重離子輻射對AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管低頻噪聲特性的影響*

呂玲 邢木涵 薛博瑞 曹艷榮 胡培培 鄭雪峰 馬曉華 郝躍

1) (西安電子科技大學微電子學院,西安 710071)

2) (西安電子科技大學機電工程學院,西安 710071)

3) (中國科學院近代物理研究所,蘭州 730000)

1 引言

寬禁帶氮化鎵(GaN)具有電子飽和速度高、臨界擊穿電場高、熱導率高和直接帶隙等優點,是制備微波射頻和電力電子器件的理想半導體材料.AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管(high election mobility transistor,HEMT)由于其優異的電學性能和超強的抗輻射特性,在衛星通信、雷達和核反應堆等關鍵領域具有重要的應用前景[1–3].在輻射環境中,輻射粒子會與半導體器件相互作用,產生許多新的失效機制,如柵退化、陷阱俘獲和釋放、熱載流子產生導致開啟電阻增大、器件擊穿、閾值電壓漂移、柵泄漏電流增大等,直接導致器件性能退化甚至失效[4–6].在空間輻射環境中,范艾侖輻射帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線都存在重離子.因此,本文重點關注AlGaN/GaN HEMT 器件的高能重離子輻射效應.

重離子入射AlGaN/GaN HEMT 器件,主要引起總劑量效應、單粒子效應和位移損傷效應.美國Vanderbilt 大 學Fleetwood 小組和Florida 大學Pearton 小組長期致力于AlGaN/GaN HEMT器件輻射效應研究,大量試驗結果表明,AlGaN/GaN HEMT 器件具有極強的抗總劑量效應[7,8].自2007 年以來,研究者針對AlGaN/GaN HEMT器件重離子輻射導致的單粒子效應展開了研究,發現了單粒子燒毀(single event burnout,SEB)和單粒子柵穿(single event gate rupture,SEGR)現象[9,10].此效應對于功率器件更為明顯[11],而射頻器件幾乎觀察不到[12].因此,針對AlGaN/GaN HEMT 射頻器件,重點關注其重離子輻射引起的位移損傷效應[13].重離子穿過器件時,會在器件不同位置產生間隙、空位、絡合物等缺陷,缺陷或者缺陷簇聚集甚至形成潛在離子徑跡,從而造成器件性能的退化.Lei 等[14]利用800 MeV 的Bi 離子輻射AlGaN/GaN HEMT 器件,輻射后器件的漏極電流和最大跨導分別下降6.8%和3.2%,柵漏電流增大了5 倍以上,柵延遲也急劇增加,并認為重離子輻射產生的缺陷會導致二維電子氣濃度降低.Sasaki 等[15]采用18 MeV Ni 重離子輻射AlGaN/GaN HEMT 器件后發現有位錯環產生,但沒有發現條形的徑跡.Hu 等[16]采用快重離子以不同的注量輻射AlGaN/GaN HEMT 器件,器件電學特性退化顯著,閾值電壓正漂了85%,最大飽和電流降低了約兩個數量級.通過透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM),首次在209Bi 重離子輻射后的GaN 中觀察到連續的粒子徑跡.Challa 等[17]用75 MeV 硫離子輻射HEMT器件,發現在較高的注量下可以誘發較大的閾值電壓漂移.分析認為,重離子輻射在緩沖層中形成受主缺陷是GaN 基HEMT 器件退化的主要機制.

縱觀國內外關于AlGaN/GaN HEMT 器件重離子輻射位移效應研究進展,均是僅獲得了器件電學特性退化規律,并未對輻射缺陷進行詳細表征分析.因此,本文采用了微光顯微鏡(EMMI)和低頻噪聲法,對重離子輻射前后器件中缺陷從直觀上進行甄別和定位.EMMI 由電激勵而引起的光激發,可以應用于探測非常微弱的光.在失效分析中,器件會因為存在漏電和熱載流子效應而發光[18].半導體器件噪聲的大小可以敏感地反映器件內在質量和可靠性的優劣.通過低頻噪聲測試可以表征半導體器件中包含的陷阱信息,可以充分地反映器件的可靠性問題[19,20].

