GaN HEMT器件电子辐照效应研究

罗尹虹 郭红霞 张科营 王圆明 张凤祁

（西北核技术研究所 西安 710024）

空间通讯系统要求器件具有强的抗辐照能力，GaN基材料由于禁带宽(3.4 eV)、原子键合强，理论上具有很强的抗辐照能力[1]。GaN中Ga原子的位移阈能为22 eV，远高于GaAs中的9.8 eV。GaN基半导体器件的抗总剂量性能，普遍达Mrad以上，明显高于Si器件。AlGaN/GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件，结合了优越的抗辐射性能和出色的微波功率、高温、高压等特性，在卫星、太空探测、核反应堆等辐射环境中具有巨大的应用前景。

虽然理论上AlGaN/GaN HEMT器件的抗辐射特性很强，但由于受到材料质量、器件工艺水平以及材料与器件结构等因素的影响，AlGaN/GaN HEMT器件的抗辐射特性还远未体现出 GaN基材料的优势。况且AlGaN/GaN异质结构材料和HEMT器件在结构、载流子产生与输运机制等方面与其他半导体器件存在很大差异，使辐射引起的AlGaN/GaN HEMT器件退化规律和退化机制变得非常复杂，需开展深入研究。近十年来，AlGaN/GaN HEMT器件在g射线、电子、质子和中子等辐射下的特性退化研究得到很大关注[2–9]。

2004年，James[8]用0.45、0.8、1.2 MeV电子照射液氮低温下的 MODFET，发现注量为 6´1016/cm2的1.2 MeV电子照射引起漏极电流Ids减小，注量为1014/ cm2的0.45 MeV电子照射则引起栅极电流Igs和漏极电流Ids增大。2007年，John等[9]报道了低温环境下低能电子对GaN基HFET电特性的影响，注量为1014/cm2的0.45 MeV电子照射使Igs和Ids增大，室温退火后Igs不变，Ids减小。

我国在GaN微波器件和材料方面起步较晚，刚开展了GaN HEMT器件的g辐照效应研究[10]，在电子辐射效应方面还没有进行深入研究，也亟需加强GaN器件辐射损伤机理和特性退化规律的研究，以提高GaN器件在航天领域的应用和可靠性。对于绕地球运行航天器威胁最大的是位于赤道上空的范·艾伦辐射带，其主要由高能质子和电子组成，是半导体器件在空间辐射环境中主要的辐射源，也是本文研究的重点。

1 材料与方法

1.1 器件制备

GaN HEMT器件，衬底为半绝缘SiC衬底，表面淀积GaN缓冲层，再淀积一层AlN插入层，最后淀积AlGaN 势垒层，通过台面刻蚀、源漏金属化、栅金属化、钝化、桥面等工艺，制成AlGaN/AlN/GaN HEMT。器件栅长0.35 mm，栅宽150 mm。

1.2 辐照

辐照实验在电子加速器上进行，电子束能量为0.8和1.2 MeV，流强2 mA，总注量5´1016/cm2。

为避免电应力对器件辐照效应的影响，器件辐照时不加偏置电压。

1.3 电参数测量

采用HP4156B 精密半导体参数分析仪在室温下测试辐射实验前后器件的直流特性，包括转移特性曲线Ids-Vgs，传输特性曲线Ids-Vds，以及栅电流曲线Igs-Vds，辐射后30min内完成器件特性测试。

2 结果与分析

图1是HEMT器件转移特性曲线随电子注量的变化关系。图1(a)为0.8 MeV电子束照射，电子注量2.5´1016/cm2时，转移特性曲线仅有轻微负漂，电子注量增至5´1016/cm2，器件阈值电压向负方向发生明显漂移，器件夹断电流增大，表明在相同栅电压下器件更难被夹断。图1(b)为1.2 MeV电子束照射，随着电子注量的增加，转移特性曲线负向漂移和夹断电流的变化量较小。

图2给出了最大峰值跨导退化量和夹断电流变化量随电子注量的变化，可以看出，相同电子注量下0.8 MeV电子引起的峰值跨导退化量和夹断电流变化量明显大于1.2 MeV。

图3和图4给出了不同栅压下器件传输特性曲线以及栅电流曲线随电子注量的变化关系。注量为2.5´1016/cm2的0.8 MeV电子束照射，器件饱和漏电流及栅电流有所增大，注量达5´1016/cm2，这两个电参量明显增大。而1.2 MeV电子束照射，器件饱和漏电流以及栅电流略有增加，它们随着电子注量的变化不很明显。

图1 HEMT器件转移特性曲线随电子注量的变化关系Fig.1 Transfer characteristic curves of the HEMT device as a function of electron fluence.

