不同偏置下增強型AlGaN/GaN HEMT器件總劑量效應(yīng)研究

邱一武 郭風岐 殷亞楠 張平威 周昕杰

（中國電子科技集團公司第五十八研究所 無錫 214035）

氮化鎵（GaN）基異質(zhì)結(jié)材料憑借寬禁帶、耐高溫、高擊穿電壓以及優(yōu)異的抗輻照性能成為航天領(lǐng)域半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用焦點，然而基于GaN材料的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）因其制備過程存在的本征缺陷和損傷，在空間應(yīng)用過程中性能將受到環(huán)境中重粒子、質(zhì)子、中子以及γ射線的影響，從而產(chǎn)生一系列輻射效應(yīng)，如總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose effect，TID）［1-3］、單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE）［4-5］和位移損傷劑量效應(yīng)（Displacement Damage Dose effect，DDD）［6-7］等。大量高能粒子會在器件中引入缺陷，致使器件電學(xué)性能退化甚至失效，嚴重威脅器件的可靠性。

長期工作在輻射環(huán)境中的AlGaN/GaN HEMT器件電學(xué)性能退化程度與器件柵極偏壓、輻照粒子種類、輻照劑量以及退火溫度等因素緊密相關(guān)。其中，器件柵極偏壓是影響器件輻射效應(yīng)的最重要因素之一，其損傷機理主要與輻射時電荷的產(chǎn)生、傳輸、俘獲過程有關(guān)［8-11］。2013年，Wang等［12］對耗盡型AlGaN/GaN HEMT器件開展了三種偏置條件下的總劑量輻照試驗，結(jié)果表明，浮空條件下AlGaN/GaN HEMT器件直流參數(shù)并未發(fā)生明顯的變化，開態(tài)偏置下器件輻照后的飽和漏電流退化最為嚴重，但在三種偏置條件輻照后閾值電壓幾乎未發(fā)生改變。2019年，Zheng等［13］對耗盡型GaN HEMT器件開展了60Co γ射線輻照試驗，同樣指出了柵極偏置會加重器件的性能退化。就目前而言，大部分的總劑量輻照試驗都是在耗盡型GaN HEMT器件浮空條件下進行的，對增強型GaN HEMT器件加電偏置下的總劑量效應(yīng)研究相對較少，且總劑量輻射效應(yīng)機理復(fù)雜，并沒有形成統(tǒng)一的機理解釋。

因此，采用不同劑量的60Co γ射線對增強型AlGaN/GaN HEMT器件開展三種偏置條件下的總劑量輻照試驗，并進一步研究退火時間及退火溫度對輻照后器件電學(xué)特性恢復(fù)的影響，探究器件總劑量效應(yīng)與輻照劑量、電壓偏置和退火環(huán)境之間的響應(yīng)規(guī)律，揭示器件敏感參數(shù)的退化機理。

1 試驗樣品與試驗方案

輻照試驗樣品選自國產(chǎn)商用的NP20G65D6型號的P-GaN柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件（650 V，11 A，120 mΩ），為實現(xiàn)試驗樣品性能一致性的要求，所選樣品均來自同一型號同一批次。試驗前預(yù)先將樣品焊接到特制的3引腳TO-247轉(zhuǎn)接板上，以便試驗過程中施加偏置電壓和對后續(xù)器件的性能測試，輻照試驗過程中，器件不需要進行開封處理。試驗所用的P-GaN柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件二維結(jié)構(gòu)圖與實物圖如圖1所示。

圖1 P-GaN柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件示意圖 (a) 二維結(jié)構(gòu)圖，(b) 實物圖正面，(c) 實物圖背面Fig.1 Diagram of P-GaN enhanced AlGaN/GaN HEMT device(a) Two-dimensional structure, (b) Front of physical picture, (c) Back of physical picture

