王瑞榮，郭 浩，唐 軍，劉金萍，劉麗雙

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051; 2.太原工業(yè)學(xué)院 電子工程系，山西 太原 030008)

0 引 言

量子點(quantum dot,QD)嵌入式高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor,HEMT)力敏傳感器由于具有高電子遷移率、高靈敏度、高帶寬、優(yōu)異的電學(xué)特性[1]等優(yōu)點而被應(yīng)用于微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)傳感器，這些優(yōu)異的特性使得MEMS傳感器在航空航天、空間通信、衛(wèi)星、軍事和核領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2～4]。然而，這些領(lǐng)域的輻照嚴(yán)重，很容易導(dǎo)致敏感單元的參數(shù)變化，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致元器件完全失效[5]，同時太空環(huán)境以及核輻射環(huán)境中產(chǎn)生的γ射線[6,7]，會對MEMS傳感器的穩(wěn)定性工作產(chǎn)生影響。因此,研究[1]γ射線對MEMS傳感器工作性能及結(jié)構(gòu)損傷的影響具有重要的意義。

本文設(shè)計了一種InAs QD嵌入式HEMT力敏結(jié)構(gòu)，通過60Co-γ射線對InAs QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)進行了不同劑量的輻照，對輻照前后力敏結(jié)構(gòu)的輸出特性、力敏特性進行了測試。與未輻照樣品進行對比，結(jié)果表明:InAs QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)輻照后的漏極電流與靈敏度都發(fā)生降低，漏極電流降低的主要原因是輻照過程中InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)中引入了缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的二維電子氣載流子濃度與遷移率降低，從而對輸出電流產(chǎn)生影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了一種基于2-DEG InAs QD嵌入式HEMT結(jié)構(gòu)，通過臺面刻蝕、源漏和柵極金屬化、鈍化等方法在半絕緣GaAs襯底上制備了樣品。首先在半絕緣GaAs襯底表面生長200 nm高純度GaAs緩沖層，生長較厚的緩沖層可以避免有源層受到襯底缺陷、有害雜質(zhì)和熱轉(zhuǎn)換的影響。再在GaAs緩沖層的頂部沉積GaAs/AlGaAs超晶格結(jié)構(gòu)層、GaAs溝道層、InAs量子點層，再生長12 nm高純AlGaAs作為隔離層;接著沉積16 nm的 n-AIGaAs勢壘層，柵極肖特基接觸在這一層。勢壘層上面是高純度GaAs隔離層，最后是45 nm的高摻雜GaAs帽層，用來進行源極、漏極歐姆接觸的加工。本文設(shè)計的InAs QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)的柵長為0.5 μm，柵寬為176 μm，溝道層的厚度為50 nm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)示意

采用QD-HEMT作為MEMS傳感器的力敏單元，當(dāng)對傳感器施加應(yīng)力作用時，QD-HEM力敏單元由于受到力作用而使能帶結(jié)構(gòu)及內(nèi)部晶格發(fā)生變化。其中,溝道層產(chǎn)生變形會造成自由電子遷移率的變化；內(nèi)部晶格變化引起晶格膨脹，導(dǎo)致散射效應(yīng)增強，進一步影響自由電子遷移率；能帶結(jié)構(gòu)的改變會影響價帶到導(dǎo)帶的電子轉(zhuǎn)移，并改變自由電子濃度，造成導(dǎo)電性、遷移率的改變。這些改變的因素都會對QD-HEMT結(jié)構(gòu)中的二維電子氣產(chǎn)生影響，導(dǎo)致輸出電流發(fā)生變化，宏觀上表現(xiàn)為QD-HEMT輸出電流(IDS)的變化。應(yīng)力作用下QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)的能級變化示意圖如圖2所示，通過這一物理過程，實現(xiàn)了力學(xué)信號到電學(xué)信號的轉(zhuǎn)化[8]。

