GaN基高电子迁移率晶体管的质子辐照效应研究-吕玲

2013年第3期空间电子技术SPACEELECTRONICTECHNOLOGY33GaN基高电子迁移率晶体管的质子辐照效应研究①吕玲,林志宇,张进成,马晓华,郝跃(宽带隙半导体技术国家重点学科实验室,西安电子科技大学微电子学院710071)摘要:文章研究了AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的质子辐照效应。在3MeV质子辐照下,采用三种不同辐照剂量6x1014,4x1014和1x1015protons/cm2。在最高辐照剂量下,漏极饱和电流下降了20%,最大跨导降低了5%。随着剂量增加,阈值电压向正向漂移,栅泄露电流增加。AIGaN/GaNHEMT电学特性的退化主要是由辐照引入的位移损伤引起的。从SRIM软件计算出空位密度,将Ga空位对应的能级引入Silvaco器件仿真软件中,仿真结果与实验结果相匹配。Hall测试结果显示二维电子气(2DEG)浓度和迁移率在辐照后有所降低。关键词:质子辐照;氮化镓高电子迁移率晶体管;Ga空位;二维电子气DO1:10.3969/j.issn.1674-7135.2013.03.0080引言皿族氮化物半导体材料以其优异的物理性质和化学性质倍受关注,如宽的带隙、高的电子速度和好的热稳定性和化学稳定性。这些特性使得GaN材料在高频大功率器件中极具应用前景。空间通讯技术的快速发展要求这种髙效能器件正常有效地工作在空间环境中。与Si和GaAs器件相比,GaN器件具有更好的抗辐照能力。GaN中Ga原子的位移阈能20.5eV远高于GaAs中的9.8eV⑴。所以许多研究人员将目光着眼于GaN基器件的辐照效应,如GaNHEMT[2-12]。为了进一步了解器件在空间环境中的工作情况,有必要弄清楚器件在辐照环境下的退化机制。太空中的器件主要受到一些粒子辐射和电磁辐射的影响,如电子、质子、中子q射线、《粒子等等。辐射效应主要包括电离效应和位移效应。先前的研究者发现电离效应不会对GaN基器件有明显的影响[13'14]。所以文章的主要任务是研究质子辐照在GaN中引入的位移效应。人射质子引起了晶格原子偏离其位置,并且在原有位置上形成了缺陷中心。这些缺陷中心通过载流子复合和载流子去除降低了二维电子气载流子浓度,通过库仑散射降低载流子迁移率。先前的许多研究着眼于实验结果,缺少一定的理论解释。文章从理论上详细得分析了GaNHEMT器件的质子辐照效应。1器件制造与实验文章中使用的器件样品是由西安电子科技大学研制。AIGaN/GaN异质结构是利用自主研发的M0CVD设备生长的,在SiC衬底上,首先在约550T下生长约几十mil厚的A1N缓冲层,接着在髙温下依次生长2um厚的未掺杂GaN层、20nm厚的A1-GaN层。测量得到AlGaN层的A1组分为30%。HEMT器件制造工艺包括台面刻烛隔离,栅肖特基接触,源、漏欧姆接触,加厚电极和钝化等。器件欧姆接触采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au(20nm/120nm/55nm/45nm)多层金属,在830^下氮气气氛中快速退火30s。栅肖特基接触采用电子束蒸发Ni/Au(20nm/200nm)形成。图1给出了典型的HEMT器件剖面图。AlGaN(20nm) \~、2DEGGaN(2pm)SiCsubstrate图1AIGaN/GaNHEMT器件剖面图AIGaN/GaNHEMT器件的质子辐照实验是在北①收稿日期:201306-1734空间电子技术2013年第3期京大学重离子物理研究所进行的。质子能量为3MeV,福照剂量分别为:6x1014protons/cm2,4x1014protons/cm2和1x10丨5protons/cm2。采用HP4156B精密半导体参数分析仪测试辐射前后器件的直流特性。所有的辐照和测试均在室温下进行。2实验结果图2给出了AlGaN/GaNHEMT器件在3MeV质子辐照前后输出特性和转移特性变化曲线。