GaN器件质子辐照与电场综合试验系统及方法

季启政,刘尚合,王志浩,杨铭,丁义刚,王思展,沈自才,刘宇明

(1.陆军工程大学 电磁环境效应重点实验室,河北 石家庄 050003;2.北京卫星环境工程研究所,北京 100094;3.北京东方计量测试研究所,北京 100086)

0 引言

相对于Si基和GaAs基电子器件,以AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)为代表的GaN器件具有高工作电压、高功率密度、低热阻和宽带宽特性,近30年来得到了快速发展。作为一种Ⅲ-Ⅴ直接带隙半导体材料,GaN可弥补传统半导体材料及相应器件的不足,有益于提升系统性能,契合了军事航天领域发展对于电源及射频系统在高功率密度、高效率、宽带宽及高可靠性方面的迫切需求。

相对于在地面武器装备中的快速规模化应用,GaN器件在航天领域的应用相对滞后,目前国内多家专业机构已着手基于GaN器件开展星用功率放大器的分析和设计工作[1-2],但尚未开展系统性的空间搭载和应用,主要原因是还没有针对GaN器件的空间环境适应性开展深入的分析和验证工作。

在地球轨道空间中,GaN器件受到的辐射主要来源于太阳宇宙线、银河宇宙线和地球辐射带,按照粒子成分主要是质子和电子[3]。其中高能质子主要引起电离总剂量和位移损伤,虽然理论上GaN器件具有较好的抗辐照能力,但在制备的工艺过程中,材料中会因热失配和晶格失配产生大量缺陷,导致GaN器件的真实抗辐照能力远低于理论分析值[4-7],主要损伤机制是入射质子在GaN器件的各层异质结中产生了缺陷,形成载流子去除效应和加强陷阱辅助隧穿,改变了势垒层的有效掺杂浓度,进而引起有效势垒高度的变化,导致器件沟道中的二维电子气(2DEG)浓度发生改变。在宏观上表现为器件的阈值电压发生漂移,形成漏电流与跨导衰退,对栅特性产生显著的影响[8]。高能电子会造成总剂量效应和内带电效应,其中内带电是指空间高能电子(大于100 keV)通量快速持续增大时卫星内部介质或孤立导体中发生的荷电现象。在内带电环境下GaN器件所在印刷电路板(PCB)的沉积电荷量大于泄漏电荷量,会形成局部强电场,而GaN器件的关键性能,例如栅极漏电、器件击穿性能等,都与器件的表面电场密切相关。根据调研,目前国际上针对GaN器件的质子辐照研究均只聚焦于质子本身对器件的影响,且测试方法为非原位测试,即辐照前和辐照后分别测试器件性能,质子辐照和电场综合作用的原位测试分析研究属于空白[4,9-18]。因此,有必要针对国产GaN器件开展质子辐照和电场作用的研究。需要说明的是,虽然高能电子也会导致总剂量效应,但暂不列入本文的讨论范围之内。

为研究质子辐照及电场对GaN器件的影响,需要分析GaN器件搭载应用轨道的辐射环境,匹配适当的试验方法,建立综合试验系统,开展质子辐照与电场综合模拟试验,为国产GaN器件的空间应用提供数据和支撑。本文对地球同步轨道(GEO)质子辐照环境进行分析,结合GaN器件质子辐照损伤特性,设计质子辐照试验方案并确定关键参数;利用仿真分析工具计算航天器内部PCB材料充电电位,设计用于模拟内带电效应的电场试验方案和电极装置。综合质子辐照方案和电场模拟方案,以现有质子辐照试验条件为基础,搭建质子辐照与电场综合试验系统并开展初步的试验,初步验证了该试验系统的可行性。

