氮化鎵基高電子遷移率晶體管單粒子和總劑量效應(yīng)的實驗研究*

陳睿 梁亞楠 韓建偉2) 王璇2) 楊涵2)陳錢2) 袁潤杰2) 馬英起2) 上官士鵬

1) (中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心， 北京 100190)

2) (中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

利用重離子加速器和60Co γ射線實驗裝置， 開展了p型柵和共柵共源級聯(lián)結(jié)構(gòu)增強型氮化鎵基高電子遷移率晶體管的單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)實驗研究， 給出了氮化鎵器件單粒子效應(yīng)安全工作區(qū)域、總劑量效應(yīng)敏感參數(shù)以及輻射響應(yīng)規(guī)律.實驗發(fā)現(xiàn)， p型柵結(jié)構(gòu)氮化鎵器件具有較好的抗單粒子和總劑量輻射能力， 其單粒子燒毀閾值大于37 MeV·cm2/mg， 抗總劑量效應(yīng)水平高于1 Mrad (Si)， 而共柵共源級聯(lián)結(jié)構(gòu)氮化鎵器件則對單粒子和總劑量輻照均很敏感， 在線性能量傳輸值為22 MeV·cm2/mg的重離子和累積總劑量為200 krad (Si)輻照時， 器件的性能和功能出現(xiàn)異常.利用金相顯微鏡成像技術(shù)和聚焦離子束掃描技術(shù)分析氮化鎵器件內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)， 揭示了共柵共源級聯(lián)結(jié)構(gòu)氮化鎵器件發(fā)生單粒子燒毀現(xiàn)象和對總劑量效應(yīng)敏感的原因.結(jié)果表明，單粒子效應(yīng)誘發(fā)內(nèi)部耗盡型氮化鎵器件的柵肖特基勢壘發(fā)生電子隧穿可能是共柵共源級聯(lián)結(jié)構(gòu)氮化鎵器件發(fā)生源漏大電流的內(nèi)在機制.同時發(fā)現(xiàn)， 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管是導(dǎo)致共柵共源級聯(lián)結(jié)構(gòu)氮化鎵器件對總劑量效應(yīng)敏感的可能原因.

1 引 言

隨著空間衛(wèi)星、深空探測等航天技術(shù)的不斷發(fā)展， 對于耐高溫、大功率、小型化、適應(yīng)極端輻射環(huán)境的電源系統(tǒng)需求日益明顯[1-4].氮化鎵(GaN)基功率器件作為寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的核心代表之一，相較于傳統(tǒng)的硅器件具有擊穿電壓高、導(dǎo)通電阻小以及耐高溫等優(yōu)點， 可滿足新一代航天器電源系統(tǒng)的應(yīng)用需求.由于采用異質(zhì)結(jié)層替代柵氧層工藝，GaN等寬禁帶器件天然具有較好的抗總劑量效應(yīng)(total ionizing dose effect， TID)能力， 但其對空間高能粒子導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)(single event effect， SEE)較為敏感[5-7].目前國內(nèi)外針對GaN器件的總劑量效應(yīng)研究相對較多， 主要涉及抗輻射GaN材料和工藝加固設(shè)計、p型柵結(jié)構(gòu)增強型GaN器件的實驗評估和影響因素研究.相關(guān)實驗研究發(fā)現(xiàn)， 增強型GaN器件的抗總劑量水平可達到1 Mrad(Si)， 并初步揭示了其總劑量輻射損傷機理[7-13].但目前有關(guān)共源共柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)(Cascode)GaN高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor， HEMT)器件的總劑量效應(yīng)研究報道較少， 尤其是對比研究不同電路結(jié)構(gòu)GaN HEMT器件的總劑量效應(yīng)的特征與規(guī)律尚存在明顯不足.相對于總劑量效應(yīng)， GaN器件單粒子效應(yīng)研究相對薄弱， 主要集中在GaN器件單粒子失效模式和表現(xiàn)特征的實驗研究， 以及相關(guān)輻射損傷機理研究存在不足， 嚴重制約了GaN器件在航天器電源系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用.

本文針對GaN Systems公司p型柵結(jié)構(gòu)和Transphorm公司共源共柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)的增強型GaN HEMT器件， 利用重離子加速器和60Coγ射線分別進行了單粒子燒毀(single event burnout，SEB)效應(yīng)和總劑量效應(yīng)實驗研究， 獲得了GaN HEMT的輻射響應(yīng)特征、敏感參數(shù)和區(qū)域， 并揭示了Cascode型GaN HEMT對SEB和總劑量輻射敏感的物理機理.

