邱一武 郭風岐 殷亞楠 張平威 周昕杰

（中國電子科技集團公司第五十八研究所 無錫 214035）

氮化鎵（GaN）基異質結材料憑借寬禁帶、耐高溫、高擊穿電壓以及優(yōu)異的抗輻照性能成為航天領域半導體材料的研究和應用焦點，然而基于GaN材料的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）因其制備過程存在的本征缺陷和損傷，在空間應用過程中性能將受到環(huán)境中重粒子、質子、中子以及γ射線的影響，從而產(chǎn)生一系列輻射效應，如總劑量效應（Total Ionizing Dose effect，TID）［1-3］、單粒子效應（Single Event Effect，SEE）［4-5］和位移損傷劑量效應（Displacement Damage Dose effect，DDD）［6-7］等。大量高能粒子會在器件中引入缺陷，致使器件電學性能退化甚至失效，嚴重威脅器件的可靠性。

長期工作在輻射環(huán)境中的AlGaN/GaN HEMT器件電學性能退化程度與器件柵極偏壓、輻照粒子種類、輻照劑量以及退火溫度等因素緊密相關。其中，器件柵極偏壓是影響器件輻射效應的最重要因素之一，其損傷機理主要與輻射時電荷的產(chǎn)生、傳輸、俘獲過程有關［8-11］。2013年，Wang等［12］對耗盡型AlGaN/GaN HEMT器件開展了三種偏置條件下的總劑量輻照試驗，結果表明，浮空條件下AlGaN/GaN HEMT器件直流參數(shù)并未發(fā)生明顯的變化，開態(tài)偏置下器件輻照后的飽和漏電流退化最為嚴重，但在三種偏置條件輻照后閾值電壓幾乎未發(fā)生改變。2019年，Zheng等［13］對耗盡型GaN HEMT器件開展了60Co γ射線輻照試驗，同樣指出了柵極偏置會加重器件的性能退化。就目前而言，大部分的總劑量輻照試驗都是在耗盡型GaN HEMT器件浮空條件下進行的，對增強型GaN HEMT器件加電偏置下的總劑量效應研究相對較少，且總劑量輻射效應機理復雜，并沒有形成統(tǒng)一的機理解釋。

因此，采用不同劑量的60Co γ射線對增強型AlGaN/GaN HEMT器件開展三種偏置條件下的總劑量輻照試驗，并進一步研究退火時間及退火溫度對輻照后器件電學特性恢復的影響，探究器件總劑量效應與輻照劑量、電壓偏置和退火環(huán)境之間的響應規(guī)律，揭示器件敏感參數(shù)的退化機理。

1 試驗樣品與試驗方案

輻照試驗樣品選自國產(chǎn)商用的NP20G65D6型號的P-GaN柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件（650 V，11 A，120 mΩ），為實現(xiàn)試驗樣品性能一致性的要求，所選樣品均來自同一型號同一批次。試驗前預先將樣品焊接到特制的3引腳TO-247轉接板上，以便試驗過程中施加偏置電壓和對后續(xù)器件的性能測試，輻照試驗過程中，器件不需要進行開封處理。試驗所用的P-GaN柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件二維結構圖與實物圖如圖1所示。

圖1 P-GaN柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件示意圖 (a) 二維結構圖，(b) 實物圖正面，(c) 實物圖背面Fig.1 Diagram of P-GaN enhanced AlGaN/GaN HEMT device(a) Two-dimensional structure, (b) Front of physical picture, (c) Back of physical picture

總劑量輻照試驗在中國科學院上海應用物理研究所的60Co γ射線源上進行，平均能量為1.25 MeV，輻照環(huán)境為室溫（（23±2） ℃），劑量率為50 rad（Si）·s-1，而輻照劑量點分別選擇0.3 Mrad（Si）、0.6 Mrad（Si）和1.0 Mrad（Si）。輻照過程中使用低壓直流電源設備來施加偏置電壓，每個劑量點放置6個器件，兩個器件為一組，每組器件分別施加開態(tài)（ON-state）偏置、關態(tài)（OFF-state）偏置和零（GDN-state）偏置，每種試驗條件下均有兩組試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，降低試驗和測試過程中引起的誤差對輻照結果的影響。γ射線輻照試驗三種偏置條件如表1所示。

表1 γ射線輻照試驗三種偏置條件Table 1 γ-ray irradiation experiment three bias conditions

制定試驗流程，γ射線輻照試驗流程圖和試驗設備布局示意圖見圖2［14］。輻照結束后將試驗器件取出放入干冰中保存，并在48 h內(nèi)完成離線測量器件閾值電壓Vth、跨導峰值gm，max、飽和漏電流Idsat等電學特性，以防在運輸和測試過程中發(fā)生退火效應。離線測試結束后將器件分別置于室溫和100 ℃環(huán)境中退火7 d，每隔1 d取出進行電學性能測試，退火過程中器件均處于浮空狀態(tài)。