图2 HEMT器件峰值跨导退化量(a)和夹断电流增加量(b)随电子注量的变化关系Fig.2 Peak transconductance degradation factor (a) and saturation drain current increase factor (b) as a function of electron fluence.

图3 HEMT器件传输特性曲线随电子注量的变化关系Fig.3 Output characteristic curves of HEMT device as a function of electron fluence.● the virgin, ○ 2.5×10–16 /cm2, □ 5×10–16 /cm2

图4 HEMT器件栅电流曲线随电子注量的变化关系Fig.4 Gate current curves of HEMT device as a function of electron fluence,● the virgin, ○ 2.5×10–16 /cm2, □ 5×10–16 /cm2

3 讨论

3.1 辐照损伤退化机制分析

辐照前后 Ids、Vth随电子注量的变化，表明了HEMT器件性能的辐照退化影响。HEMT漏源电流Ids可用基本漏极电流模型描述，耗尽近似下式(1)可描述缺陷对二维电子气(2DEG)载流子浓的作用

其中，q是单位电荷；W 是栅宽；v(x)是与迁移率相关的电子漂移速度，其随沟道电场而变化，最大为饱和电子速度vs；ns是薄层电荷浓度。2DEG中载流子浓度ns的变化和沟道区中与v(x)相关的迁移率的变化，是AlGaN层中受辐射损伤影响的两个关键参数。载流子浓度方程可表示为式(2)，与阈值电压的相关性可表示为式(3)

其中，ns是由AlGaN 层掺杂引起的薄层载流子密度，d是栅和薄层电荷之间的距离，Vgs是栅源电压，e(x)是AlGaN的介电常数，EF是二维势阱的费米能级，x是AlGaN中的Al摩尔组份，Nd是AlGaN层掺杂浓度，d是掺杂AlGaN 层的厚度，jb(x)是肖特基的势垒高度，DEc(x)是导带不连续性，s(x)是总的薄层电荷浓度，EF是费米能级，Vth是阈值电压。

对每项参数作辐照反应分析，才能确定引起电流辐照退化的主要原因。肖特基势垒高度jb(x)、AlGaN中的掺杂浓度 Nd、极化电荷s(x)可能是受辐照影响的主要参数。辐射在异质结各层中引入的深能级陷阱和电子陷阱通过俘获载流子（载流子去除效应）和增加陷阱辅助隧穿造成影响，其中对AlGaN 势垒层会造成有效施主掺杂浓度 Nd的变化，改变有效势垒高度jb(x)，在GaN沟道层会直接改变 2DEG 浓度。这些作用会造成阈值电压的漂移，漏电流和跨导的退化，还会严重影响栅特性，因而是 HEMT 器件辐射损伤的主要机制之一。影响 HEMT器件电流输出特性的另一个主要因素就是迁移率的变化，由于强极化效应和更大的导带断续，AlGaN/GaN 异结构中形成的量子阱深而窄，其中 2DEG密度高且分布非常接近异质结界面。2DEG这一分布特点会使异质结辐射感生界面态电荷的散射作用更加显著，在考虑迁移率辐射退化上，AlGaN/GaN HEMT 器件主要以辐射感生界面态的影响机制为主。

3.2 电子辐照损伤退化机理

下面针对GaN HEMT器件电子辐照效应进行具体的分析和讨论。入射粒子与材料相互作用，使入射粒子损失的能量一般分为两种：电离能量损失IEL(Ionizing Energy Loss)和非电离能量损失 NIEL (Non-Ionizing Energy Loss)。IEL是入射粒子在与核外电子相互作用并在材料中产生电子空穴对的过程中而损失的能量；NIEL是入射粒子在与原子核相互作用并在材料中产生晶格缺陷和热的过程中损失的能量。入射粒子损失的能量也就是粒子在材料中沉积的能量。对于半导体器件，不同类型的能量沉积会产生不同的辐射损伤效应。因此，粒子在半导体器件内产生的辐射损伤的机理也分为两类：由电离能量沉积导致的电离辐射损伤效应和由非电离能量沉积导致的位移损伤效应。电离能损是剂量率相关的，是短时的，而非电离能损是总剂量相关的，是持续的。非电离能损是要素原子的位移导致空位、间隙原子和缺陷联合体的形成。

进入AlGaN和GaN材料中电子会与晶格原子发生弹性碰撞损失大量能量，这些碰撞可能导致位移损伤，晶格中的原子会离开它在晶格中的本征位置。Ga原子和N原子位移产生率是原子结合能以及碰撞传递能量的函数。材料中原子结合能通常是固有的，Ga原子束缚程度轻于N原子。碰撞传递能量主要依赖于晶格原子的质量。

