位移損傷效應對AlGaN/GaN HEMT器件的影響

陳柏煒,孫常皓,馬 騰,宋宏甲,王金斌,彭 超,張戰剛,雷志鋒,梁朝輝,*,鐘向麗,*

(1.湘潭大學 材料科學與工程學院,湖南 湘潭 411105;2.工業和信息化部電子第五研究所 電子元器件可靠性物理及其應用技術重點實驗室,廣東 廣州 511370)

第3代半導體氮化鎵(GaN)由于其優異的物理特性與電特性,使GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)被廣泛應用于射頻放大器和功率開關等領域;由于其良好的抗輻照特性,被應用于航空航天、深空探測、核相關等領域。GaN材料的禁帶寬度為Si的3倍(3.39 eV),臨界擊穿電場大于Si的10倍,具有極化效應引起的高二維電子氣(2DEG)濃度(1013～1014cm-2)、高二維電子氣遷移率(1 800～2 200 cm2·V-1·s-1)[1-2]、高溫高壓穩定性、高劑量輻照穩定性等優點。在航空航天環境中,質子、中子、重離子、電子、γ射線等粒子會對半導體器件造成復雜的影響[3],如質子和中子、重離子的輻射會導致位移損傷效應[4-7],電子束的輻照會造成柵極漏電流降低[8]等。在深空探測[9]、核設施等環境中,輻射的注量會比航空航天環境高得多。進行更高注量級輻照實驗,有助于剖析輻照損傷的物理機制,對器件制造的工藝優化提供參考。

高能帶電粒子產生電離損傷時,所損失的能量可在靶材料中產生電子-空穴對。質子輻照會導致器件產生位移損傷效應和電離效應,其中引起的電離效應可忽略不記[10]。由于中子本身不帶電,在入射時不會產生電離損傷。盡管次級粒子碰撞會產生少量電子-空穴對,但數量級較質子輻照產生的電子-空穴對低得多,故中子是進一步驗證AlGaN/GaN HEMT器件位移損傷效應的理想粒子。2020年,Yue等[11]對AlGaN/GaN HEMT進行總注量高達5×1014cm-2的3 MeV質子輻照,主要的退化機制被認為是溝道中帶負電的陷阱密度增加,耗盡更多電子并降低二維電子氣的載流子遷移率;2021年,Wang等[12]在中子輻照后器件反向漏電流降低并保持AlGaN/GaN器件的其他電學性能不變,但未探究中子輻照對器件的作用機理;2022年,Sun等[13]進行了3 MeV質子輻照實驗,總注量4×1014cm-2,用Poole-Frenkel模型解釋質子輻照退化機理,認為質子輻照后,器件的缺陷能級變深,電子沒有足夠的能量從陷阱態激發到導帶,因此反向柵極漏電流減小;2023年,Cui等[14]發現中子輻照會影響2DEG遷移率和HEMT的表面狀態。僅單一研究質子或中子造成的損傷,對于同樣可造成位移損傷的粒子——質子、中子,進行橫向對比尚有待研究。

在此,基于此前質子輻照位移損傷效應的研究[11,13],進行中子輻照實驗,探究器件退化的異同。本文進行3 MeV質子和14 MeV中子實驗,并對輻照前后的器件進行輸出曲線、轉移曲線、柵極漏電流-電壓(Igs-Vgs)曲線測試與深能級瞬態譜(DLTS)測試。

1 樣品和實驗裝置

本文選擇的實驗器件為Al0.18Ga0.82N/GaN HEMTs,采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法在碳化硅(SiC)襯底上制備。圖1為器件結構示意圖,器件柵長210 μm,柵寬160 μm,源漏間距3.5 μm,Al0.18Ga0.82N勢壘層18 nm,AlN間隔層1 nm,GaN緩沖層2 μm。

a——器件橫截面示意圖;b——Al0.18Ga0.82N/GaN HEMTs的微觀表面形貌圖1 器件結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of device structure