2 實驗條件和樣品

利用中國原子能科學(xué)院H-13串列加速器， 開展了GaN HEMT的SEB效應(yīng)研究.輻照離子分別為能量169 MeV的48Ti離子和210 MeV的74Ge離子， 線性能量傳輸值(linear energy transfer， LET)分別為21.8和37 MeV·cm2/mg， 束流強度和注量分別為2 × 104cm—2/s和5 × 106cm—2.利用北京大學(xué)60Coγ射線總劑量實驗?zāi)M源， 開展了GaN HEMT的總劑量效應(yīng)研究， 輻照劑量率為100 rad(Si)/s， 累積輻照總劑量分別為200 krad(Si)，500 krad(Si) 和1 Mrad(Si)， 輻照實驗參數(shù)采用在線測試.總劑量輻照后采用室溫168 h退火測試，單粒子和總劑量實驗現(xiàn)場圖如圖1所示.

圖1 實驗現(xiàn)場 (a)單粒子效應(yīng)實驗現(xiàn)場; (b)總劑量效應(yīng)實驗現(xiàn)場Fig.1.Experiment setup: (a) SEE experiment; (b) TID experiment.

單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)實驗樣品分別選用同一批次GaN Systems公司650 V GS0650111L型和Transphorm公司900 V TP90H180PS型的GaN HEMT各5片， 正面開封圖如圖2所示， 實驗樣品信息如表1所列.單粒子效應(yīng)實驗器件均經(jīng)過正面開蓋處理且功能測試正常.GaN HEMT單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)的輻照實驗電路參照MILSTD-750D標準， 如圖3所示， 在器件漏源端和柵源端分別通過串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容接入Keithley2470和2450型圓表， 用來提供器件的偏置電壓和監(jiān)測器件漏源端電流、閾值電壓等電學(xué)參數(shù)變化.GaN HEMT單粒子效應(yīng)實驗偏置條件采用關(guān)態(tài)偏置: 漏源電壓Vds為0—650 V(900 V)， 柵源電壓Vgs為—5， —3， —1和0 V.總劑量效應(yīng)實驗偏置條件采用關(guān)態(tài)和開態(tài)兩種偏置， 其中關(guān)態(tài)偏置:Vds與Vgs均為0 V， 開態(tài)偏置:Vgs為2.6 V，Vds為1 V.

圖2 GaN器件開封裝圖 (a) GS0650111L; (b) TP90H-180PSFig.2.The decapping photograph of GaN device: (a) GS0-650111L; (b) TP90H180PS.

表1 實驗樣品的參數(shù)Table 1.Parameters of the tested sample.

圖3 單粒子和總劑量效應(yīng)實驗電路原理圖Fig.3.Schematic diagram of SEE and TID test circuit.

3 實驗結(jié)果

3.1 單粒子效應(yīng)實驗結(jié)果

圖4 (a) GS0650111L和TP90H180PS器件安全工作區(qū)域; (b)漏、柵端電流隨時間的變化Fig.4.(a) Safe operating area of GS0650111L and TP90H180PS; (b) the variations of drain current and gate current with time.

圖4 (a)給出了GS0650111L和TP90H180PS器件分別在能量為210 MeV的Ge (LET值為37 MeV·cm2/mg)和能量為169 MeV的Ti (LET值為22 MeV·cm2/mg)離子輻照下， 器件漏源電壓Vds隨柵源電壓Vgs的變化關(guān)系， 即器件SEB效應(yīng)的安全工作區(qū)域.當(dāng)入射粒子LET值分別為37和22 MeV·cm2/mg時， 隨著器件的柵極電壓Vgs從—5 V增加到0 V， GS0650111L和TP90H-180PS器件的漏極電壓Vds分別保持650和50 V不變.GS0650111L和TP90H180PS器件漏端電流Id和柵端電流Ig隨輻照時間的變化如圖4(b)所示， 在粒子LET值為37 MeV·cm2/mg輻照下，GS0650111L器件漏極電壓為650 V時， 器件漏端電流Id和柵端電流Ig未出現(xiàn)明顯變化， 而當(dāng)粒子LET值降為22 MeV·cm2/mg， 器件漏極電壓為100 V時， TP90H180PS器件漏端電流Id隨時間不斷增大， 直到限流值10 mA， 柵端電流基本保持不變， 表現(xiàn)出明顯的漏端大電流現(xiàn)象.

