度為180 nm的SiN鈍化層。柵長(zhǎng)為0.2 μm，柵寬為50 μm，源漏間距4 μm，漏極和柵極間距3 μm。

低能質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)低能質(zhì)子加速器上進(jìn)行，質(zhì)子能量分別為70 keV和140 keV，質(zhì)子注量分別為1×1013，1×1014，1×1015cm-2。利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀Agilent B1500A，對(duì)質(zhì)子輻照前后的樣品進(jìn)行離線電學(xué)性能測(cè)試，通過(guò)轉(zhuǎn)移特性、輸出特性及柵泄漏特性獲得器件閾值電壓、最大跨導(dǎo)、最大飽和電流及柵泄漏電流等電學(xué)參數(shù)。

圖1AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AlGaN/GaN MIS-HEMTs

2數(shù)據(jù)分析

圖2給出了70 keV 質(zhì)子輻照前后MIS-HEMTs器件的輸出特性。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)質(zhì)子注量為1×1013cm-2、器件柵壓為4 V時(shí)，最大飽和電流線密度由輻照前的191.34 mA· mm-1降至11.46 mA· mm-1，降低了約94.01%。圖3給出了70 keV質(zhì)子輻照前后MIS-HEMTs器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。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(duì)應(yīng)的電壓稱為閾值電壓。

圖270 keV質(zhì)子輻照前后AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的輸出特性Fig.2Output characteristics of AlGaN/GaN MIS-HEMTsbefore and after 70 keV proton irradiation

(a)Ads vs. Vgs

(b)Ags vs. Vgs

由圖3(a)可見(jiàn)，器件閾值電壓正向漂移，由輻照前的1.45 V漂移至4.02 V，增大了2.57 V；最大跨導(dǎo)線密度由輻照前的83.12 mS·mm-1降至35.50 mS·mm-1，降低了約57.29%?？鐚?dǎo)線密度表示器件的柵控能力，是影響頻率特性的重要指標(biāo)之一?？鐚?dǎo)線密度峰值的退化量可以很好地評(píng)價(jià)柵區(qū)域的損傷程度及溝道電子遷移率的退化程度。圖3(a)說(shuō)明輻照后器件柵控能力急劇下降，且載流子遷移率減小。由圖3(b)可見(jiàn)，關(guān)態(tài)柵電流線密度由輻照前的10-6mA·mm-1增加至10-4mA·mm-1，表明漏電明顯增加。當(dāng)質(zhì)子注量達(dá)到1×1014cm-2時(shí)，器件已被全部損壞，無(wú)轉(zhuǎn)移特性。質(zhì)子輻照使材料晶格原子位移并生成帶電的缺陷中心，通過(guò)庫(kù)侖作用降低載流子遷移率，通過(guò)電荷復(fù)合和載流子去除降低2DEG濃度，跨導(dǎo)線密度的下降主要是因?yàn)檩d流子遷移率的降低。從圖3還可看出，與飽和電流線密度的退化相比，跨導(dǎo)線密度的退化較小，這說(shuō)明2DEG濃度減少在器件質(zhì)子輻照退化效應(yīng)中占主導(dǎo)地位。

圖4給出了70 keV質(zhì)子輻照前后MIS-HEMTs器件的柵泄漏特性。

(a)Gate leakage characteristics

(b)Forward characteristics

由圖4可見(jiàn)，隨著質(zhì)子注量增加，柵正、反向泄漏電流線密度均逐漸增大，質(zhì)子輻照對(duì)器件柵絕緣層材料和絕緣層/半導(dǎo)體界面造成了嚴(yán)重?fù)p傷，出現(xiàn)了明顯的漏電通道。

柵介質(zhì)與AlGaN勢(shì)壘層界面存在高密度的界面態(tài)，界面態(tài)密度可達(dá)1013cm-2·eV-1以上[20]。高密度的界面態(tài)會(huì)使器件對(duì)輻照更為敏感。質(zhì)子輻照在器件材料中產(chǎn)生大量的輻照缺陷。柵介質(zhì)層和柵介質(zhì)/AlGaN界面中感生的輻照缺陷會(huì)導(dǎo)致界面態(tài)充/放電效應(yīng)，產(chǎn)生閾值電壓漂移現(xiàn)象；柵介質(zhì)中的輻照缺陷會(huì)提高電子穿越勢(shì)壘的概率，導(dǎo)致柵極泄漏電流變大；2DEG溝道層附近產(chǎn)生的輻照缺陷會(huì)俘獲電子，降低2DEG密度，從而導(dǎo)致飽和漏電流線密度降低。由于質(zhì)子輻照沉積的能量較高，在材料內(nèi)更易形成深陷阱，這些深陷阱俘獲電子后，電子不易從深能級(jí)出來(lái)，故此時(shí)的陷阱作用機(jī)制主要是深陷阱的載流子去除效應(yīng)。同時(shí)，陷阱俘獲電子后，會(huì)對(duì)后續(xù)電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的阻撓，導(dǎo)致2DEG遷移率降低，并進(jìn)一步降低飽和漏電流線密度。