1 GaN器件综合试验方法

1.1 质子辐照试验方法

1.1.1 质子能量和注量对GaN器件影响分析

质子注量的影响方面,国内外的试验及分析研究发现,当质子注量达到某个阈值后,GaN器件性能急剧下降,主要机制是质子与材料中的原子碰撞迫使原子位移产生带电缺陷,降低载流子迁移率和浓度从而引起器件性能退化。2002年,Gaudreau等[13]发现AlGaN/GaNHEMT的2DEG浓度以及载流子迁移率都会随质子注量增加而降低,其中载流子迁移率受到的影响更大;在2 MeV质子作用下,当质子注量在达到某个阈值时载流子迁移率会急剧下降。2003年,Hu等[14]使用能量为1.8 MeV的质子辐照AlGaN/GaNHEMT,发现质子注量低于1×1014cm-2时,器件未发生明显退化;而当注量达到3×1015cm-2时,器件性能急剧下降,关键参数(漏电流)下降幅度高达80%。2003年,White等[15]同样利用1.8 MeV的质子对AlGaN/GaNHEMT进行了辐照试验,试验结果显示在低于1×1014cm-2注量下接触电阻受到显著影响,其他参数没有明显变化;而在大于1×1014cm-2注量下载流子迁移率大幅降低,当注量达到2×1015cm-2时载流子浓度开始急剧降低。2004年,Karmarkar等[16]试验发现质子辐照不但能俘获载流子降低2DEG浓度,增强库仑散射降低载流子迁移率,还发现对于AlGaN/GaNHEMT肖特基二极管,二极管串联电阻在1.8 MeV质子辐照下会随着质子注量的增加而升高,当注量达到3×1014cm-2时增幅约53%。2008年,Kim等[17]研究了17 MeV质子在以不同注量辐照AlGaN/GaNHEMT器件产生的影响,发现当注量达到7.2×1013cm-2时器件的输出特性变化不显著,达到2×1015cm-2时漏极电流降低16%,当注量达到2×1016cm-2时漏极电流降低43%。严肖瑶[18]进行了70 keV和140 keV质子辐照试验,发现在达到一定注量阈值后,器件的方块电阻会随着注量的增大而快速增加,其中70 keV质子注量阈值相对于140 keV质子更低一些,而器件击穿电压随着质子注量的增加呈下降趋势。

对国内某机构研制的GaN器件进行了50 keV质子辐照与电场综合试验,试验前在真空容器中布置3个相同类型和批次的器件(分别为器件1、器件2和器件3),器件及电极装置在容器中的照片如图8所示。辐照过程中器件1和器件2均处于-1 kV电极电压产生的电场中,器件3的电极电压设置为0 kV,其中器件1不加电,器件2和器件3处于加电工作状态(漏源电压VDS=0.1 V,栅源电压VGS=5 V)。试验中测量得到的转移特性曲线(漏源电流IDS随VGS变化曲线)如图9所示。

为确定质子辐照试验参数,首先需要分析GaN器件电性能随质子辐照能量及注量的退化规律,初步确定质子能量和注量范围区间,然后根据空间典型轨道的质子辐照环境特性,确定试验参数。

由试验结果可知：在辐照试验的中段,两个器件的跨导峰值对应的VGS都发生了显著的漂移,其中器件1最大漂移电压百分比约为15.7%,器件2的最大漂移电压百分比约为18.1%,器件性能变化明显;而且相较于器件1不加电情况,器件2加电情况下,跨导峰值对应的VGS更快达到漂移极值,说明器件在工作状态下会与辐照、电场效应耦合,使得器件性能变化速度加快;相比于器件2,器件3未施加-1 kV的电极电压,其跨导峰值对应的VGS的最大漂移幅度更小,最大漂移电压百分比约为8.4%,且漂移速度也更缓,说明了器件2的转移特性曲线在辐照前后的变化是质子辐照和电极电压产生的电场综合作用的结果,证明了质子辐照与电场综合试验方法及系统的有效性。

1.1.2 基于在轨吸收剂量的GaN器件试验参数设计

为了分析典型轨道环境下GaN器件质子吸收剂量,首先需要确定在轨质子辐照环境,假定GaN器件为GEO卫星搭载,GEO辐照环境主要来自于辐射带粒子、太阳质子和银河宇宙线,其中银河宇宙线的通量极低,对器件贡献可忽略,重点考虑辐射带质子和太阳质子对GaN器件的影响。分别采用AP8MAX模型和JPL91模型计算辐射带质子和太阳质子,得到微分能谱如表1和表2所示。

表1 GEO辐射带质子微分能谱Table 1 Proton differential energy spectrum of radiation beltin GEO