2 實 驗

本次實驗所采用的AlGaN/GaN HEMT 器件結構示意圖如圖1 所示.AlGaN/GaN HEMT 器件是在西安電子科技大學寬帶隙半導體技術國家重點學科實驗室工藝平臺上制備完成.采用金屬-有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)在藍寶石上依次生長AlN成核層,2 μm 的無摻雜氮化鎵緩沖層,22 nm 厚的Al0.3Ga0.7N 勢壘層.源、漏極為歐姆接觸,金屬為Ti/Al/Ni/Au (20 nm/160 nm/55 nm/45 nm),柵極為肖特基接觸,金屬為Ni/Au/Ni(45 nm/100 nm/20 nm).在器件表面制備了厚度為180 nm 的氮化硅鈍化層,柵長和柵寬分別為0.2 μm 和50 μm.

圖1 AlGaN/GaN HEMT 器件結構示意圖Fig.1.Schematic cross-section of AlGaN/GaN HEMT.

輻射實驗是在蘭州重離子加速器裝置完成的,室溫下用2.1 GeV 能量的181Ta32+輻射AlGaN/GaN HEMT 器件,輻射注量分別為1×108,1×109,1×1010ions/cm2.每一個注量點實驗樣品8 只以上,確保電學參數測試時獲得統計數據,提高實驗可信度.輻射實驗完畢,器件放置2 h 以上,利用Keithely 4200 半導體參數分析儀對器件輸出、轉移等特性進行初測,從而提取器件閾值電壓、最大飽和漏極電流隨重離子輻射注量的變化規律.再對輻射樣品進行EMMI 測試和低頻噪聲測試,實現對重離子輻射缺陷的定位和表征.

3 實驗結果分析

3.1 AlGaN/GaN HEMT 器件電學特性變化

圖2 顯示了重離子輻射前后器件閾值電壓變化.隨著輻射注量的增加,閾值電壓逐漸正漂,重離子輻射后,器件電學參數顯著退化.當輻射注量為1×1010ions/cm2時,閾值電壓Vth正向漂移了約25%.

圖2 重離子輻射前后器件閾值電壓變化Fig.2.Change of threshold voltage before and after heavy ion radiaton.

AlGaN/GaN HEMT 器件Vth主要和Al 組分、摻雜濃度、勢壘層厚度有關,如考慮極化效應、界面態、緩沖層陷阱等,可以表示成如下公式[21]:

其中,?b是肖特基勢壘高度,σ 是AlGaN/GaN 界面極化電荷密度,d是AlGaN 勢壘層厚度,ε是AlGaN 層介電常數,?Ec是AlGaN/GaN 界面導帶帶階,Ef0是GaN 側 量子阱底部導帶能量與費米能級的距離,Nbarrier(x) 是AlGaN 勢壘層有效電離雜質濃度,Nst是表面態密度,Nbuffer是緩沖層缺陷濃度,Cb是緩沖層-溝道電容,q是單位電子電荷.

重離子輻射導致的位移損傷在異質結各層中引入深能級陷阱和電子陷阱,通過載流子去除效應和增加陷阱輔助隧穿,改變Nbarrier(x) ,Nbuffer,Nst和?b,最終造成Vth的漂移、漏電流、跨導和柵泄漏電流的退化.如果在柵極下方的AlGaN 勢壘層中引入大量的負電荷,耗盡溝道中的二維電子氣(2DEG),能帶提升,使得Vth正向漂移.因此,可認為重離子輻射的位移損傷導致在AlGaN 勢壘層和GaN 緩沖層中引入了負電性的類受主缺陷,該類陷阱減小了溝道中的2DEG 濃度,從而導致輻射后器件Vth正向漂移.

重離子輻射前后不同柵壓下的最大飽和電流如圖3 所示.可以看到隨著輻射注量的增加,在不同柵壓下飽和電流出現下降趨勢.當柵壓為2 V 條件下,輻射注量為1×1010ions/cm2時,器件的最大飽和電流為672 mA/mm,而輻射前的最大飽和電流值為782 mA/mm.

圖3 重離子輻射前后不同柵壓下的最大飽和電流Fig.3.Maximum saturation current under different gate voltages before and after heavy ion radiation.