圖5為TP90H180PS器件發(fā)生SEB效應(yīng)的實物圖， 從圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)Cascode結(jié)構(gòu)中的耗盡型GaN HEMT出現(xiàn)了SEB現(xiàn)象， 且主要發(fā)生在插指結(jié)構(gòu)的金屬布線層上， 而硅(Si)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor， MOSFET)未出現(xiàn)SEB現(xiàn)象.圖5(b)所示為利用金相顯微鏡拍照分析提取的器件SEB區(qū)域細節(jié)， 可以看到器件金屬布線層中的柵區(qū)域和漏區(qū)域之間出了明顯的燒毀現(xiàn)象.

圖5 TP90H180PS器件發(fā)生SEB的實物圖 (a) SEB敏感區(qū)域; (b) SEB區(qū)域局部示意圖Fig.5.The SEB photograph of TP90H180PS: (a) SEB sensitive areas; (b) partial enlargement of SEB sensitive areas.

3.2 總劑量效應(yīng)實驗結(jié)果

圖6 所示為TP90H180PS和GS0650111L器件工作在開態(tài)和關(guān)態(tài)偏置時， 器件漏電流隨輻照累積劑量的變化.當(dāng)器件工作在開態(tài)偏置條件時，從圖6(a)可以看到， 隨著輻照累積劑量增大到200 krad(Si)時， GS0650111L器件的漏電流從正常工作電流約2.1 nA增大到約150 μA， 當(dāng)輻照劑量累積到1 M rad(Si)時， 器件漏電流減小約為75 μA.之后， 隨著退火時間增加， 器件漏電流不斷減小， 當(dāng)經(jīng)過約50 h的室溫退火后， 器件的漏電流基本上恢復(fù)至正常工作電流值， 而TP90H180PS器件在輻照劑量累積到1 Mrad(Si)時， 器件的漏電流基本未發(fā)生變化.當(dāng)器件工作在關(guān)態(tài)偏置條件下， 漏電流約為20 nA.從圖6(b)可以看到， 當(dāng)輻照累積劑量增加到1 Mrad (Si)時， GS0650111L器件漏電流基本保持不變， 隨后經(jīng)過168 h的退火后， 器件的漏電增大到約15 μA， 此時器件的功能正常.TP90H180PS器件隨著輻照累積劑量增加，漏電流在不斷增加， 累積劑量為1 Mrad (Si)時，漏電流增大到約10 μA， 但經(jīng)過168 h小時的室溫退火后， 漏電流恢復(fù)至正常工作電流值附近.

圖6 器件漏極電流隨輻照累積劑量及退火時間(168 h)的變化 (a)開態(tài)偏置; (b)關(guān)態(tài)偏置Fig.6.The variations of drain current with cumulative dose and annealing time: (a) On-state bias; (b) off-state bias.

圖7 器件閾值電壓隨輻照累積劑量及退火時間(168 h)的變化關(guān)系 (a)開態(tài)偏置; (b)關(guān)態(tài)偏置Fig.7.The variations of threshold voltage with cumulative dose and annealing time: (a) On-state bias; (b) off-state bias.

在開態(tài)和關(guān)態(tài)輻照偏置時， TP90H180PS和GS0650111L器件閾值電壓隨輻照累積劑量的變化如圖7所示.從圖7(a)可以看到， 當(dāng)輻照時器件工作在開態(tài)偏置條件時， 隨著輻照累積劑量增大到1 Mrad (Si)時， TP90H180PS器件的閾值電壓負向偏移約為5 V， GS0650111L器件閾值電壓基本保持不變.當(dāng)經(jīng)過168 h室溫退火后， TP90H180PS器件的閾值電壓仍處于負向偏移狀態(tài)， 器件的功能出現(xiàn)異常.當(dāng)器件工作在關(guān)態(tài)偏置條件下， 由圖7(b)可見， 輻照累積劑量增加到1 Mrad(Si)時，TP90H180PS器件的閾值電壓負向偏移量約為1.7 V， 且經(jīng)168 h的退火仍未恢復(fù)， 此時器件的功能異常， GS0650111L器件隨著輻照累積劑量增加，其閾值電壓基本保持不變.