總劑量輻照試驗在中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的60Co γ射線源上進行，平均能量為1.25 MeV，輻照環(huán)境為室溫（（23±2） ℃），劑量率為50 rad（Si）·s-1，而輻照劑量點分別選擇0.3 Mrad（Si）、0.6 Mrad（Si）和1.0 Mrad（Si）。輻照過程中使用低壓直流電源設(shè)備來施加偏置電壓，每個劑量點放置6個器件，兩個器件為一組，每組器件分別施加開態(tài)（ON-state）偏置、關(guān)態(tài)（OFF-state）偏置和零（GDN-state）偏置，每種試驗條件下均有兩組試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，降低試驗和測試過程中引起的誤差對輻照結(jié)果的影響。γ射線輻照試驗三種偏置條件如表1所示。

表1 γ射線輻照試驗三種偏置條件Table 1 γ-ray irradiation experiment three bias conditions

制定試驗流程，γ射線輻照試驗流程圖和試驗設(shè)備布局示意圖見圖2［14］。輻照結(jié)束后將試驗器件取出放入干冰中保存，并在48 h內(nèi)完成離線測量器件閾值電壓Vth、跨導(dǎo)峰值gm，max、飽和漏電流Idsat等電學(xué)特性，以防在運輸和測試過程中發(fā)生退火效應(yīng)。離線測試結(jié)束后將器件分別置于室溫和100 ℃環(huán)境中退火7 d，每隔1 d取出進行電學(xué)性能測試，退火過程中器件均處于浮空狀態(tài)。

圖2 γ射線輻照試驗流程圖(a)和試驗設(shè)備布局示意圖(b)Fig.2 Flow chart of γ-ray irradiation experiment (a) and experiment equipment layout diagram (b)

2 試驗結(jié)果

2.1 總劑量輻照試驗結(jié)果

圖3為GND-state偏置下增強型AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后轉(zhuǎn)移特性及輸出特性。按器件說明書規(guī)定，定義器件Vds=3 V、Ids=11 mA時的柵源電壓Vgs為器件閾值電壓Vth。

從圖3（a）可知，在GND-state偏置條件下，轉(zhuǎn)移特性曲線隨著輻照劑量的增加發(fā)生輕微負向漂移，當輻照劑量達到1.0 Mrad（Si）時，曲線漂移量達到最大，此時Vth由輻照前的1.15 V降至1.08 V，Vth僅減小0.07 V，閾值電壓Vth幾乎不受輻照劑量的影響。從圖3（b）可知，當輻照劑量為0.3 Mrad（Si）時，器件飽和漏極電流Idsat增加最為明顯，此時Idsat也僅增大了4.1%（Vgs=5 V，Vds=4 V），隨著輻照劑量的繼續(xù)增加，Idsat增大幅度變緩。表明GND-state偏置條件下，器件電學(xué)特性在輻照前后未呈現(xiàn)出大的變化，性能相對穩(wěn)定。

為了進一步研究不同偏置條件對器件總劑量效應(yīng)的影響規(guī)律，對增強型AlGaN/GaN HEMT器件又開展了關(guān)態(tài)（OFF-state）和開態(tài)（ON-state）偏置條件下的總劑量輻照試驗。為了說明方便，避免數(shù)據(jù)繁雜，只給出1.0 Mrad（Si） γ射線輻照試驗數(shù)據(jù)。圖4為兩種偏置條件下1.0 Mrad（Si） γ射線輻照前后器件轉(zhuǎn)移特性，插圖為對應(yīng)的跨導(dǎo)變化曲線。

從圖4可以看出，OFF-state偏置條件下，經(jīng)1.0 Mrad（Si） γ射線輻照后，轉(zhuǎn)移特性曲線同樣發(fā)生負向漂移，此時Vth由輻照前1.18 V下降為1.03 V，同時最大跨導(dǎo)也略有增加。相比之下，ON-state偏置條件下，輻照后器件轉(zhuǎn)移特性曲線漂移更加明顯，Vth減小0.23 V，最大跨導(dǎo)由輻照前的6.31 S增大為8.04 S。跨導(dǎo)曲線表示器件的柵控能力，是影響頻率特性的重要指標之一，最大跨導(dǎo)的變化量可以很好地評估溝道載流子遷移率的變化情況，輻照后器件柵控能力上升，說明載流子遷移率增大。且有相關(guān)研究表明［15-16］，器件在刻蝕過程中會產(chǎn)生一定量的表面缺陷，而低于1.6 Mrad（Si）的γ射線輻照對器件界面有一定修復(fù)作用，使得載流子遷移率提高，跨導(dǎo)峰值增加，本試驗結(jié)果與此結(jié)論相一致。