表2 太阳质子微分注量谱Table 2 Solar proton differential fluence spectrum

为分析GaN器件的吸收剂量,需要建立GaN器件几何结构模型,如图1所示。利用SRIM软件计算得到不同能量的质子在GaN和Al0.25Ga0.75N中的射程,然后与轨道质子辐照环境结合计算得到空间辐照环境在器件中的剂量深度分布如图2的黑色曲线所示。

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图1 GaN器件剖面示意图Fig.1 Sectional diagram of GaN device

图2 GEO轨道质子吸收剂量深度对比(1a)Fig.2 Absorbed dose depth comparison of proton in GEO (1a)

计算FR-4材料在典型内带电条件下的充电电位。使用GEANT4建立材料模型,以40 mm×40 mm×2 mm的PCB为例,计算沉积电荷密度和沉积剂量。为有效模拟内部带电特性,使用40 mm×40 mm×0.5 mm的屏蔽铝。电子能量采用内带电电子通量模型(Flux Model for Internal Charging,FLUMIC)电子通量模型,考虑能谱范围为0.1～2 MeV,电子能谱如图3所示。

1.2 电场试验方法

空间高能电子会穿透航天器舱板和单机机箱,沉积在单机内部的PCB上(FR-4),考虑到单机机箱通常为铝材质且良好接地,对于焊接安装于电路板上的GaN器件,就形成了类似于平板电极的电场。需要说明的是,通常GaN器件的工作电压最高不超过数百伏,而介质材料内带电充电电压则可能高达负的数千伏,远高于器件工作电压,因此有必要考虑电场对GaN器件的影响。

根据第1节中的试验设计,50 keV质子试验注量为2.0×1013cm-2,考虑到在轨注量率很低,因此按照设备最低注量率调节参数和估算试验时长,辐照总时长约为5.56 h,为便于计时和在线测量,按照辐照6 h每0.5 h测量一次开展试验,两次测量之间的注量增量为1.8×1012cm-2。

目前国内外对于内带电的研究重点是电导率测量,材料内建电场的击穿特性研究[19-21],尚不涉及充电电场对电子器件的影响。在分析电场对GaN器件的影响时,文献[22-30]重点研究了电应力长期加载对器件性能及可靠性的影响,提出了热电子效应和逆压电效应两种损伤退化机制。其中热电子效应是器件沟道中的电子发射至势垒层或器件表面,被势垒层中的固有陷阱或者栅漏间表面陷阱所俘获,导致沟道处的2DEG密度降低,形成器件导通电阻增大,输出漏极电流降低等退化特征[22-25]。逆压电效应是器件处于电场环境下,因电场产生的拉伸应力会与晶格失配应力叠加,导致势垒层的弹性应变增大,当应变超过材料的承受上限时,材料中的晶格会断裂形成缺陷,栅极漏侧边缘处的高纵向电场引起的逆压电效应形成的晶体缺陷尤为显著[26-30]。虽然国内外尚未开展外部纵向电场对GaN器件影响研究,但纵向电场同样有利于沟道电子向势垒层运动;另外外部纵向电场与器件电极工作电场叠加可能会强化热电子效应和逆压电效应,推测可能进一步影响GaN器件的特性。因此有必要分析和研究纵向电场的影响,为了确定GaN器件在轨实际的外部电场环境,需开展典型轨道及屏蔽条件下PCB材料的充电特性仿真分析。

为了较为真实地模拟轨道质子能谱辐照环境,采用多种能量的质子进行拟合,考虑到GaN器件对低能质子更敏感,拟采用50 keV、140 keV和400 keV三种能量的质子进行拟合,拟合得到的剂量深度分布(见图2粉色曲线)与GEO轨道实际剂量深度分布(见图2黑色曲线)较为接近,可以作为地面模拟试验的参数。试验总注量为10年在轨的质子辐照注量。

