增强型AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的质子辐照效应

吕 玲，林正兆，郭红霞，潘霄宇，严肖瑶

(1.强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024；2.西安电子科技大学微电子学院，西安710071)

作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，氮化镓(GaN)具有直接带隙，且具有禁带宽度大(3.42 eV)、击穿电场强度高(3.3 MV·cm-1)、热导率大(2.1 W·cm-1·K-1)、电子饱和漂移速度高(2.5×107cm·s-1)、抗辐照能力强和化学稳定性高等优异性能。AlGaN/GaN异质结材料在极化效应的作用下可以形成高密度(>1×1013cm-2)、高室温电子迁移率(>1 500 cm2·V-1·s-1)的2维电子气(2DEG)，特别适合用于制备新一代高频的大功率器件和电路，在卫星通信、雷达、航母、电子战系统、航空航天及核反应堆等关键领域具有重要的应用前景[1-2]。

空间卫星及深空探测对电源系统的高效率、小型化和抗辐照性能等有较高的要求。GaN基电力电子器件是应对这一要求的理想方案。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在常规应用情况下是耗尽型，而在电源应用中必须是增强型。金属绝缘层半导体(MIS)的HEMT结构是实现GaN基增强型电力电子器件的主要结构。2000年，Khan等报道了采用SiO2作为栅绝缘层的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件[3]。该新型MIS-HEMT器件结构结合了传统HEMT器件和MISFET器件的性能优势，器件的栅绝缘层大大提高了栅下区域电子势垒的高度，从而降低了电子穿越势垒的概率和栅极泄漏电流。GaN基MIS-HEMT具有关态漏电低、亚阈特性好、击穿电压高及栅压正向偏置范围大等优势，将替代传统的肖特基栅HEMT，成为研制高效GaN基微波功率器件和高压开关器件的理想选择[4-5]。

工作于极端辐射环境中的半导体器件和电子系统，其工作状态、可靠性和寿命将受到射线和粒子辐照的影响，严重时可能导致系统失效。对于化合物半导体，辐照主要会引起位移损伤效应。质子作为范·艾伦带的主要成分，是半导体器件在外太空中面临的主要威胁之一。质子同GaN材料和器件的作用包括电离过程和位移过程，前者属于瞬时过程，而后者会在材料中形成晶体缺陷，属于永久性损伤，是引起半导体器件性能退化的主要因素[6-7]。因此，研究GaN材料与器件的质子辐照效应，对提高器件的抗辐照能力具有重要意义。美国Vanderbilt大学Fleetwood小组和Florida大学Pearton小组长期致力于传统AlGaN/GaN HEMTs器件的质子辐照效应研究，利用不同能量质子辐照器件，给出了器件详细的电学特性退化规律，并提出辐照缺陷是造成器件性能退化的主要原因[8-12]。Chen等对不同生长工艺制备的GaN器件进行了质子辐照研究，发现质子辐照产生的深受主陷阱会引起器件特性退化[13]。Koehler等发现质子辐照后感生陷阱的去载流子效应，会引起器件性能退化[14]。本研究团队曾对常规HEMT器件的质子辐照效应进行了系统研究，结果表明，采用3 MeV质子辐照，只有在质子注量达到1×1015cm-2时，器件性能才有明显退化，且退化量不超过10%，这说明器件具有很强的抗辐照特性[15-17]。

目前，针对AlGaN/GaN MIS-HEMTs增强型器件的辐照效应研究，国内外鲜有报道。该结构器件与MOSFET器件类似，对其研究需重点关注栅介质和栅介质/AlGaN界面。在极端辐射环境中，辐照会导致栅介质层和栅介质/AlGaN界面中感生新的陷阱，界面态充/放电效应会导致严重的阈值电压漂移现象，造成器件性能退化[18-19]。因此，本文主要研究AlGaN/GaN MIS-HEMTs增强型器件的低能质子辐照效应，获得不同能量质子辐照下的器件电学性能退化规律，探索相关辐照损伤机理，为AlGaN/GaN MIS-HEMTs增强型器件在极端辐射环境中的应用奠定理论基础。