漏極最大飽和電流可以表示為

其中,WG是柵寬,vsat是載流子飽和速度,ε0εAlGaN是AlGaN 勢壘層介電常數,ε0是真空介電常數,dAlGaN是AlGaN 勢壘層厚度,Vgs是柵電壓.

最大飽和電流的降低是由于2DEG 濃度和飽和載流子速度降低引起的.重離子輻射產生的位移效應引入了大量的缺陷.缺陷通過庫侖散射降低了載流子遷移率,通過載流子復合和去除降低了2DEG濃度.在注入電流較大或載流子濃度較高時,載流子間的散射會更為嚴重,進而造成載流子遷移率的減小.因此隨著輻射注量的增加,位移損傷越嚴重,產生的缺陷越多,導致飽和電流出現下降的趨勢.

3.2 AlGaN/GaN HEMT 器件微觀顯微變化

對重離子輻射前后的器件進行EMMI 測試,分析重離子輻射所導致的缺陷位置.圖4 顯示重離子輻射前后在柵電壓Vgs=–7 V 和漏源電壓Vds=30 V 時的EMMI 測試結果圖,其中(a)輻射前,(b) 1 × 108ions/cm2,(c) 1 × 109ions/cm2,(d) 1 × 1010ions/cm2.可以看到輻射前和輻射后都出現不同數量的“熱點”,通過“熱點”可以定位器件輻射缺陷的密度.HEMTs 器件的柵極為肖特基接觸,柵極電子在表面態和勢壘層缺陷的輔助作用下,很容易跨越肖特基勢壘進入異質結的2DEG溝道,發生嚴重的柵關態漏電,導致器件亞閾值特性惡化.因此“熱點”越多,引入的輻射缺陷就越多,說明器件輻射損傷就越嚴重,泄漏電流也就越大.在注量為1×108ions/cm2和1×109ions/cm2重離子輻射后,“熱點”數量基本沒有發生變化,說明對器件的輻射損傷較小;在注量為1×1010ions/cm2重離子輻射后,“熱點”數量明顯增加,說明輻射后漏電增大,輻射導致缺陷密度增大,對器件損傷較為嚴重.

圖4 重離子輻射前后EMMI 測試結果圖 (a)輻射前;(b) 1×108 ions/cm2;(c) 1×109 ions/cm2;(d) 1×1010 ions/cm2Fig.4.EMMI test results before and after heavy ion radiation: (a) Before radiation;(b) 1×108 ions/cm2;(c) 1×109 ions/cm2;(d) 1×1010 ions/cm2.

3.3 AlGaN/GaN HEMT 器件噪聲特性變化

通過FS-Pro 系列半導體參數測試系統對重離子輻射前后的AlGaN/GaN HEMT 器件的 1/f噪聲進行測試,表征重離子輻射在器件中引入的缺陷.在噪聲測試中,給漏極施加0.15 V 電壓,柵壓從閾值電壓附近逐漸增大.圖5 為原始器件在不同柵壓下的歸一化功率譜密度測試結果.這里SID是溝道電流漲落的噪聲功率譜密度,ID是溝道電流.從圖5 可以發現隨著柵壓的增大,噪聲逐漸減小,通過數據擬合可得到頻率指數因子γ的數值為0.98 非常接近1,是屬于1/f噪聲的特征.

圖5 輻射前器件在不同柵壓下的噪聲測試結果Fig.5.Noise test results of the devices under different gate voltages before irradiation.

圖6 顯示了在重離子輻射前后AlGaN/GaN HEMT 器件在Vgs–Vth=1 V 時漏極電流噪聲歸一化功率譜密度與輻射注量的關系.可以看出在1 V 的過驅動電壓下,隨著輻射注量的增加,噪聲功率譜密度逐漸增大.表明重離子輻射后缺陷密度增大.