圖2 QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下的能級變化

2 實驗條件

為了研究γ射線輻照對InAs QD-HEMT電學(xué)性能及力敏特性影響，設(shè)計了下面的實驗。在進行輻照前，首先在室溫條件下利用Keithley 4200半導(dǎo)體特性分析儀對InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)進行了輸出與轉(zhuǎn)移特性測試。60Co-γ射線輻照實驗在中國輻射防護研究院進行，γ射線平均能量為1.25 MeV。將樣品分別放置于不同的透明塑料盒中，在室溫條件下按照最大劑量率41.67 rad/s進行10 Mrad(Si)，50 Mrad(Si)，100 Mrad(Si)，150 Mrad(Si)不同劑量的輻照實驗，輻照過程中樣品處于開態(tài)且未施加偏壓。其中,有一個原始樣品未進行輻照，便于進行輻照前后的對比，輻照完成后立即進行器件性能測試。

3 結(jié)果分析

3.1 輸出特性

圖3為InAs QD-HEMT未輻照與150 Mrad劑量γ射線輻照后的輸出特性曲線(IDS-VDS)。從圖3可以看出，經(jīng)過150 Mrad劑量輻照后InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的漏極飽和電流發(fā)生了降低，從105 mA減小到83 mA，減小了約21 %。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于輻照過程在結(jié)構(gòu)中引入了缺陷，導(dǎo)致InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的二維電子氣載流子濃度與遷移率降低，影響InAs QD-HEMT的電學(xué)特性。

圖3 InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)未輻照與150 Mrad輻照后輸出特性曲線

3.2 力敏特性

根據(jù)量子隧穿效應(yīng)原理，在1～10 nm尺寸范圍內(nèi)，隨著尺寸的不同，量子隧穿幾率也不同，量子隧穿概率與尺寸關(guān)系如圖4所示[9～11]。

圖4 量子隧穿概率

對不同劑量輻照后的InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的力敏特性進行了測試。使用實驗室的JT—1500溫度壓力復(fù)合環(huán)境聯(lián)合控制測試平臺，進行常溫環(huán)境下0～1 kPa壓力作用下結(jié)構(gòu)的力敏特性測試，測試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 力敏測試系統(tǒng)

力敏特性測試結(jié)果如圖6(a)～(e)所示。靈敏度S=((U-U0)/U0)/ΔP,其中，U為InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)施加應(yīng)力后測得的電壓，U0為初始電壓，ΔP為對應(yīng)應(yīng)力的變化。

圖6 不同劑量輻照后InAs QD-HEMT力敏特性變化

根據(jù)測試結(jié)果可以得到，在0～300 Pa應(yīng)力范圍內(nèi)，未輻照前InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的靈敏度為3.06 kPa-1;10，50，100，150 Mrad輻照后InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的靈敏度分別為2.56，2.38，1.71，1.12 kPa-1。實驗結(jié)果表明，不同應(yīng)力作用下，隨著輻照劑量的增加，InAs QD-HEMT結(jié)構(gòu)的靈敏度降低，與未輻照相比，150 Mrad輻照后，QD-HEMT結(jié)構(gòu)的靈敏度降低了63.4 %。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是,γ射線作用在半導(dǎo)體材料上，產(chǎn)生電離效應(yīng)，電離產(chǎn)生電子—空穴對，電荷在半導(dǎo)體器件中不斷地累積，從而使材料降解，導(dǎo)致器件性能嚴(yán)重退化。

4 結(jié) 論

本文利用60Co-γ射線對設(shè)計的InAs QD-HEMT力敏結(jié)構(gòu)進行了不同劑量的輻照。由于輻照過程在結(jié)構(gòu)中引入了缺陷，影響了HEMT結(jié)構(gòu)二維電子氣載流子濃度與遷移率，從而使漏極飽和電流從105 mA減小到83 mA，減小了約21 %。力敏特性測試結(jié)果表明:隨著輻照劑量的增加，QD-HEMT結(jié)構(gòu)的力敏特性不斷減小。與輻照前相比，與150 Mrad劑量輻照后結(jié)構(gòu)的靈敏度降低了 63.4 %，但高劑量輻照后QD-HEMT仍具有工作特性。