1辐照实验

实验样品由西安电子科技大学宽带隙半导体技术重点学科实验室研制，器件结构如图1所示。该器件制备中，采用了金属有机物化学气相沉积方法在蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN异质结构。器件外延结构由AlN成核层、2 μm的非故意掺杂GaN层及20 nm的非故意掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层组成。源极(S)和漏极(D)均使用电子束蒸发实现欧姆接触，金属层为Ti/Al/Ni/Au，各层的厚度分别为20，160，55，45 nm，退火条件为氮气环境中850 ℃退火30 s。栅极(G)通过电子束蒸发形成Ni/Au/Ni金属层，各层的厚度分别为45，100，20 nm，从而实现肖特基接触。栅下淀积了厚度为20 nm的Al2O3介质层，在栅源和栅漏之间淀积了厚度为180 nm的SiN钝化层。栅长为0.2 μm，栅宽为50 μm，源漏间距4 μm，漏极和栅极间距3 μm。

低能质子辐照实验在哈尔滨工业大学低能质子加速器上进行，质子能量分别为70 keV和140 keV，质子注量分别为1×1013，1×1014，1×1015cm-2。利用半导体参数分析仪Agilent B1500A，对质子辐照前后的样品进行离线电学性能测试，通过转移特性、输出特性及栅泄漏特性获得器件阈值电压、最大跨导、最大饱和电流及栅泄漏电流等电学参数。

图1AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of AlGaN/GaN MIS-HEMTs

2数据分析

图2给出了70 keV 质子辐照前后MIS-HEMTs器件的输出特性。由图2可见，当质子注量为1×1013cm-2、器件栅压为4 V时，最大饱和电流线密度由辐照前的191.34 mA· mm-1降至11.46 mA· mm-1，降低了约94.01%。图3给出了70 keV质子辐照前后MIS-HEMTs器件的转移特性曲线。通常，在转移特性曲线上，选择跨导线密度最大值处做切线，该切线与横轴的交点所对应的电压称为阈值电压。

图270 keV质子辐照前后AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的输出特性Fig.2Output characteristics of AlGaN/GaN MIS-HEMTsbefore and after 70 keV proton irradiation

(a)Ads vs. Vgs

(b)Ags vs. Vgs

由图3(a)可见，器件阈值电压正向漂移，由辐照前的1.45 V漂移至4.02 V，增大了2.57 V；最大跨导线密度由辐照前的83.12 mS·mm-1降至35.50 mS·mm-1，降低了约57.29%。跨导线密度表示器件的栅控能力，是影响频率特性的重要指标之一。跨导线密度峰值的退化量可以很好地评价栅区域的损伤程度及沟道电子迁移率的退化程度。图3(a)说明辐照后器件栅控能力急剧下降，且载流子迁移率减小。由图3(b)可见，关态栅电流线密度由辐照前的10-6mA·mm-1增加至10-4mA·mm-1，表明漏电明显增加。当质子注量达到1×1014cm-2时，器件已被全部损坏，无转移特性。质子辐照使材料晶格原子位移并生成带电的缺陷中心，通过库仑作用降低载流子迁移率，通过电荷复合和载流子去除降低2DEG浓度，跨导线密度的下降主要是因为载流子迁移率的降低。从图3还可看出，与饱和电流线密度的退化相比，跨导线密度的退化较小，这说明2DEG浓度减少在器件质子辐照退化效应中占主导地位。