4 討 論

4.1 單粒子效應(yīng)

從圖4中在不同LET值輻照下， TP90H180PS和GS0650111L器件漏端和柵端電流隨時間的變化可以發(fā)現(xiàn)， 相對于p型柵結(jié)構(gòu)， Cascode結(jié)構(gòu)的GaN器件對單粒子效應(yīng)更加敏感.在LET值為22 MeV·cm2/mg的粒子輻照下， TP90H180PS器件工作電壓從900 V衰減到50 V， 下降近95%，此時器件的漏極電流出現(xiàn)明顯的增大， 而柵極電流基本保持不變.

重離子輻照后， TP90H180PS器件在關(guān)態(tài)模式下， 器件的柵、漏電流隨漏端電壓的變化如圖8所示.可以看到， 器件的柵極電流仍保持在納安量級， 即器件的柵源端處于截止狀態(tài)， 而隨著漏極電壓增加， 器件的漏極電流在不斷增大， 即表明器件漏源區(qū)域之間存在導(dǎo)電通道.進一步對圖9(a)所示的Cascode GaN器件內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)分析可得，TP90H180PS型GaN器件電路由低壓增強型Si MOSFET和高壓耗盡型GaN HEMT共源極、共柵極級聯(lián)組成.當(dāng)器件處于反偏截止狀態(tài)時， 低壓增強型Si MOSFET截止， 高壓耗盡型GaN HEMT的漏極、柵極以及Si MOSFET的源極可形成TP90H180PS器件的源漏漏電路徑， 導(dǎo)致器件源漏端出現(xiàn)大電流現(xiàn)象， 這可能是圖5中TP90H-180PS器件SEB區(qū)域主要在高壓耗盡型GaN HEMT的主要原因.此外， 分析圖9所示的耗盡型GaN HEMT的剖面結(jié)構(gòu)[14]可以發(fā)現(xiàn)， GaN器件的源端、柵端和漏端通過AlGaN勢壘層和GaN溝道層隔離(二者之間形成了二維電子氣).由于GaN器件柵源端接地， 內(nèi)部Si MOSFET處于截止狀態(tài)， 在耗盡型GaN HEMT和Si MOSFET G_Si及D_Si構(gòu)成的電流路徑上電流極小， 即GaN器件柵極電流很小.當(dāng)重離子入射耗盡型GaN HEMT時， 在粒子入射的徑跡上勢必產(chǎn)生大量的電子空穴對， 由于耗盡型GaN HEMT的漏柵極之間存在高壓偏置， 導(dǎo)致輻射誘發(fā)的載流子向器件AlGaN層不斷注入， 隨著輻射誘發(fā)的電子濃度在AlGaN勢壘層中不斷積累， 柵電極與半導(dǎo)體形成的肖特基勢壘寬度不斷減小， 促使輻射誘發(fā)的電子隧穿柵勢壘[15-17]， 形成耗盡型GaN HEMT的漏端、柵端和Si MOSFET源端的大電流路徑， 與圖5(b)中耗盡型GaN器件柵漏端之間出現(xiàn)SEB的現(xiàn)象一致.

圖8 重離子輻照后關(guān)態(tài)模式下Cascode器件的柵漏電流隨漏極電壓的變化Fig.8.The variations of gate/drain current with drain voltage for Cascode device in off-state mode after heavy ion irradiation.

圖9 (a) Cascode型GaN HEMT電路結(jié)構(gòu)原理圖; (b)耗盡型GaN HEMT的剖面示意圖Fig.9.(a) The circuit schematic diagram of Cascode type GaN HEMT device; (b) the cross-section diagram of the depletion type GaN HEMT.

圖10 p型柵GaN HEMT的剖面示意圖Fig.10.The cross-section diagram of the p-type gate GaN HEMT.

p型柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT的剖面結(jié)構(gòu)如圖10所示.二維電子氣存在于AlGaN勢壘層和GaN溝道層之間， 通過施加?xùn)艠O電壓控制p型GaN和n型AlGaN形成PN結(jié)的導(dǎo)通與截止， 實現(xiàn)GaN HEMT的開關(guān)特性.當(dāng)重離子入射GaN HEMT時， 輻射誘發(fā)的電子相對較難連續(xù)穿過AlGaN勢壘層和p型GaN， 形成類似耗盡型GaN HEMT的柵漏端大電流通道.相關(guān)的研究報道發(fā)現(xiàn)， 單粒子入射p型柵GaN HEMT可能會導(dǎo)致器件AlGaN勢壘層局部出現(xiàn)缺陷， 造成器件源漏端漏電增大.當(dāng)漏電流增大到一定的程度時， 會導(dǎo)致器件的介質(zhì)層被擊穿， 進而出現(xiàn)大電流現(xiàn)象.但通過聚焦離子束掃描技術(shù)(focused ion beam， FIB)發(fā)現(xiàn)， GS065-0111L器件的介質(zhì)層厚度遠大于1 μm， 較難被單粒子輻射感生載流子形成的電場擊穿， 這可能是p型柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT單粒子燒毀LET閾值相對較高的原因.