圖5為兩種偏置條件下1.0 Mrad（Si） γ射線輻照前后器件輸出特性。

圖5 兩種偏置條件下1.0 Mrad（Si） γ射線輻照前后器件輸出特性 (a) 關(guān)態(tài)偏置，(b) 開態(tài)偏置Fig.5 Output characteristic of the device before and after γ-ray irradiation with 1.0 Mrad(Si) under two bias conditions(a) OFF-state bias, (b) ON-state bias

從圖5中可知，兩種偏置條件輻照后，器件漏極飽和電流Idsat較輻照前均有所增大，相比較而言，ON-state偏置下增強型AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后的輸出特性曲線變化更加顯著，經(jīng)過1.0 Mrad（Si） γ射線輻照后，器件的飽和漏電流Idsat增大了23.3%（Vgs=5 V，Vds=4 V），而OFF-state偏置輻照后飽和漏電流Idsat增大了16.2%（Vgs=5 V，Vds=4 V）。從輸出特性曲線可以提取出器件的導(dǎo)通電阻（Ron）輻照前后的變化情況，與輻照前相比，輻照后增強型AlGaN/GaN HEMT器件的導(dǎo)通電阻都相應(yīng)減小，但減小幅度有限。

柵極漏電是制約AlGaN/GaN HEMT器件性能提升的重要因素之一，圖6為兩種偏置條下1.0 Mrad（Si） γ射線輻照前后器件柵特性。

由圖6（a）可以看出，在1.0 Mrad（Si） γ射線輻照后，OFF-state偏置條件下器件柵反向泄漏電流增加了不到一個數(shù)量級，正向柵特性不發(fā)生改變。而從圖6（b）來看，ON-state偏置條件下器件柵反向泄漏電流由輻照前的10-9A增加到10-8A，增加了一個多數(shù)量級，且柵正向泄漏電流也略微增加。勢壘高度是決定柵泄漏電流的最主要因素，器件輻照后柵泄漏電流發(fā)生變化，說明γ射線輻照產(chǎn)生了勢壘層表面陷阱電荷，載流子的隧穿概率增加，降低了有效肖特基勢壘高度，器件的柵泄漏電流增加。

2.2 退火試驗結(jié)果

總劑量效應(yīng)引起的器件輻照損傷受外界環(huán)境的影響非常明顯，存在著與退火溫度、外加電場以及退火時間等因素相關(guān)的退火特性，圖7為AlGaN/GaN HEMT器件最大跨導(dǎo)和飽和漏電流變化量隨輻照劑量、退火時間和退火溫度的變化情況。

圖7 AlGaN/GaN HEMT器件最大跨導(dǎo)(a)和飽和漏電流(b)變化量隨輻照劑量、退火時間和退火溫度的變化情況Fig.7 The variation of AlGaN/GaN HEMT devices characteristics changes with irradiation dose, annealing time and annealing temperature (a) Maximum transconductance, (b) Saturation drain current