為了更好地分析輻射對器件缺陷密度的影響,在10 Hz 下對噪聲功率譜密度進行歸一化,其與漏極電流之間的關系如圖7 所示.可以發現,圖7 所示曲線和Svbf(gm/ID)2-ID曲線具有很好的相關性,表明可以用載流子漲落模型來分析溝道界面附近缺陷對載流子的俘獲和釋放所產生的1/f噪聲[22,23].這里,Svbf是功率譜密度,gm是跨導,ID是漏極電流.載流子漲落模型認為半導體導帶或價帶的載流子通過隧道貫穿與表面氧化層中的陷阱相互作用,是引起1/f噪聲的主要原因[24].通過數據擬合使Svbf(gm/ID)2-ID曲線與測量得到的歸一化功率譜密度數據有良好的匹配,從直流的數據提取gm/ID.基于載流子漲落模型,公式表示如下[25]:

圖7 重離子輻射前后歸一化漏極電流噪聲與漏極電流的函數關系Fig.7.Normalized drain current noise as a function of drain current before and after heavy ion irradiation.

從圖7 可以看到: 輻射前Svbf的數值為7.09×10–11V2/Hz;輻射后注量為1×108ions/cm2,1×109ions/cm2,1×1010ions/cm2時Svbf的數值分別為9.75×10–11V2/Hz,1.17×10–10V2/Hz,1.75×10–10V2/Hz.由此可以看出,隨著重離子輻射注量的增大,Svbf的數值逐漸增大.而Svbf的數值又與器件的缺陷密度有關:

其中,λ 是AlGaN/GaN 層隧穿衰減距離[26],λ=0.5 nm;W和L分別表示柵寬和柵長;CAlGaN是AlGaN 層勢壘電容.由(4)式可以得到缺陷的密度Nit.

通過(4)式求得器件輻射前的缺陷密度是1.29 ×1018eV–1·cm–3,輻射后注量為1 × 108ions/cm2,1 × 109ions/cm2,1 × 1010ions/cm2時缺陷密度分別為1.77 × 1018eV–1·cm–3,2.12 × 1018eV–1·cm–3,3.19 × 1018eV–1·cm–3.從Nit的結果可以發現,隨著重離子輻射注量的增加,缺陷密度逐漸加大,對器件造成更加嚴重的影響.這可能是由輻射誘導的界面態、邊界陷阱和陷阱電荷相互作用引起的.

遷移率漲落模型是Hooge 從經驗公式出發提出的,該模型認為1/f噪聲是一種效應,因而對于不同結構的器件參數(即所謂的Hooge 參數)應具有相同的值[27].目前,基于遷移率漲落機制的Hooge參數能反映半導體的本征缺陷,Hooge 參數αCH越大,所對應的半導體器件缺陷越多.

歸一化漏極電流噪聲的Hooge 方程為

其中,ACH為器件溝道面積,NCH為溝道中載流子濃度.在器件的線性工作區且漏極電壓比較低的時候,溝道中的載流子濃度與柵極所加的偏壓成正比,公式為

通過(5)式和(6)式對輻射前和輻射注量為1×1010ions/cm2的噪聲曲線進行擬合得到不同的過驅動電壓下的Hooge 參數.從圖8 可以發現,輻射后的Hooge 參數明顯高于輻射前,說明輻射引入了大量缺陷.AlGaN/GaN HEMT 器件柵極下方的空間電荷區陷阱能產生1/f噪聲.Achouche等[28]認為陷阱的俘獲和釋放引起溝道電導的1/f噪聲調制,從而導致漏極電流的1/f波動.因此,可認為輻射導致AlGaN/GaN HEMT 器件缺陷密度增大,寄生串聯電阻增大,導致Hooge 參數αCH變大.

圖8 輻射前后Hooge 參數和過驅動電壓的關系Fig.8.Relationship between Hooge parameters and overdrive voltage before and after heavy ion irradiation.

為了更準確定位1/f噪聲源,對輻射前后的噪聲數據進行處理.如圖9 所示,展示了輻射前后歸一化漏極電流噪聲和過驅動電壓(Vgs–Vth)的關系.從圖9(a)能觀察到兩個斜率為

圖9 歸一化漏極電流噪聲與過驅動柵壓的函數關系 (a)輻射前;(b)輻射后Fig.9.Function relationship between normalized drain current noise and overactuated gate voltage: (a) Before radiation;(b) after radiation.