MIS-HEMTs器件與常規(guī)HEMT器件的根本區(qū)別是增加了絕緣層?xùn)沤橘|(zhì)。MIS-HEMTs器件中的介質(zhì)層對(duì)輻照較為敏感，這與傳統(tǒng)MOSFET器件類似。因此，本文對(duì)比了相同工藝下無(wú)介質(zhì)層HEMTs常規(guī)器件的輻照特性，圖5給出了70 keV質(zhì)子輻照前后AlGaN/GaN HEMTs器件的轉(zhuǎn)移特性和柵泄漏特性。由圖5(a)可見(jiàn)，在1×1013cm-2質(zhì)子注量下，HEMTs器件最大跨導(dǎo)線密度由輻照前的168.65 mS·mm-1降至143.40 mS·mm-1，僅降低了14.97%。同時(shí)，閾值電壓正向漂移量較小，由輻照前的-3.27 V漂移至-3.04 V。輻照前，常規(guī)HEMTs器件柵泄漏電流線密度比MIS-HEMTs器件的柵泄漏電流線密度大4個(gè)量級(jí)，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)HEMTs器件柵結(jié)構(gòu)為肖特基接觸，柵反向偏置時(shí)，柵極電子在表面態(tài)和勢(shì)壘層體缺陷輔助下，很容易穿越肖特基勢(shì)壘進(jìn)入異質(zhì)結(jié)溝道，產(chǎn)生較大的柵關(guān)態(tài)泄漏電流，導(dǎo)致器件亞閾值特性惡化。而MIS結(jié)構(gòu)中的絕緣柵介質(zhì)大大提高了柵下區(qū)域電子勢(shì)壘的高度，從而有效降低了電子穿越勢(shì)壘的概率和柵泄漏電流。同時(shí)，增加絕緣柵介質(zhì)層，柵電極與溝道之間的距離增大，器件柵控能力減弱，會(huì)導(dǎo)致器件跨導(dǎo)降低。由圖5(b)可見(jiàn)，輻照后HEMTs器件反向柵泄漏電流線密度與輻照前相比增大不足2個(gè)量級(jí)，比MIS-HEMTs的退化幅度要小。因此，絕緣柵介質(zhì)層的存在使器件對(duì)質(zhì)子輻照更為敏感。

(a)Transfer characteristics

(b)Gate leakage

圖6給出了140 keV質(zhì)子輻照前后MIS-HEMTs器件的轉(zhuǎn)移特性。

圖6140 keV質(zhì)子輻照前后AlGaN/GaNMIS-HEMTs器件的轉(zhuǎn)移特性Fig.6Transfer characteristics of AlGaN/GaN MIS-HEMTs before and after 140 keV proton irradiation

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)質(zhì)子注量為1×1014cm-2時(shí)，器件最大跨導(dǎo)線密度由輻照前的83.12 mS·mm-1降至47.30 mS·mm-1，降低了約43.09%；器件閾值電壓正向漂移，由輻照前的1.45 V漂移至3.82 V，增大了2.37 V。圖6結(jié)果與圖3中70 keV質(zhì)子輻照結(jié)果相比，雖然質(zhì)子注量高1個(gè)量級(jí)，但器件的性能退化量較低。當(dāng)質(zhì)子注量達(dá)1×1015cm-2時(shí)，器件全部壞損，無(wú)轉(zhuǎn)移特性。

本課題組前期研究結(jié)果表明，3 MeV質(zhì)子輻照AlGaN/GaN HEMTs器件，在質(zhì)子注量為1×1014cm-2以下時(shí)，器件電學(xué)性能幾乎不變，只有當(dāng)質(zhì)子注量達(dá)到1×1015cm-2時(shí)，器件特性才會(huì)有輕微退化[17]。2018年，Keum等研究了不同能量的高能質(zhì)子輻照對(duì)AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著質(zhì)子能量的降低，閾值電壓漂移、漏極電流降低等退化現(xiàn)象更加嚴(yán)重[21]，該結(jié)果與本課題組的研究結(jié)果一致。

利用仿真軟件SRIM計(jì)算了高能質(zhì)子(3 MeV)和低能質(zhì)子(70 keV和140 keV)在器件中的能量損失及其分布，結(jié)果如圖7所示。