图3 FLUMIC电子能谱Fig.3 FLUMIC electron spectroscopy

计算得到单位体积电荷沉积率、剂量沉积率,和辐射诱导电导率,计算得到材料内部电场和电位如图4所示。板材中心的充电电位最高,约为-20 kV。需要说明的是,上述算例是极端条件下计算结果,当高能电子通量较小时,或采用更薄的PCB板以及采用更良好的接地工艺时,沉积电荷会减少,同时泄漏电流会增大,导致充电电位的绝对值会变小,因此可选择更低的电压值开展试验。根据上述计算结果,在较严酷的内带电环境下,GaN器件所在的电路板绝缘材料可能被充电至高电压,考虑到单机内部有限的安装空间,会产生较强的电场,对器件产生两方面的影响：首先,外部电场会对与GaN器件内部电场相叠加,改变载流子的密度和分布;其次,强电场会诱发静电放电(ESD),对器件产生干扰甚至破坏。目前已开展的ESD对GaN器件的影响研究多采用机器放电模型,重点分析了ESD引起GaN器件电性能退化的现象及机制,尚未涉及空间ESD的影响及危害[31-37]。最新研究发现,空间ESD脉冲产生的瞬态电场会诱发绝缘材料表贴金属电极的延面闪络[38],造成电子器件的损伤,因此有必要开展电场对GaN器件影响研究。

（2）急性肝衰竭 肝组织呈新旧不等的亚大块坏死或桥接坏死；较陈旧的坏死区网状纤维塌陷，或有胶原纤维沉积；残留肝细胞有程度不等的再生，并可见细、小胆管增生和胆汁淤积。

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图4 仿真计算得到的PCB电位分布Fig.4 PCB potential distribution obtained by simulation and calculation

为模拟静电场及瞬态电场对GaN器件的影响,设计匹配的电场模拟装置如图5所示,采用平板电极施加静电场,在GaN器件的下方布置平板电极,在该电极上施加负偏压模拟PCB在轨充电状态。为防止高压电极对临近导体放电,高压电极的上方和下方分别布置绝缘材料。采用传导干扰的方式模拟空间ESD对器件的影响,使用空间ESD干扰源在放电回路中产生干扰信号,再通过近场线缆耦合的方式实施放电干扰。

图5 电场模拟及测试示意图Fig.5 Diagram of electric field simulation and testing

1.3 试验指标

根据1.1节和1.2节分析结果拟定的试验参数如表3所示。

1.2.3 MTT测定敲减Fascin对细胞增殖影响 取对照组、阴性组、干扰组细胞按照每孔中添加4000个细胞种植到96孔板中，设置不接种细胞的孔为空白调零孔，在CO2培养箱中孵育24、48、72、96 h后分别取出培养板，每孔中添加MTT溶液，放在37℃反应4 h，将孔内的液体分别吸除，添加150 μL的二甲基亚砜工作液，置于酶标仪上测定波长A490 nm。

表3 试验参数Table 3 Test parameters

由于选择了多个能量的质子实施试验,需要匹配不同的试验设备进行试验。另外为了研究质子辐照与电场综合作用特性,还需要对比单独质子辐照试验与综合试验结果,因此拟定了3个阶段的试验项目,如表4所示。

表4 试验项目及参数Table 4 Test items and parameters

2 质子辐照与电场综合试验

2.1 50 keV质子辐照与电场综合试验系统

基于北京卫星环境工程研究所φ800 mm综合辐照试验系统(见图6)初步开展了50 keV质子辐照与电场综合试验,试验系统主要技术指标如表5所示。

图6 φ800 mm综合辐照试验系统Fig.6 φ800 mm comprehensive irradiation testing system

表5 φ800 mm综合辐照试验系统参数指标Table 5 Parameters and indexes of φ800 mm comprehensive irradiation testing system

电场试验通过在GaN器件的下方布置平板电极的方式实现,由于φ800 mm综合辐照试验系统内部的样品台为金属材质,为了隔离高压,在高压电极的上方和下方分别布置绝缘材料(聚四氟乙烯薄片),如图7所示。为避免高压部分在试验过程中出现绝缘击穿,高压部分的线缆和接头都做了绝缘处理,另外高压端与低压端分开避免干扰和绝缘问题。平板状高压电极距离设备顶部热沉壁(接地)约为 12 cm,所产生的静电场约为8.3 kV/m。为了模拟GaN器件的工作状态,利用器件供电电源使GaN器件处于加电工作状态,使用半导体测试仪在试验过程中对器件电性能进行测试。后续试验中将采用北京卫星环境工程研究所研制的空间ESD模拟源施加放电干扰,根据需要注入不同放电等级和时序的放电信号。