圖2 γ射線輻照試驗流程圖(a)和試驗設備布局示意圖(b)Fig.2 Flow chart of γ-ray irradiation experiment (a) and experiment equipment layout diagram (b)

2 試驗結果

2.1 總劑量輻照試驗結果

圖3為GND-state偏置下增強型AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后轉移特性及輸出特性。按器件說明書規(guī)定，定義器件Vds=3 V、Ids=11 mA時的柵源電壓Vgs為器件閾值電壓Vth。

從圖3（a）可知，在GND-state偏置條件下，轉移特性曲線隨著輻照劑量的增加發(fā)生輕微負向漂移，當輻照劑量達到1.0 Mrad（Si）時，曲線漂移量達到最大，此時Vth由輻照前的1.15 V降至1.08 V，Vth僅減小0.07 V，閾值電壓Vth幾乎不受輻照劑量的影響。從圖3（b）可知，當輻照劑量為0.3 Mrad（Si）時，器件飽和漏極電流Idsat增加最為明顯，此時Idsat也僅增大了4.1%（Vgs=5 V，Vds=4 V），隨著輻照劑量的繼續(xù)增加，Idsat增大幅度變緩。表明GND-state偏置條件下，器件電學特性在輻照前后未呈現(xiàn)出大的變化，性能相對穩(wěn)定。

為了進一步研究不同偏置條件對器件總劑量效應的影響規(guī)律，對增強型AlGaN/GaN HEMT器件又開展了關態(tài)（OFF-state）和開態(tài)（ON-state）偏置條件下的總劑量輻照試驗。為了說明方便，避免數(shù)據(jù)繁雜，只給出1.0 Mrad（Si） γ射線輻照試驗數(shù)據(jù)。圖4為兩種偏置條件下1.0 Mrad（Si） γ射線輻照前后器件轉移特性，插圖為對應的跨導變化曲線。

從圖4可以看出，OFF-state偏置條件下，經(jīng)1.0 Mrad（Si） γ射線輻照后，轉移特性曲線同樣發(fā)生負向漂移，此時Vth由輻照前1.18 V下降為1.03 V，同時最大跨導也略有增加。相比之下，ON-state偏置條件下，輻照后器件轉移特性曲線漂移更加明顯，Vth減小0.23 V，最大跨導由輻照前的6.31 S增大為8.04 S?？鐚€表示器件的柵控能力，是影響頻率特性的重要指標之一，最大跨導的變化量可以很好地評估溝道載流子遷移率的變化情況，輻照后器件柵控能力上升，說明載流子遷移率增大。且有相關研究表明［15-16］，器件在刻蝕過程中會產(chǎn)生一定量的表面缺陷，而低于1.6 Mrad（Si）的γ射線輻照對器件界面有一定修復作用，使得載流子遷移率提高，跨導峰值增加，本試驗結果與此結論相一致。

圖5為兩種偏置條件下1.0 Mrad（Si） γ射線輻照前后器件輸出特性。

圖5 兩種偏置條件下1.0 Mrad（Si） γ射線輻照前后器件輸出特性 (a) 關態(tài)偏置，(b) 開態(tài)偏置Fig.5 Output characteristic of the device before and after γ-ray irradiation with 1.0 Mrad(Si) under two bias conditions(a) OFF-state bias, (b) ON-state bias

從圖5中可知，兩種偏置條件輻照后，器件漏極飽和電流Idsat較輻照前均有所增大，相比較而言，ON-state偏置下增強型AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后的輸出特性曲線變化更加顯著，經(jīng)過1.0 Mrad（Si） γ射線輻照后，器件的飽和漏電流Idsat增大了23.3%（Vgs=5 V，Vds=4 V），而OFF-state偏置輻照后飽和漏電流Idsat增大了16.2%（Vgs=5 V，Vds=4 V）。從輸出特性曲線可以提取出器件的導通電阻（Ron）輻照前后的變化情況，與輻照前相比，輻照后增強型AlGaN/GaN HEMT器件的導通電阻都相應減小，但減小幅度有限。

柵極漏電是制約AlGaN/GaN HEMT器件性能提升的重要因素之一，圖6為兩種偏置條下1.0 Mrad（Si） γ射線輻照前后器件柵特性。

由圖6（a）可以看出，在1.0 Mrad（Si） γ射線輻照后，OFF-state偏置條件下器件柵反向泄漏電流增加了不到一個數(shù)量級，正向柵特性不發(fā)生改變。而從圖6（b）來看，ON-state偏置條件下器件柵反向泄漏電流由輻照前的10-9A增加到10-8A，增加了一個多數(shù)量級，且柵正向泄漏電流也略微增加。勢壘高度是決定柵泄漏電流的最主要因素，器件輻照后柵泄漏電流發(fā)生變化，說明γ射線輻照產(chǎn)生了勢壘層表面陷阱電荷，載流子的隧穿概率增加，降低了有效肖特基勢壘高度，器件的柵泄漏電流增加。