質子輻照實驗在北京大學重離子物理研究所EN-18質子加速器中進行,質子能量為3 MeV,注量率為1.48×1010cm-2·s-1,束斑面積為2 cm×2 cm的區域,并將兩個器件分別累計注量達到4×1014cm-2和1×1015cm-2。整個質子輻照期間質子處于正入射。未對器件施加偏置電壓,器件所有管腳全部懸空。中子輻照實驗在合肥物質科學研究院中子源進行,中子能量為14 MeV,注量率為2×107cm-2·s-1,將兩個器件累計注量分別達到1.2×1012cm-2和2×1013cm-2。整個輻照期間未對器件施加偏置電壓,器件所有管腳全部懸空,實驗在室溫下進行。

使用SRIM軟件模擬質子非電離能量沉積率的等效結果,3 MeV質子的非電離能量沉積率為5.156×10-2MeV·cm2·g-1,結果與文獻[15]相符;14 MeV中子的非電離能量沉積率約為2×10-3MeV·cm2·g-1[15],與ATSM標準[16]相符。

2 輻照測試結果

采用KEYSIGHT B1500A半導體器件分析儀測試了質子、中子輻照前后器件的電學特性。通過飽和輸出曲線、閾值電壓、峰值跨導和柵極漏電流分析,發現輻照后AlGaN/GaN HEMTs器件電學特性退化。

2.1 質子輻照

圖2為兩種器件質子輻照前后的輸出曲線、轉移曲線和Igs-Vgs曲線的對比。在較高的質子累積注量下,器件的飽和漏極電流(Ids)退化更為嚴重。當質子注量累積到4×1014cm-2時,飽和漏極電流下降16%;當質子累積到1×1015cm-2時,飽和漏極電流下降37%。在轉移曲線測試中,漏極電壓為2 V,柵極電壓從-5 V掃描到1 V,如圖2c、d所示閾值電壓正向漂移分別為0.29 V(正向漂移13%)和0.54 V(正向漂移24%)。在Igs-Vgs的測試中,柵極電壓從-20 V掃描到2 V。從圖2e～f可看出,當質子注量累積到4×1014cm-2時,反向柵極漏電流變化不大,總體趨勢略有增加。然而,當質子注量累積到1×1015cm-2時,反向柵極漏電流下降1個數量級。兩個器件的正向柵極漏電流幾乎無變化,這意味著器件的肖特基勢壘高度無變化[16-18]。

圖2 質子輻照前后的輸出曲線(a、b)、轉移曲線(c、d)和Igs-Vgs曲線(e、f)Fig.2 Output curves (a, b), transfer curves (c, d) and Igs-Vgs curves (e, f) before and after proton irradiation

2.2 中子輻照

14 MeV中子輻照前后的輸出曲線、轉移曲線和Igs-Vgs曲線如圖3所示。中子注量累積到1.2×1012cm-2時,器件的飽和漏極電流輕微下降;當中子注量累積到2×1013cm-2時開始有退化趨勢,并且閾值電壓正向漂移更明顯。反向柵極漏電流在1.2×1012cm-2時幾乎無變化,在2×1013cm-2時開始增加,而兩個器件的正向柵極漏電流幾乎無變化。

圖3 中子輻照前后的輸出曲線(a、b)、轉移曲線(c、d)和Igs-Vgs曲線(e、f)Fig.3 Output curves (a, b), transfer curves (c, d) and Igs-Vgs curves (e, f) before and after neutron irradiation

3 分析與討論

GaN基器件被進行過大量研究。質子輻照GaN基器件時,一般會出現飽和漏極電流降低、閾值電壓正向漂移、峰值跨導降低等現象,但反向柵極漏電流顯著降低[11,19-20]。本文使用DLTS分析了反向柵極漏電流的機理。DLTS方法是表征深層雜質能級最靈敏的電測量技術,它基于空間電荷區域的雜質電荷通過電壓脈沖顯示出的電容變化來表征。使用DLTS方法測量由該過程引起的電容變化,可確定深層雜質的濃度分布、活化能和橫截面。

