60Co γ 射線對增強型GaN HEMT 直流特性的影響

邱一武，吳偉林，顏元凱，周昕杰，黃 偉

（1.中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072；2.復旦大學微電子學院，上海 200443）

1 引言

氮化鎵（GaN）是目前第三代半導體的主要代表材料之一，其擁有較寬的禁帶寬度、高臨界擊穿電場、高電子飽和漂移速度以及高工作溫度等優(yōu)點，成為了當前電力電子系統(tǒng)備受矚目的半導體材料代表[1-3]。其中，通過AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制備的氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）器件，擁有極低的導通電阻且工作頻率高，使得電源轉(zhuǎn)化效率和功率密度大大提升。因此，在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域GaN HEMT 器件綜合性能優(yōu)勢較為突出，在宇航、核能等極端環(huán)境下，GaN HEMT 器件同樣具有極大的優(yōu)勢和很好的應用前景。

然而，在宇航、核能等復雜環(huán)境中存在大量的高能帶電粒子，這些帶電粒子通過和GaN HEMT 器件發(fā)生作用，導致一系列典型的空間輻射效應發(fā)生，比如總劑量效應（TID）和單粒子效應（SEE）等[4-6]。大量高能帶電粒子入射到器件有源區(qū)會產(chǎn)生一些缺陷，使得器件電學特性退化甚至無法正常工作，嚴重影響器件的宇航應用可行性。在輻射效應方面，國內(nèi)外諸多研究[7-9]表明GaN HEMT 器件的抗輻射性能突出，但GaN 材料特性受工藝環(huán)節(jié)影響較為明顯，使得器件的抗輻照性能差異明顯，導致GaN HEMT 器件難以凸顯GaN 材料的性能優(yōu)勢。

異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)形成的GaN HEMT 器件通常是天然的耗盡型器件。在功率開關(guān)領(lǐng)域，耗盡型器件不利于電路安全、電路優(yōu)化和節(jié)約成本，且耗盡型器件制備的開關(guān)難以在電路中集成，所以增強型GaN HEMT 器件變得尤為重要。目前，實現(xiàn)增強型GaN HEMT 器件的主要方法包括Cascode 結(jié)構(gòu)、凹槽柵結(jié)構(gòu)、F 離子注入技術(shù)和P 型柵結(jié)構(gòu)[10-11]。其中，通過AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)上生長一層P 型柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)界面處二維電子氣（2DEG）的耗盡，使其濃度降低導致溝道關(guān)斷。P 型柵技術(shù)是增強型GaN HEMT 器件產(chǎn)業(yè)化的主流技術(shù)，在界面質(zhì)量、器件開態(tài)特性等方面具有突出優(yōu)勢，近年來獲得學者的廣泛關(guān)注和研究。

因此，本文利用60Co γ 射線對某商用P 型柵結(jié)構(gòu)增強型GaN HEMT 器件開展零偏置狀態(tài)下器件輻照實驗及常溫退火試驗，深入研究不同劑量的γ 射線對GaN HEMT 器件直流特性參數(shù)的影響，研究成果對后期GaN HEMT 器件的抗輻照加固具有指導作用，為GaN HEMT 器件在宇航中的應用提供了重要的參考。

2 試驗樣品參數(shù)與試驗方案

2.1 試驗樣品參數(shù)

本試驗選取某商用的增強型GaN HEMT 功率器件為輻照試驗樣品，器件封裝采用DFN 5×6 塑料封裝。由于器件特性受工藝環(huán)節(jié)影響較大，所以本試驗樣品均為相同型號批次。樣品剖面結(jié)構(gòu)示意圖以及器件等效電路圖如圖1 所示。

圖1 樣品剖面結(jié)構(gòu)及器件等效電路

試驗樣品重要直流特性參數(shù)以及測試條件如表1所示。本次試驗的GaN HEMT 器件均是P 型柵結(jié)構(gòu)，閾值電壓為正值，即為常關(guān)型（增強型）GaN HEMT 器件。

表1 試驗器件重要直流特性參數(shù)及測試條件

2.2 試驗測試方案

總劑量輻照試驗在上海世龍科技有限公司的60Co γ 射線源上進行，輻照環(huán)境溫度為室溫，劑量率為100 rad(Si)/s，輻照劑量節(jié)點分別為0.2 Mrad(Si)、0.4 Mrad(Si)、0.6 Mrad(Si)、0.8 Mrad(Si)、1.0 Mrad(Si)，γ 射線的平均能量為1.25 MeV，此次輻照最高劑量為1.0 Mrad(Si)。輻射過程中GaN HEMT 器件的柵/漏/源三端接地。

輻照試驗開始前，對器件進行常規(guī)直流特性測試，篩選出一批電學特性一致的器件作為試驗樣品，確保試驗結(jié)果的準確性，測量數(shù)據(jù)作為輻照前的初始數(shù)據(jù)，同器件輻照后的直流特性進行對比分析。輻照試驗結(jié)束后，試驗樣品儲存在干冰中避免離線測試過程中發(fā)生退火效應，為了獲得精確的試驗數(shù)據(jù)，測試過程盡量在1 h 內(nèi)完成。器件電學特性均通過Kesight B1500A 半導體參數(shù)測試儀離線測量。試驗樣品直流特性的具體測試條件如表2 所示。