從圖9(b)能觀察到3 個斜率為

我們認為產生1/f噪聲主要是由柵下溝道電阻Rg和非柵極區域的固有電阻Ru產生,其中Rg隨Vgs的變化而變化,Ru為定值.噪聲由哪部分電阻主導,可以由斜率得到.產生的總噪聲為

由2DEG 引起的1/f噪聲其經驗關系式為

其中,N為溝道載流子數目,α是單位溝道面積的Hooge 參數.與柵壓有關的兩部分噪聲可以寫成:

其中,Ng是柵下溝道的載流子數,Nu為非柵極區域的溝道的載流子數.

從圖9(b)可以觀察到有3 個不同的斜率,主要有3 種情況.

1)當柵極電壓比較低時,主要在閾值電壓Vth附近時,器件溝道中只有很少量的電子,在這種情況下,柵下溝道區域的電阻Rg大于非柵極區域電阻Ru,1/f噪聲主要是由柵下溝道區域貢獻.此時,1/f噪聲為

2)當柵極電壓繼續增大時,溝道中逐漸出現大量的電子,柵下溝道區域的電阻Rg逐漸降低,并且低于非柵極區域電阻Ru.此時,1/f噪聲為

3)當柵極電壓比較大的時候,此時的電阻和1/f噪聲主要是由非柵極區域決定,與柵極電壓無關.此時,1/f噪聲為

從圖9 可以發現,在過驅動電壓大于0.01 V,小于0.1 V 時,斜率為–1,表明此時1/f噪聲主要是由柵下溝道區域產生,隨著過驅動電壓的逐漸增大,斜率變為–3,說明此時1/f噪聲主是由非柵極區域產生.隨著柵壓逐漸增大,柵下溝道電阻逐漸減小,并且小于非柵極區域的電阻.對比圖9(a),(b)可以發現,在重離子輻射注量為1×1010ions/cm2的測試結果中,當過驅動電壓大于1 V 時,斜率變為0,說明此時1/f噪聲主要是由非柵極區域的電阻決定,而在輻射前的器件中并沒有出現.我們認為重離子輻射引入的缺陷會導致AlGaN/GaN HEMT 器件的寄生串聯電阻變大,從而增加1/f噪聲.輻射缺陷會導致AlGaN 表面形成較高的表面態密度,增加AlGaN/GaN 界面陷阱態,使得HEMT 器件柵極泄漏電流偏大,特別是在射頻信號的驅動下,器件的柵極一旦處于開啟狀態下,就會導致柵極電流呈指數增大,從而造成肖特基接觸退化.當HEMT 器件在射頻信號下連續工作時,這種高的柵極漏電就會嚴重影響器件長期工作的可靠性,導致柵極泄漏電流增大,降低 AlGaN/GaN HEMT 器件的擊穿電壓和功率附加效率,增大噪聲系數.

4 結論

本文研究了重離子輻射對AlGaN/GaN HEMT器件造成的位移損傷效應.隨著重離子輻射注量的增加,位移損傷引入的缺陷越多.這些缺陷通過載流子俘獲和去除效應減小2DEG 濃度,缺陷還會成為附加散射中心從而使遷移率減小,導致器件電學特性逐漸退化.在1×1010ions/cm2注量的重離子輻射后,器件電學特性退化嚴重,閾值電壓正向漂移25%,漏極飽和電流退化明顯.對重離子輻照前后的器件進行EMMI 測試分析輻照引入的缺陷位置,發現注量為1×1010ions/cm2重離子輻射后,“熱點”數量明顯增多,說明輻射導致缺陷密度增大,對器件損傷較為嚴重.對重離子輻射前后的AlGaN/GaN HEMT 器件進行低頻噪聲測試,發現輻射后器件的電流噪聲功率譜密度由于輻射缺陷的引入而變大.通過噪聲數據擬合,發現輻射后的缺陷密度隨著注量的增加而逐漸變大.在輻射注量為1×1010ions/cm2時,缺陷密度達到3.19×1018cm–3·eV–1.對漏極電流噪聲歸一化功率譜密度與偏置電壓進行擬合,發現重離子輻射所引入的缺陷會使寄生串聯電阻變大.