Luo 等[2]计算了在 GaN中的最小位移能，Ga原子的最小位移能为22±1eV，N原子的最小位移能为 25±1eV，平均位移能量分别是 45±1eV和109±2eV。不同能量入射电子传递给晶格原子的最大能量由式(4)给出：

其中，Ee-是入射电子的能量；me-是电子质量9.1´10–31kg；matom是目标原子的质量，Ga的原子质量1.16´10–25kg，N的原子质量2.338´10–26kg；c是光速。

用式(4)计算了不同能量入射电子传递给Ga和N晶格原子的最大能量，如图5所示。Ga原子质量是N原子的5倍，因此大部分能量传递给了N原子。从图中可见，引起N原子位移所需的最小电子能量约为0.15 MeV，引起Ga原子位移所需的最小电子能量约为0.5 MeV。不同能量电子产生不同位移缺陷类型的能力，将导致不同晶格原子位移缺陷的产生率和浓度不同。电子能量在0.45 MeV以下时，只能引起N原子的位移。电子能量在0.87MeV以内时，N位移缺陷的产生率始终大于Ga位移缺陷的产生率。

图5 不同能量电子传递给Ga和N晶格原子最大能量Fig.5 Maximum energy transfer for Ga and N as a function of the incident electron energy.

由图1、图3，入射电子能量0.8 MeV时，饱和漏电流增大，阈值电压负向漂移。从对辐射损伤基本机理的分析可以推断，辐照后Ids的增加和阈值电压的负向漂移，表明辐照后在AlGaN中正电荷有初始增加。辐照时，入射电子在AlGaN层与原子发生电离和弹性碰撞，电离产生的电子空穴对，由于AlGaN内固有电场和高的电子迁移率，电子通过栅极被移去，这个电场是肖特基结和界面自发极化共同作用的结果。部分空穴与电子发生复合，其余空穴则相对不可动，缓慢向异质结界面漂移。

电子与材料晶格原子还会发生弹性碰撞，晶格原子在碰撞过程中得到能量，从而离开它正常的点阵位置，成为晶格中的间隙原子，在它原来位置处留下一个空位，空位则可与相邻原子相结合，亦可空位与空位相结合，空位亦能移动到杂质附近，与杂质原子形成空位杂质复合体。电子产生的点空穴缺陷是不可动的，分布在整个AlGaN层中，这些缺陷成为正电荷的俘获陷阱中心，从而俘获电离产生的空穴成为固定正电荷，这部分电荷产生的电场将使量子阱导带断续加深，使2DEG载流子浓度增加，从而导致漏极电流和夹断电流增大，并引起阈值电压负向漂移。

另一方面，在GaN中，由于非电离能量损失，会形成N空位贡献电子和Ga的空位接受电子。从图5的分析可知，由于能量低于0.87 MeV，形成N空位的浓度高于 Ga空位，因此将贡献电子给2DEG，也会引起载流子浓度增大和漏电流的增加。当电子能量在1.2 MeV时，形成Ga空位的浓度将高于N空位,将会从2DEG中俘获电子，从而降低载流子浓度，这也是1.2 MeV电子辐照漏极电流和阈值电压变化不明显的主要原因。

栅极电流增加主要是由于电子非电离能量损伤在AlGaN层产生的间隙原子形成深的电子陷阱，被空位俘获的固定正电荷也能与电子发生复合。这些陷阱的存在增强了电子的隧穿几率，即增强了辅助隧穿效应，辐照后电子获得能量或直接穿过势垒通过隧道效应与陷阱发生复合，这相当于降低了肖特基势垒高度，从而使得器件的栅泄漏电流增加了，这种TAT效应(trap-assisted tunneling)是导致栅电流增大的直接原因。当电子能量增大，发生位移损伤的概率降低，主要表现为电离和激发，形成的电子陷阱和俘获正电荷将大量减少，因此能量1.2 MeV时，栅极电流增大不明显。

4 结语

用0.8和1.2 MeV电子束对GaN HEMT器件开展辐照效应研究的结果表明，电子辐照引起器件饱和漏电流增大，阈值电压负向漂移，跨导降低和夹断电流增大，0.8MeV电子对器件的损伤甚于1.2 MeV电子。通过对辐照损伤退化机制的分析，认为饱和漏电流增大，阈值电压负向漂移主要由AlGaN层中电离辐射产生的俘获正电荷以及 GaN层中非电离能量损失产生的N、Ga空位所引起。栅电流增加主要由非电离能量损失在 AlGaN势垒层形成的电子陷阱和俘获正电荷引起 TAT效应(trap-assisted tunneling)所导致。

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