图7 真空容器内高压电极布置示意图Fig.7 Diagram of high-voltage electrode in vacuum vessel

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2.2 50 keV质子辐照与电场综合试验初步结果

国内外多家研究机构试验研究质子能量对GaN器件性能的影响,发现较低能量的质子由于入射深度较浅,有较大的概率沉积在浅层的沟道附近,对GaN器件能够造成更加显著的损伤效应。2004年,Hu等[9]测试了4种能量质子辐照下AlGaN/GaNHEMT 的输出特性和转移特性,发现在相同注量(1×1012cm-2)下,1.8 MeV质子辐照下器件漏极饱和电流及跨导的退化值比105 MeV质子辐照下的更多。由此推断,1.8 MeV的质子具有更大的非电离能量损失(Non-Ionizing Energy Loss,NIEL),导致器件的位移损伤更严重。2006年,Sonia等[10]利用聚焦离子束刻蚀法获取了AlGaN/GaNHEMT栅区截面试样,用透射电镜对比未辐照、2 MeV以及 68 MeV 质子辐照(质子注量均为1×1013cm-2)后的试样,发现2 MeV质子比68 MeV质子在栅区的沉积数目更多,损伤程度也更严重。2018年,Keum等[11]使用 1 MeV和2 MeV质子辐照AlGaN/GaNHEMT,在质子注量均为5×1014cm-2的条件下测试了器件的电学参数,测试结果显示,1 MeV质子辐照后器件的漏源电流比2 MeV质子辐照后下降幅度大,阈值电压正向漂移的幅度也相对大一些。2021年,吕玲等[12]研究了质子能量对AlGaN/GaNHEMT性能的影响,发现尽管140 keV质子的注量(1×1014cm-2)是70 keV质子的注量(1×1013cm-2)的10倍,70 keV质子辐照试验后器件的跨导比140 keV质子辐照试验后下降幅度更大。

图8 GaN器件及电极装置在试验容器中照片Fig.8 Photo of GaN devices and electrode in the test vessel

图9 器件转移特性曲线Fig.9 Device transfer characteristic curves

为了更准确地比较转移特性曲线随着辐照时间的变化,计算了转移特性曲线的跨导并提取跨导峰值对应的栅压VGS,得到VGS随辐照时间变化曲线,如图10所示。由图10可知,随着时间的推移：器件1的转移特性曲线逐渐向左漂移,在4.5 h处漂移幅度达到最大,随后开始向右漂移;器件2的转移特性曲线在3.0 h处漂移幅度达到最大,随后同样开始向右漂移;器件3的转移特性曲线在3.5 h处漂移幅度达到最大,随后同样开始向右漂移。

图10 器件1、2和3的跨导峰值对应的VGS随时间变化Fig.10 Change of VGS corresponding to peak transconductance of Device 1,2 and 3 with time

综上可知,GaN器件对低能量质子辐照更敏感,另外存在一个注量阈值,当质子辐照注量超过该阈值后,器件电性能退化幅度急剧增大。因此初步选择质子能量<1 MeV,质子注量>1×1014cm-2。

1.2.2 党参总皂苷含量测定。人参皂甙Re标准品用甲醇溶解，配制1.2 mg/mL标准品母液。移取标准品母液30、60、90、120、150 μL于具塞试管中，60 ℃水浴中蒸干，经香草醛-高氯酸-冰醋酸显色反应后，以试剂空白(随行处理的甲醇)为参比溶液，分光光度计测定吸光度，绘制标准曲线[11]。

3 结论

本文根据GaN器件质子辐照损伤特性和剂量深度分布等效拟合原理,提出等效空间辐射环境的多能质子综合辐照试验方法;针对空间内带电效应计算了电路板材料的充电电位,设计了内带电效应电场模拟的方法及装置;建立质子辐照与电场综合试验系统并开展初步的试验。试验结果表明：相对于单独质子辐照,质子和电场综合作用下器件特征参数变化速度更快,变化幅度也更大,表明质子辐照与电场综合试验方法及系统的有效性。需要说明的是,现阶段的试验还不完善,仅开展了50keV质子辐照试验,后续会继续实施 140 keV 和400 keV质子辐照及电场耦合试验,分析和评估GaN器件性能在轨退化特性和环境适应性水平。