從圖7（a）中看出，在同一偏置條件下，隨著輻照劑量的增加，器件gm，max均有所增大，當輻照劑量為1.0 Mrad（Si）時，GND-state、OFF-state和ON-state三種偏置下器件gm，max增加量分別為7.2%、11.1%和26.5%，可見，ON-state偏置下gm，max增大最為明顯，為了進一步研究器件退火特性，僅對ON-state偏置下的兩組器件分別進行了7 d不同溫度下的退火試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著退火時間的增加，gm，max變化量得到部分恢復(fù)，其中，100 ℃環(huán)境下退火，器件gm，max恢復(fù)較多，退火7 d后，gm，max恢復(fù)了9.8%。從圖7（b）中看出，隨著輻照劑量的增加，Idsat的變化趨勢同gm，max一致，在ON-state偏置下變化最為明顯，當輻照劑量為1.0 Mrad（Si），Idsat增大了23.3%（Vgs=5 V，Vds=4 V），從退火試驗結(jié)果來看，經(jīng)過7 d室溫退火，器件Idsat恢復(fù)有限，僅恢復(fù)了2.6%，相比之下，100 ℃下退火7 d，Idsat恢復(fù)了6.9%。這是因為對GaN HEMT器件進行退火后，輻照缺陷減少，少數(shù)載流子擴散長度增加，使GaN HEMT器件電學(xué)性能提高，而退火溫度越高，越有利于載流子擴散，器件性能恢復(fù)就越顯著。但無論是gm，max還是Idsat退火后都沒有恢復(fù)到輻照前的初始值，有可能因退火時間較短不足以完全移除陷阱電荷或者輻照產(chǎn)生的新型缺陷難以通過退火去除。

3 試驗分析與討論

器件在γ射線輻照后飽和漏電流Idsat增大、閾值電壓Vth負漂、最大跨導(dǎo)gm，max增大，這與文獻［12-13］針對耗盡型AlGaN/GaN HEMT功率器件在總劑量輻照后性能發(fā)生嚴重退化的現(xiàn)象不同。圖8給出了P型柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件的能帶圖和GaN系統(tǒng)中缺陷電性取決于費米能級的位置示意圖。

圖8 (a) P型柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件的能帶圖和(b) GaN系統(tǒng)中缺陷電性取決于費米能級的位置示意圖[18]Fig.8 (a) Energy band diagram of P-gate enhanced AlGaN/GaN HEMT devices and (b) the electrical properties of defects in GaN systems depend on the location diagram of Fermi levels[18]

從圖8（a）來看，P-GaN柵導(dǎo)致器件費米能級與導(dǎo)帶相對位置發(fā)生改變，費米能級位于GaN電子勢阱以下，實現(xiàn)增強型器件的特性［17-18］。同時GaN HEMT器件具有氫相關(guān)的缺陷，P-GaN柵費米能級較低，可自發(fā)產(chǎn)生正電性缺陷，如圖8（b）中的［VGaH4］1+，正電性缺陷會使Vth降低，Ids上升；而AlGaN層中的缺陷通常俘獲電子呈現(xiàn)電負性，如圖8（b）中的［VGaH2］1-、［VGaH］2-、［VGa］3-，負電性缺陷會導(dǎo)致Ids下降，所以器件輻照后Vth降低，Ids上升的原因可能是P-GaN柵中累積了更多正電性缺陷［19］。也有研究學(xué)者［20］將輻照后器件Ids上升歸結(jié)于應(yīng)變松弛所導(dǎo)致?？鐚?dǎo)表示器件的柵控能力，輻照后最大跨導(dǎo)gm，max增加，而跨導(dǎo)的改變與載流子遷移率μ緊密相關(guān)，二維電子氣（Two Dimensional Electron Gas，2DEG）溝道中載流子遷移率μ計算如式（1）所示［21］：

式中：VDS和IDS分別為漏源極電壓和電流；RS和RD分別為源極和漏極接入電阻；ε為AlGaN介電常數(shù)；t為勢壘層厚度；W和L分別為柵極寬度和長度。從式（1）中可以看出，器件飽和區(qū)跨導(dǎo)主要是受載流子遷移率μ的影響，由于低劑量的γ射線輻照會使2DEG溝道附近散射中心（界面態(tài)電荷、電離缺陷）減少，提高了載流子遷移率［22］。2DEG溝道載流子濃度增加或遷移率提高還會引起串聯(lián)電阻的降低，進而飽和漏電流也會發(fā)生變化，總體而言，低劑量γ射線輻照對增強型AlGaN/GaN HEMT器件性能會起到了一定的改善作用。