图4给出了70 keV质子辐照前后MIS-HEMTs器件的栅泄漏特性。

(a)Gate leakage characteristics

(b)Forward characteristics

由图4可见，随着质子注量增加，栅正、反向泄漏电流线密度均逐渐增大，质子辐照对器件栅绝缘层材料和绝缘层/半导体界面造成了严重损伤，出现了明显的漏电通道。

栅介质与AlGaN势垒层界面存在高密度的界面态，界面态密度可达1013cm-2·eV-1以上[20]。高密度的界面态会使器件对辐照更为敏感。质子辐照在器件材料中产生大量的辐照缺陷。栅介质层和栅介质/AlGaN界面中感生的辐照缺陷会导致界面态充/放电效应，产生阈值电压漂移现象；栅介质中的辐照缺陷会提高电子穿越势垒的概率，导致栅极泄漏电流变大；2DEG沟道层附近产生的辐照缺陷会俘获电子，降低2DEG密度，从而导致饱和漏电流线密度降低。由于质子辐照沉积的能量较高，在材料内更易形成深陷阱，这些深陷阱俘获电子后，电子不易从深能级出来，故此时的陷阱作用机制主要是深陷阱的载流子去除效应。同时，陷阱俘获电子后，会对后续电子的运动产生一定的阻挠，导致2DEG迁移率降低，并进一步降低饱和漏电流线密度。

MIS-HEMTs器件与常规HEMT器件的根本区别是增加了绝缘层栅介质。MIS-HEMTs器件中的介质层对辐照较为敏感，这与传统MOSFET器件类似。因此，本文对比了相同工艺下无介质层HEMTs常规器件的辐照特性，图5给出了70 keV质子辐照前后AlGaN/GaN HEMTs器件的转移特性和栅泄漏特性。由图5(a)可见，在1×1013cm-2质子注量下，HEMTs器件最大跨导线密度由辐照前的168.65 mS·mm-1降至143.40 mS·mm-1，仅降低了14.97%。同时，阈值电压正向漂移量较小，由辐照前的-3.27 V漂移至-3.04 V。辐照前，常规HEMTs器件栅泄漏电流线密度比MIS-HEMTs器件的栅泄漏电流线密度大4个量级，这是因为常规HEMTs器件栅结构为肖特基接触，栅反向偏置时，栅极电子在表面态和势垒层体缺陷辅助下，很容易穿越肖特基势垒进入异质结沟道，产生较大的栅关态泄漏电流，导致器件亚阈值特性恶化。而MIS结构中的绝缘栅介质大大提高了栅下区域电子势垒的高度，从而有效降低了电子穿越势垒的概率和栅泄漏电流。同时，增加绝缘栅介质层，栅电极与沟道之间的距离增大，器件栅控能力减弱，会导致器件跨导降低。由图5(b)可见，辐照后HEMTs器件反向栅泄漏电流线密度与辐照前相比增大不足2个量级，比MIS-HEMTs的退化幅度要小。因此，绝缘栅介质层的存在使器件对质子辐照更为敏感。

(a)Transfer characteristics

(b)Gate leakage

图6给出了140 keV质子辐照前后MIS-HEMTs器件的转移特性。

图6140 keV质子辐照前后AlGaN/GaNMIS-HEMTs器件的转移特性Fig.6Transfer characteristics of AlGaN/GaN MIS-HEMTs before and after 140 keV proton irradiation

由图6可见，当质子注量为1×1014cm-2时，器件最大跨导线密度由辐照前的83.12 mS·mm-1降至47.30 mS·mm-1，降低了约43.09%；器件阈值电压正向漂移，由辐照前的1.45 V漂移至3.82 V，增大了2.37 V。图6结果与图3中70 keV质子辐照结果相比，虽然质子注量高1个量级，但器件的性能退化量较低。当质子注量达1×1015cm-2时，器件全部坏损，无转移特性。

本课题组前期研究结果表明，3 MeV质子辐照AlGaN/GaN HEMTs器件，在质子注量为1×1014cm-2以下时，器件电学性能几乎不变，只有当质子注量达到1×1015cm-2时，器件特性才会有轻微退化[17]。2018年，Keum等研究了不同能量的高能质子辐照对AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件性能的影响，发现随着质子能量的降低，阈值电压漂移、漏极电流降低等退化现象更加严重[21]，该结果与本课题组的研究结果一致。