2.2 退火試驗結果

總劑量效應引起的器件輻照損傷受外界環(huán)境的影響非常明顯，存在著與退火溫度、外加電場以及退火時間等因素相關的退火特性，圖7為AlGaN/GaN HEMT器件最大跨導和飽和漏電流變化量隨輻照劑量、退火時間和退火溫度的變化情況。

圖7 AlGaN/GaN HEMT器件最大跨導(a)和飽和漏電流(b)變化量隨輻照劑量、退火時間和退火溫度的變化情況Fig.7 The variation of AlGaN/GaN HEMT devices characteristics changes with irradiation dose, annealing time and annealing temperature (a) Maximum transconductance, (b) Saturation drain current

從圖7（a）中看出，在同一偏置條件下，隨著輻照劑量的增加，器件gm，max均有所增大，當輻照劑量為1.0 Mrad（Si）時，GND-state、OFF-state和ON-state三種偏置下器件gm，max增加量分別為7.2%、11.1%和26.5%，可見，ON-state偏置下gm，max增大最為明顯，為了進一步研究器件退火特性，僅對ON-state偏置下的兩組器件分別進行了7 d不同溫度下的退火試驗，結果發(fā)現(xiàn)，隨著退火時間的增加，gm，max變化量得到部分恢復，其中，100 ℃環(huán)境下退火，器件gm，max恢復較多，退火7 d后，gm，max恢復了9.8%。從圖7（b）中看出，隨著輻照劑量的增加，Idsat的變化趨勢同gm，max一致，在ON-state偏置下變化最為明顯，當輻照劑量為1.0 Mrad（Si），Idsat增大了23.3%（Vgs=5 V，Vds=4 V），從退火試驗結果來看，經(jīng)過7 d室溫退火，器件Idsat恢復有限，僅恢復了2.6%，相比之下，100 ℃下退火7 d，Idsat恢復了6.9%。這是因為對GaN HEMT器件進行退火后，輻照缺陷減少，少數(shù)載流子擴散長度增加，使GaN HEMT器件電學性能提高，而退火溫度越高，越有利于載流子擴散，器件性能恢復就越顯著。但無論是gm，max還是Idsat退火后都沒有恢復到輻照前的初始值，有可能因退火時間較短不足以完全移除陷阱電荷或者輻照產(chǎn)生的新型缺陷難以通過退火去除。

3 試驗分析與討論

器件在γ射線輻照后飽和漏電流Idsat增大、閾值電壓Vth負漂、最大跨導gm，max增大，這與文獻［12-13］針對耗盡型AlGaN/GaN HEMT功率器件在總劑量輻照后性能發(fā)生嚴重退化的現(xiàn)象不同。圖8給出了P型柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件的能帶圖和GaN系統(tǒng)中缺陷電性取決于費米能級的位置示意圖。

圖8 (a) P型柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件的能帶圖和(b) GaN系統(tǒng)中缺陷電性取決于費米能級的位置示意圖[18]Fig.8 (a) Energy band diagram of P-gate enhanced AlGaN/GaN HEMT devices and (b) the electrical properties of defects in GaN systems depend on the location diagram of Fermi levels[18]

從圖8（a）來看，P-GaN柵導致器件費米能級與導帶相對位置發(fā)生改變，費米能級位于GaN電子勢阱以下，實現(xiàn)增強型器件的特性［17-18］。同時GaN HEMT器件具有氫相關的缺陷，P-GaN柵費米能級較低，可自發(fā)產(chǎn)生正電性缺陷，如圖8（b）中的［VGaH4］1+，正電性缺陷會使Vth降低，Ids上升；而AlGaN層中的缺陷通常俘獲電子呈現(xiàn)電負性，如圖8（b）中的［VGaH2］1-、［VGaH］2-、［VGa］3-，負電性缺陷會導致Ids下降，所以器件輻照后Vth降低，Ids上升的原因可能是P-GaN柵中累積了更多正電性缺陷［19］。也有研究學者［20］將輻照后器件Ids上升歸結于應變松弛所導致。跨導表示器件的柵控能力，輻照后最大跨導gm，max增加，而跨導的改變與載流子遷移率μ緊密相關，二維電子氣（Two Dimensional Electron Gas，2DEG）溝道中載流子遷移率μ計算如式（1）所示［21］：