4.2 總劑量效應(yīng)

分析圖6和圖7可發(fā)現(xiàn)， 與國內(nèi)外相關(guān)GaN HEMT的總劑量實驗研究報道相一致， p型柵結(jié)構(gòu)的GS0650111 L型GaN器件具有較強抗總劑量效應(yīng)能力， 在輻照總劑量累積到1 Mrad(Si)時，在開態(tài)和關(guān)態(tài)偏置條件下， 器件的漏電流和閾值電壓基本保持不變.室溫退火時， 器件的漏電流略有增加， 但器件的輸出和轉(zhuǎn)移功能正常.由圖9(b)和圖10(a)中所示的GaN HEMT剖面圖可發(fā)現(xiàn)，GaN HEMT主要通過AlGaN勢壘層和GaN溝道層之間極化的二維電子氣漂移擴散產(chǎn)生電流， 不存在柵氧化層工藝， 總劑量效應(yīng)主要通過在p型GaN和SiN鈍化層界面或AlGaN勢壘層和GaN溝道層界面處產(chǎn)生額外的感生界面陷阱電荷， 進而影響器件的性能參數(shù)與功能[18].由于GaN HEMT界面層厚度較薄且界面陷阱電荷遷移率較低， 極大地抑制了總劑量輻射誘發(fā)界面陷阱電荷的數(shù)量和作用范圍， 這可能是p型柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT對總劑量輻射不敏感的主要原因.此外， 由于總劑量效應(yīng)累積劑量較高， 總劑量輻射感生的界面陷阱在室溫退火時可能會繼續(xù)增長， 進而造成器件漏極電流增加[19].

與p型柵GaN HEMT的總劑量輻射響應(yīng)特征相反， Cascode結(jié)構(gòu)的TP90H180PS型GaN HEMT在開態(tài)和關(guān)態(tài)偏置條件下， 均表現(xiàn)出對總劑量效應(yīng)較為敏感.在開態(tài)偏置條件下， 當(dāng)輻照總劑量累積到200 krad(Si)時， 器件的漏電流和閾值電壓出現(xiàn)明顯增加; 在關(guān)態(tài)偏置條件下， 器件的漏電流在累積劑量為500 krad(Si)時顯著增加， 器件功能出現(xiàn)異常.分析TP90H180PS型GaN HEMT的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可知， 器件漏電流、閾值電壓、開關(guān)頻率等性能參數(shù)均受低壓NMOSFET的影響.眾所周知， 商用Si NMOSFET對總劑量效應(yīng)非常敏感， 通常會造成器件的漏電流增加和閾值電壓負向偏移[20].這可能是總劑量效應(yīng)導(dǎo)致TP90H180-PS型GaN器件漏電流增加和閾值電壓負向偏移的主要原因.

5 結(jié) 論

本文利用重離子加速器和60Coγ射線實驗裝置， 分別開展了p型柵和Cascode結(jié)構(gòu)增強型GaN HEMT的單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)實驗研究.研究獲得了不同結(jié)構(gòu)GaN HEMT的單粒子效應(yīng)響應(yīng)特征及安全工作區(qū)域， 獲得了不同工作模式下， 不同結(jié)構(gòu)GaN HEMT的總劑量效應(yīng)表現(xiàn)特征與規(guī)律.值得注意的是， 研究發(fā)現(xiàn)p型柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT具有較強的抗單粒子和總劑量能力， 但是Cascode結(jié)構(gòu)的GaN HEMT對單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)均很敏感.實驗研究揭示了單粒子輻射誘發(fā)耗盡型GaN HEMT柵極肖特基勢壘發(fā)生電子隧穿可能是導(dǎo)致Cascode結(jié)構(gòu)GaN HEMT出現(xiàn)SEB的內(nèi)在機制， 以及Si NMOSFET是導(dǎo)致Cascode結(jié)構(gòu)GaN HEMT對總劑量效應(yīng)敏感的可能原因.