ON-state偏置是本次輻照最惡劣的偏置條件，有研究表明［23］，在AlGaN/GaN HEMT器處于導(dǎo)通狀態(tài)下，且柵漏極之間的電場較高時，則器件中熱電子應(yīng)力就成為主導(dǎo)，當器件導(dǎo)電溝道中熱電子的能量超過異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶斷續(xù)ΔEc，這些電子將躍遷出2DEG溝道被陷阱俘獲形成界面態(tài)，進而影響2DEG濃度，導(dǎo)致器件性能退化加劇。此外，由于柵極電場的存在，會降低輻照引發(fā)的電子-空穴對的初始復(fù)合率，增加了逃脫初始復(fù)合的空穴的數(shù)量，缺陷密度會大大增加［24-25］。AlGaN/GaN HEMT器件加電應(yīng)力前后的電荷分布示意圖如圖9所示。

圖9 AlGaN/GaN HEMT器件加電應(yīng)力前后的電荷分布圖[24] (a) 電應(yīng)力前，(b) 電應(yīng)力后Fig.9 Charge distribution diagram of AlGaN/GaN HEMT device before and after electrical stress[24](a) Before electrical stress, (b) After electrical stress

將ON-state偏置輻照后的器件分別進行室溫和100 ℃下退火7 d，從退火試驗結(jié)果來看，退火溫度越高，退火時間越長，器件性能恢復(fù)就越快，主要是因為高溫環(huán)境會使器件發(fā)生隧穿退火或熱激發(fā)退火，降低了輻照缺陷濃度，但無論是在室溫還是100 ℃下退火，器件電學(xué)特性都難以恢復(fù)到輻照前的初始狀態(tài)，可能與退火時間較短或者輻照產(chǎn)生的界面態(tài)陷阱電荷難以通過退火去除有關(guān)。

4 結(jié)語

針對增強型AlGaN/GaN HEMT器件開展不同偏置條件下的60Co γ射線總劑量輻照試驗及不同溫度下的退火試驗，充分模擬器件各種實際工作條件，探究器件總劑量效應(yīng)失效特征與損傷機理。

試驗結(jié)果表明，隨著γ射線輻照劑量的增加，不同偏置條件會導(dǎo)致器件電學(xué)特性發(fā)生不同程度的變化，GND-state偏置輻照后器件電學(xué)特性最為穩(wěn)定，OFF-state偏置次之，ON-state偏置輻照后器件電學(xué)參數(shù)退化最為明顯。但無論在哪種偏置條件下，器件在γ射線輻照后均出現(xiàn)飽和漏電流Idsat增大、閾值電壓Vth負漂、最大跨導(dǎo)gm，max增大、導(dǎo)通電阻Ron減小的現(xiàn)象，AlGaN層產(chǎn)生的負電荷和P-GaN柵層的正電荷是其電學(xué)性能退化主要原因，退化程度取決于二者誰占主導(dǎo)作用。由于器件處于導(dǎo)通狀態(tài)下，會使溝道中熱電子躍遷出2DEG溝道被陷阱俘獲形成界面態(tài)，進而影響2DEG濃度，加劇了總劑量輻照對器件性能的影響，與此同時，柵極電場的存在會降低輻照引發(fā)的電子-空穴對的初始復(fù)合率，增加了逃脫初始復(fù)合的空穴的數(shù)量，導(dǎo)致陷阱電荷的濃度增加，所以加電偏置輻照后器件的退化程度更大［24］。此外，總劑量效應(yīng)引起的器件輻照損傷受外界環(huán)境的影響非常明顯，存在著與退火溫度和退火時間等因素相關(guān)的退火特性，退火試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一輻照劑量下，隨著退火溫度升高，退火時間增長，引起的器件退化程度隨之減小，這是因為高溫使器件發(fā)生了隧穿退火或熱激發(fā)退火，降低輻照產(chǎn)生的缺陷濃度，器件的電學(xué)性能得以部分恢復(fù)。

作者貢獻聲明邱一武負責試驗、測試以及輻射機理分析的主要工作，提出編寫思路并負責論文起草的主要工作；郭風岐負責數(shù)據(jù)整理和輻射機理分析工作；殷亞楠負責輻射機理分析工作；張平威負責輻照試驗的主要工作；周昕杰負責審核、把關(guān)論文的科學(xué)性、嚴謹性。