图中,、表乐漏电压表乐栅电压表疋漏电流表示跨导。随着辐照剂量增加,器件电学特性逐渐退化,这个结果与先前的研究相一致[2二8]。从图2(a)中可知,、为IV情况下,当辐照剂量达到6x1013protons/cm2时,器件电学特性几乎没有变化。当辐照剂量达到1x1015protons/cm2时,输出特性曲线有明显的退化。图2(b)是在&为10V时测试得到。因为此器件是耗尽型器件,所以阈值电压、是负值。随着辐照剂量增加,漏电流减小,阈值电压超着正向漂移。从图2(a)输出特性曲线中,可以提取漏极饱和电流/dsat。图3给出了Vgs为IV时,不同辐照剂量下的^dsato当辐照剂量达到6x1013protons/cm2和1x1015protons/cm2时,/dsa,分别下降了5%和20%。从图2(b)转移特性曲线中,提取最大跨导Gmax。图4给出了不同辐照剂量下的G_。当辐照剂量达到1x1015protons/cm2时,下降了5%。和饱和电流退化相比较,最大跨导退化不是很明显。综上所述'器件特性退化只有在辐照剂量比较高时才会比较严重。1000Protonfluence/cm图4AlGaN/GaNHEMT最大跨导随辐照剂量变化图5给出了AlGaN/GaNHEMT器件在3MeV质子辐照前后栅漏肖特基二极管正向和反向f-v特性变化。图中&表示栅漏电压义表示栅漏电流。可以看出,1xlO15protons/cm2剂量的质子辐照可以引起器件栅泄露电流的增加。从栅正向特性中可以计算出肖特基势垒高度。势垒高度通过公式(1)得到:(1)1^1'50-101E13 1E14 1E15-101E13 1E1421E15Protonfluence/cm2图3AlGaN/GaNHEMT饱和漏极电流随辐照剂量变化250-6-5-4,-3-2-1VJV(b)转移特性图2AlGaN/GaNHEMT器件质子辐照前后不同剂量下输出特性U)和转移特性(b)VJ\(a)输出特性V?一社:一□—befcweirradiation—protonfluence=6x101Vcm*-protonfluence=4xl04/cm—1—protonfluence~lx10I5/cm-?—beforeirradiation?protonfluence?6*lo'Vcmprolonflucncc=4x1Ou/aoa1protonflucncc?I*I015/cmoooooooo8642{unu/vs)/7QooQ5o211(i/co6)/o00(80(ooo6421(UIUI/VUI)/72013年第3期吕玲,等:GaN基高电子迁移率晶体管的质子辐照效应研究35通过非电离能量损失(NIEL),带能量质子将一部分动能转移到晶格原子上。这个能量使得晶格原子发生位移,进而形成带电缺陷中心。可以认为:这个带电缺陷中心是使得材料和器件参数特性发生一定退化的主要原因。GaN材料中,可以通过软件计算出Ga空位和N空位的密度。利用SRIM软件来仿真GaNHEMT结构。本次计算采用106个粒子,确保足够小的误差,采用简单的结构Au(200nm)/Ni(20nm)/AlGaN(20nm)/GaN(2um)。由于在GaNHEMT器件中,异质结界面的二维电子气(2DEG)是影响器件的主要因素。在仿真中主要考虑异质结界面附近的缺陷中心。根据一定能量的质子在材料一定深度内产生的空位数,可以计算出不同辐射通量下在一定深度的空位密度。图6给出了3MeV质子福照引人的空位密度,图6(a)为AlGaN层中,图6(b)为靠近AlGaN/GaN界面的GaN层20nm范围内。这些计算结果与先前研究一致…⑶。10M101010101010Protonfluence/cm-2(a)AlGaN层中辐照引入的空位密度101710丨6OT?Silnl5O10其中,^=47^`是理査德常数^是面积,人是a饱和电流7是温度。曲线斜率与理想因子n有关,公式(2)可以求出理想因子:n:~⑵(——)slopeq图5质子辐照前后AlGaN/GaNHEMT器件栅漏二极管正向和方向特性表1给出了质子辐照前后肖特基参数的变化情况。