(a)IEL

(b)NIEL

圖7中，圖7(a)為質(zhì)子在器件中的電離損失能量EIEL隨入射深度dp的分布，插圖為Al2O3/AlGaN/GaN各層的電離損失能量隨入射深度dp的分布；圖7(b)為非電離損失能量ENIEL隨入射深度dp的分布，插圖為Al2O3/AlGaN/GaN各層的ENIEL隨入射深度dp的分布[23]。當(dāng)質(zhì)子入射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，入射深度dp隨質(zhì)子能量的增加而增大[22]。隨著入射質(zhì)子的能量增加，非電離損傷區(qū)離2DEG溝道區(qū)越來(lái)越遠(yuǎn)，晶格損傷得到緩解，器件的性能退化減弱。由圖7可見(jiàn)，入射能量為3 MeV的質(zhì)子在器件中的dp為52 μm，已遠(yuǎn)大于GaN緩存層/藍(lán)寶石襯底的界面厚度。70 keV和140 keV的質(zhì)子在器件中的dp分別為700 nm和1.2 μm，位于GaN緩存層中。低能質(zhì)子(70 keV和140 keV)輻照的非電離損傷區(qū)分別位于離器件表面500 nm和1.1 μm處，更加接近2DEG溝道層，而3 MeV高能質(zhì)子輻照的非電離損傷區(qū)位于離器件表面50 μm處，在藍(lán)寶石襯底中。ENIEL廣泛用于位移損傷的量化，相同質(zhì)子注量時(shí)，ENIEL越大，位移損傷越大，故低能質(zhì)子輻照對(duì)2DEG溝道層的損傷會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3 MeV質(zhì)子，此結(jié)論與Keum等得到的結(jié)論相同[21]，且與I-V測(cè)試結(jié)果相吻合。同時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)，低能質(zhì)子在柵介質(zhì)層和柵介質(zhì)/AlGaN界面層的能量損失較大，其非電離損傷區(qū)比2DEG溝道層略大。因此，可以認(rèn)為，低能質(zhì)子輻照在AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的柵介質(zhì)層和柵介質(zhì)/AlGaN界面層中會(huì)誘發(fā)大量輻射缺陷。柵介質(zhì)層和柵介質(zhì)/AlGaN界面層中的缺陷和2DEG溝道層附近的缺陷共同作用，從而進(jìn)一步加劇器件性能的退化。

為進(jìn)一步研究質(zhì)子輻照對(duì)器件溝道處異質(zhì)結(jié)界面的影響，本文進(jìn)行了變頻C-V測(cè)試。C-V測(cè)試基于電子的充放電，是觀測(cè)陷阱效應(yīng)的常用方法之一。選擇實(shí)驗(yàn)頻率分別為50, 100, 500 kHz和1 MHz，圖8給出了140 keV質(zhì)子輻照前后MIS-HEMTs器件的C-V特性曲線。圖8中A為MIS-HEMTs器件的橫截面面積。

圖8中,曲線上升區(qū)域?qū)?yīng)異質(zhì)結(jié)界面2DEG的積累， MIS結(jié)構(gòu)器件的電容可以用平板電容近似為勢(shì)壘層電容和柵介質(zhì)層電容的串聯(lián)。由圖8可見(jiàn)，電容開(kāi)啟，電壓正向漂移，這與I-V特性測(cè)試結(jié)果相符。輻照前，不同頻率下器件的電容平臺(tái)高度差別不大；而輻照后，當(dāng)頻率為500 kHz和1 MHz時(shí)，相應(yīng)的電容平臺(tái)高度均明顯下降，說(shuō)明輻照在器件中引入了深能級(jí)陷阱。輻照前，50 kHz與1 MHz之間的閾值電壓頻散約為1 V，輻照后閾值電壓頻散增大至2 V，說(shuō)明質(zhì)子輻照導(dǎo)致界面電荷增加。同時(shí)，輻照后器件的電容上升斜率明顯減小，說(shuō)明陷阱濃度增加。輻照后，器件關(guān)態(tài)下的電容明顯增大，這與關(guān)態(tài)漏電流增大相符，說(shuō)明輻照導(dǎo)致器件漏電通道的增加。

圖8140 keV質(zhì)子輻照前后AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的C-V特性Fig.8 C-V characteristics of AlGaN/GaN MIS-HEMTsbefore and after 140 keV proton irradiation

3結(jié)論

本文采用能量分別為70 keV和140 keV質(zhì)子輻照增強(qiáng)型AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件，獲得了該器件輻照前后的輸出、轉(zhuǎn)移和柵泄漏特性，并與常規(guī)HEMTs器件的輻照性能進(jìn)行了比較，并通過(guò)SRIM計(jì)算和C-V測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步分析了該器件的輻照退化機(jī)制。結(jié)果表明，質(zhì)子輻照在該器件溝道層、柵介質(zhì)層及柵介質(zhì)/勢(shì)壘層界面引入了不同程度的輻照缺陷，加劇了界面態(tài)充/放電，增加了電子越過(guò)勢(shì)壘的概率，并通過(guò)載流子去除效應(yīng)降低了2DEG密度，使得器件閾值電壓正向漂移，飽和漏極電流急劇減小，柵泄漏電流增大。與常規(guī)肖特基柵HEMTs器件相比，絕緣柵介質(zhì)層的存在對(duì)質(zhì)子輻照更為敏感。SRIM仿真計(jì)算結(jié)果表明，低能質(zhì)子的非電離損傷區(qū)在AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件溝道層附近，是低能質(zhì)子造成器件損傷更為嚴(yán)重的主要原因。變頻電容測(cè)試結(jié)果表明，質(zhì)子輻照后器件界面電荷密度增加，并引入了大量深能級(jí)缺陷。