式中：VDS和IDS分別為漏源極電壓和電流；RS和RD分別為源極和漏極接入電阻；ε為AlGaN介電常數(shù)；t為勢壘層厚度；W和L分別為柵極寬度和長度。從式（1）中可以看出，器件飽和區(qū)跨導主要是受載流子遷移率μ的影響，由于低劑量的γ射線輻照會使2DEG溝道附近散射中心（界面態(tài)電荷、電離缺陷）減少，提高了載流子遷移率［22］。2DEG溝道載流子濃度增加或遷移率提高還會引起串聯(lián)電阻的降低，進而飽和漏電流也會發(fā)生變化，總體而言，低劑量γ射線輻照對增強型AlGaN/GaN HEMT器件性能會起到了一定的改善作用。

ON-state偏置是本次輻照最惡劣的偏置條件，有研究表明［23］，在AlGaN/GaN HEMT器處于導通狀態(tài)下，且柵漏極之間的電場較高時，則器件中熱電子應力就成為主導，當器件導電溝道中熱電子的能量超過異質結的導帶斷續(xù)ΔEc，這些電子將躍遷出2DEG溝道被陷阱俘獲形成界面態(tài)，進而影響2DEG濃度，導致器件性能退化加劇。此外，由于柵極電場的存在，會降低輻照引發(fā)的電子-空穴對的初始復合率，增加了逃脫初始復合的空穴的數(shù)量，缺陷密度會大大增加［24-25］。AlGaN/GaN HEMT器件加電應力前后的電荷分布示意圖如圖9所示。

圖9 AlGaN/GaN HEMT器件加電應力前后的電荷分布圖[24] (a) 電應力前，(b) 電應力后Fig.9 Charge distribution diagram of AlGaN/GaN HEMT device before and after electrical stress[24](a) Before electrical stress, (b) After electrical stress

將ON-state偏置輻照后的器件分別進行室溫和100 ℃下退火7 d，從退火試驗結果來看，退火溫度越高，退火時間越長，器件性能恢復就越快，主要是因為高溫環(huán)境會使器件發(fā)生隧穿退火或熱激發(fā)退火，降低了輻照缺陷濃度，但無論是在室溫還是100 ℃下退火，器件電學特性都難以恢復到輻照前的初始狀態(tài)，可能與退火時間較短或者輻照產(chǎn)生的界面態(tài)陷阱電荷難以通過退火去除有關。

4 結語

針對增強型AlGaN/GaN HEMT器件開展不同偏置條件下的60Co γ射線總劑量輻照試驗及不同溫度下的退火試驗，充分模擬器件各種實際工作條件，探究器件總劑量效應失效特征與損傷機理。

試驗結果表明，隨著γ射線輻照劑量的增加，不同偏置條件會導致器件電學特性發(fā)生不同程度的變化，GND-state偏置輻照后器件電學特性最為穩(wěn)定，OFF-state偏置次之，ON-state偏置輻照后器件電學參數(shù)退化最為明顯。但無論在哪種偏置條件下，器件在γ射線輻照后均出現(xiàn)飽和漏電流Idsat增大、閾值電壓Vth負漂、最大跨導gm，max增大、導通電阻Ron減小的現(xiàn)象，AlGaN層產(chǎn)生的負電荷和P-GaN柵層的正電荷是其電學性能退化主要原因，退化程度取決于二者誰占主導作用。由于器件處于導通狀態(tài)下，會使溝道中熱電子躍遷出2DEG溝道被陷阱俘獲形成界面態(tài)，進而影響2DEG濃度，加劇了總劑量輻照對器件性能的影響，與此同時，柵極電場的存在會降低輻照引發(fā)的電子-空穴對的初始復合率，增加了逃脫初始復合的空穴的數(shù)量，導致陷阱電荷的濃度增加，所以加電偏置輻照后器件的退化程度更大［24］。此外，總劑量效應引起的器件輻照損傷受外界環(huán)境的影響非常明顯，存在著與退火溫度和退火時間等因素相關的退火特性，退火試驗結果發(fā)現(xiàn)，在同一輻照劑量下，隨著退火溫度升高，退火時間增長，引起的器件退化程度隨之減小，這是因為高溫使器件發(fā)生了隧穿退火或熱激發(fā)退火，降低輻照產(chǎn)生的缺陷濃度，器件的電學性能得以部分恢復。

作者貢獻聲明邱一武負責試驗、測試以及輻射機理分析的主要工作，提出編寫思路并負責論文起草的主要工作；郭風岐負責數(shù)據(jù)整理和輻射機理分析工作；殷亞楠負責輻射機理分析工作；張平威負責輻照試驗的主要工作；周昕杰負責審核、把關論文的科學性、嚴謹性。