圖4為質子輻照前后的DLTS測試圖。在DLTS測試圖(圖4a)中,縱坐標d為電容,通常認為顯示的是缺陷濃度(NT)的相對值[13],而NT與缺陷表面態的濃度(NS)有關,故測試時應保持輻照前后NS一致;橫坐標為溫度,代表著該缺陷在此溫度下被激發,通過DLTS測試圖峰值電容的位置擬合出阿倫尼烏斯(Arrhenius)曲線,通過擬合得出缺陷能級。

圖4 質子輻照前后DLTS測試結果以及阿倫尼烏斯圖Fig.4 DLTS spectra test results and Arrhenius plots determined before and after proton irradiation

器件受到質子輻照后會在0.85 eV能級產生氮間隙缺陷[21-22],與圖4c中Arrhenius曲線擬合出的(0.863±0.020) eV能級非常相似。因此推測AlGaN/GaN HEMTs在質子輻照后缺陷類型變為氮間隙缺陷。反向柵極漏電流的降低是由于質子輻照后處于缺陷狀態的原子發生位移所致,質子將缺陷原子從導帶附近移動到更深的位置,缺陷能級的加深降低了反向柵極漏電流,并且缺陷俘獲載流子導致部分缺陷復合,缺陷濃度降低,載流子濃度降低也會使反向柵極漏電流降低。

在14 MeV中子實驗后,進一步分析了位移損傷效應對AlGaN/GaN HEMTs器件的影響。圖5為中子輻照前后的DLTS測試結果,輻照后峰值電容增加(缺陷濃度增加),峰值左移,這意味著缺陷能級變得更淺。與質子輻照后的測試結果相同,中子輻照后的能級為0.855(0.850±0.020) eV,缺陷類型為氮間隙缺陷,但缺陷濃度升高使反向柵極漏電流升高。

圖5 中子輻照前后DLTS測試結果以及阿倫尼烏斯圖Fig.5 DLTS spectra test results and Arrhenius plots determined before and after neutron irradiation

本文中質子輻照前后缺陷類型發生改變,并且質子與氮原子發生碰撞,導致原子移位(DLTS測試表現為峰值右移,缺陷能級加深),即質子輻照產生的位移損傷效應才是導致AlGaN/GaN HEMTs器件性能發生變化的根本原因。由于中子本身不帶電,受到中子輻射后的器件性能發生變化的原因主要為位移損傷效應(中子碰撞產生的次級粒子導致的電離效應對器件造成的影響較質子入射導致的電離效應還要低得多)。而且中子輻照后的器件電學性能退化趨勢(如飽和漏極電流降低、閾值電壓正向漂移、峰值跨導下降)與質子輻照后一致,都認為是輻射粒子入射器件引起的氮間隙缺陷發生位移導致的位移損傷效應。由于實驗條件的限制,本實驗中的中子與質子的等效注量略有差異,但電學性能退化趨勢相同。

4 結論

在AlGaN/GaN HEMT器件上進行了3 MeV質子和14 MeV中子輻照實驗。當質子注量達到1015量級時,器件的電學特性發生退化,并且隨著質子注量的增加,器件退化更為嚴重,缺陷俘獲載流子導致部分缺陷復合,缺陷濃度降低,載流子濃度降低使反向柵極漏電流降低。而中子注量達到1013量級時,器件的電學特性同樣發生退化,但缺陷濃度增加使反向柵極漏電流有所增加。DLTS驗證表明,質子輻照退化機理與中子輻照一致,輻照后能級為(0.850±0.020) eV,推測缺陷類型為氮間隙缺陷,質子輻照和中子輻照后氮間隙缺陷主導的位移損傷效應是AlGaN/GaN HEMT器件性能變化的主要原因。