可以看出肖特基势垒高度仏降低,而理想因子n明显增大。质子辐照导致在材料禁带和金属/Al?GaN界面附近引人缺陷,这些缺陷可以作为隧穿中心,增大了栅电流的隧穿几率,降低肖特基势垒高度[15]0表1AlGaN/GaNHEMT质子辐照前后肖特基参数变化情况参数辐照前辐照后(1x1015protons/cm2)Pb(X)0.63eV0.46eVn2.553.983辐照退化机制分析SRIM软件可以模拟10keV40OOOkeV质子与GaN之间的微观交互作用,计算出质子的能量传递、能量损失、射程以及GaN的阻止本领。人射质子在沿其运行路径上把能量传递给晶格中的Ga、N原子,而其自身却随着能量的衰减速度逐渐减小而慢化,直至最后损失全部能量而停留在靶材料中。只有传递能量大于Ga、N原子的位移阈值能时,才能产生位移损伤。10101210'310'410'510'6Protonfluence/cm2(b)靠近AlGaN/GaN异质结界面一侧20nm处图6GaN层中辐照引入的空位密度从图6中可以看出随着辐射通量增加,空位密度增大,并且Ga空位多于N空位。这是因为转移4987654日0/SOUBOBA36空间电子技术2013年第3期'-12-10-8-6-4-2024VJV(b)转移特性图7不同辐照剂量下AlGaN/GaNHEMT器件仿真结果(a)输出特性(b)转移特性100.0-101E111E121E131E141E151E16I-101E13 1E141E151E16Protonfluence/cm2图9AlGaN/GaNHEMT在不同质子辐照剂量下的归一化最大跨导曲线Protonfluence/cm图8AlGaN/GaNHEMT在不同质子辐照剂量下的归一化饱和电流曲线VJW(a)输出特性将Ga空位模型引入Silvaco器件仿真软件中,可以更好地理解Ga空位效应。文章中主要考虑Ga空位的影响。假设极化电荷不受质子辐照的影响,xl013cm2o空位密度已经从SRIM中获得,需要知道其相应的能级。从相关文献中提取参数,对于Ga空位,能级为Ea=0.86eV,电子俘获截面约为?=27xl0_21cm2,空穴俘获截面约为(7,1.1为了更好理解器件的质子辐照效应,实验时将AlGaN/GaN异质结与器件同时进行辅照。采用Hall测试来表征二维电子气电学特性。表2中给出了辐照前后的2DEG浓度和迁移率。随着辐照剂量增加,2DEG浓度和迁移率降低,表明了质子輝照弓I起的位移损伤直接影响了异质结的电学特性。2.:2.(V:0V到Ga原子的能量高于转移到N原子的能量。Ga原子的位移能和N原子的位移能分别为22eV和25eV。这些空位作为复合中心,可以减小少数载流子寿命;作为载流子俘获中心,减少载流子浓度;作为散射中心,使材料迁移率退化。空位缺陷的引人严重影响了器件的电学性能。SRIM软件可以计算出器件不同区域的空位数,但是不能说明这些缺陷的电学特性。为了更好了解GaN基器件的位移损伤效应,要清楚这些缺陷在材料中对应的缺陷能级,缺陷能级与导带和价带通过发射和俘获电子交换电荷。文章中,假设这些空位是造成器件电学退化的主要原因。XW_14cm2[16~21〕。图7给出了仿真结果,(a)为输出特性,(b)为转移特性。图中&表示漏电压,&表示栅电压,/A表示漏电流,&表示跨导。可以看出剂量达到5x1015protons/cm2时,电学退化才比较明显。从图7(a)输出特性和图7(b)转移特性曲线中提取漏饱和电流和最大跨导,与实验结果进行比较。图8给出了仿真和实验的归一化饱和电流/-。图9给出了仿真和实验的归一化最大跨导。实验测试得到的退化趋势和仿真结果相一致,可以认为Ga空位的形成可能是质子辐照GaNHEMT器件退化的主要原因。(UIUI/SUI)(muI/VUI)/7jmpiP9N13目oaJV.1VI,i丨VIcmcmcmcmcmJ234155|loIdloloXVSQP9ZIHCOUU