利用仿真软件SRIM计算了高能质子(3 MeV)和低能质子(70 keV和140 keV)在器件中的能量损失及其分布，结果如图7所示。

(a)IEL

(b)NIEL

图7中，图7(a)为质子在器件中的电离损失能量EIEL随入射深度dp的分布，插图为Al2O3/AlGaN/GaN各层的电离损失能量随入射深度dp的分布；图7(b)为非电离损失能量ENIEL随入射深度dp的分布，插图为Al2O3/AlGaN/GaN各层的ENIEL随入射深度dp的分布[23]。当质子入射到半导体材料上时，入射深度dp随质子能量的增加而增大[22]。随着入射质子的能量增加，非电离损伤区离2DEG沟道区越来越远，晶格损伤得到缓解，器件的性能退化减弱。由图7可见，入射能量为3 MeV的质子在器件中的dp为52 μm，已远大于GaN缓存层/蓝宝石衬底的界面厚度。70 keV和140 keV的质子在器件中的dp分别为700 nm和1.2 μm，位于GaN缓存层中。低能质子(70 keV和140 keV)辐照的非电离损伤区分别位于离器件表面500 nm和1.1 μm处，更加接近2DEG沟道层，而3 MeV高能质子辐照的非电离损伤区位于离器件表面50 μm处，在蓝宝石衬底中。ENIEL广泛用于位移损伤的量化，相同质子注量时，ENIEL越大，位移损伤越大，故低能质子辐照对2DEG沟道层的损伤会远远大于3 MeV质子，此结论与Keum等得到的结论相同[21]，且与I-V测试结果相吻合。同时，观察发现，低能质子在栅介质层和栅介质/AlGaN界面层的能量损失较大，其非电离损伤区比2DEG沟道层略大。因此，可以认为，低能质子辐照在AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的栅介质层和栅介质/AlGaN界面层中会诱发大量辐射缺陷。栅介质层和栅介质/AlGaN界面层中的缺陷和2DEG沟道层附近的缺陷共同作用，从而进一步加剧器件性能的退化。

为进一步研究质子辐照对器件沟道处异质结界面的影响，本文进行了变频C-V测试。C-V测试基于电子的充放电，是观测陷阱效应的常用方法之一。选择实验频率分别为50, 100, 500 kHz和1 MHz，图8给出了140 keV质子辐照前后MIS-HEMTs器件的C-V特性曲线。图8中A为MIS-HEMTs器件的横截面面积。

图8中,曲线上升区域对应异质结界面2DEG的积累， MIS结构器件的电容可以用平板电容近似为势垒层电容和栅介质层电容的串联。由图8可见，电容开启，电压正向漂移，这与I-V特性测试结果相符。辐照前，不同频率下器件的电容平台高度差别不大；而辐照后，当频率为500 kHz和1 MHz时，相应的电容平台高度均明显下降，说明辐照在器件中引入了深能级陷阱。辐照前，50 kHz与1 MHz之间的阈值电压频散约为1 V，辐照后阈值电压频散增大至2 V，说明质子辐照导致界面电荷增加。同时，辐照后器件的电容上升斜率明显减小，说明陷阱浓度增加。辐照后，器件关态下的电容明显增大，这与关态漏电流增大相符，说明辐照导致器件漏电通道的增加。

图8140 keV质子辐照前后AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的C-V特性Fig.8 C-V characteristics of AlGaN/GaN MIS-HEMTsbefore and after 140 keV proton irradiation

3结论

本文采用能量分别为70 keV和140 keV质子辐照增强型AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件，获得了该器件辐照前后的输出、转移和栅泄漏特性，并与常规HEMTs器件的辐照性能进行了比较，并通过SRIM计算和C-V测试结果，进一步分析了该器件的辐照退化机制。结果表明，质子辐照在该器件沟道层、栅介质层及栅介质/势垒层界面引入了不同程度的辐照缺陷，加剧了界面态充/放电，增加了电子越过势垒的概率，并通过载流子去除效应降低了2DEG密度，使得器件阈值电压正向漂移，饱和漏极电流急剧减小，栅泄漏电流增大。与常规肖特基栅HEMTs器件相比，绝缘栅介质层的存在对质子辐照更为敏感。SRIM仿真计算结果表明，低能质子的非电离损伤区在AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件沟道层附近，是低能质子造成器件损伤更为严重的主要原因。变频电容测试结果表明，质子辐照后器件界面电荷密度增加，并引入了大量深能级缺陷。