表2 器件測試時各電極電壓偏置情況

3 輻照試驗

圖2為零偏置狀態(tài)下不同輻照劑量對增強型GaN HEMT 器件轉(zhuǎn)移特性的影響。測試條件是源漏電壓Vd=3 V，以漏電流Id達到11 mA 時作為閾值電壓的判定依據(jù)。圖2 零偏置狀態(tài)下不同輻照劑量對增強型GaN HEMT器件轉(zhuǎn)移特性的影響

從圖2 可知，器件Id-Vg曲線隨著γ 射線輻照劑量的增加先負向偏移后慢慢正向移動。當輻照劑量達到0.4 Mrad（Si）時，負向偏移量達到最大，閾值電壓Vth由輻照前的1.29 V 下降為0.94 V，閾值電壓降低0.35 V。之后隨著輻照劑量的繼續(xù)增加，閾值電壓降低量呈現(xiàn)減小趨勢。當輻照劑量達到最大1.0 Mrad（Si）時，閾值電壓僅負向漂移0.11 V，退化了8.5%。此結(jié)果可能是輻照導致感生界面態(tài)增加和引起2DEG 濃度下降，使得器件轉(zhuǎn)移特性曲線出現(xiàn)偏移，閾值電壓降低。

圖3是從圖2 的Id-Vg曲線中提取的跨導曲線隨γ 射線輻照劑量的變化?？鐚У挠嬎闳缡剑?）所示：

圖3 GaN HEMT 器件的跨導曲線隨輻照劑量點的變化

從圖3 可知，器件跨導峰值隨著輻照劑量的增加呈明顯的下降趨勢，當輻照劑量達到1.0 Mrad（Si）時，跨導峰值下降了25.3%。器件跨導與載流子遷移率的變化緊密相關(guān)，表明輻照導致器件載流子遷移率下降。

圖4為GaN HEMT 器件在1.0 Mrad(Si)γ 射線輻射前后的輸出特性曲線，測試偏置是柵壓Vg為1～4 V，步長為1 V。

圖4 GaN HEMT 器件在1.0 Mrad（Si）γ 射線輻射前后的輸出特性曲線

從圖4 可以看到，1.0 Mrad(Si)γ 射線輻照后器件漏極電流有明顯退化趨勢。在低柵壓下（Vg為1～2 V），器件漏極電流的退化量相對較小，柵壓繼續(xù)增加，飽和漏極電流退化量也逐漸增大；在高柵壓下(Vg為3～4 V)，漏極電流退化情況逐漸加劇。柵壓為4 V 時，飽和漏極電流退化量為16.3%。

P 型柵增強型GaN HEMT 器件柵極為肖特基接觸，柵極的I-V特性確定了器件肖特基勢壘高度，因此，肖特基柵特性是器件TID 的重要表征參數(shù)之一。圖5 為GaN HEMT 器件在1.0 Mrad(Si)γ 射線輻照前后柵特性退化情況。

圖5 1.0 Mrad（Si）γ 射線輻照前后GaN HEMT器件的柵特性退化情況

從圖5 可以看出，1.0 Mrad（Si）γ 射線輻照后器件的柵特性退化甚微，表明γ 射線輻照后沒有引起勢壘層表面陷阱電荷的產(chǎn)生，未導致肖特基勢壘層高度下降。由于P 型柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT 增強型器件柵極由PN 結(jié)構(gòu)成，對陷阱輔助隧穿效應不敏感。

一般情況下，退火處理難以去除輻照在器件中產(chǎn)生的界面態(tài)，但表面態(tài)卻容易得到恢復。為了進一步證明γ 射線是否會使GaN HEMT 器件產(chǎn)生界面態(tài)，對輻照后的器件開展室溫退火處理。圖6 為GaN HEMT器件在0.6 Mrad（Si）γ 射線輻照前后、室溫退火后的轉(zhuǎn)移特性曲線和跨導變化曲線。

圖6 GaN HEMT 器件輻照前后、常溫退火后轉(zhuǎn)移特性曲線和跨導變化曲線

從圖6 可知，經(jīng)過0.6 Mrad（Si）γ 射線輻照后，器件閾值電壓由1.29 V 下降到0.97 V。常溫退火60 h后，器件轉(zhuǎn)移特性變化甚微，此時閾值電壓為1.0 V，僅僅恢復了0.03 V，隨著退火時間的增加，器件轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生輕微的正向恢復，跨導峰值卻有進一步退化的趨勢。常溫退火120h 后，器件閾值電壓恢復到1.08V，退火過程中閾值電壓變化不明顯，表明輻照后器件直流特性退化可能由感生異質(zhì)結(jié)界面態(tài)引起，導致沒有發(fā)生明顯的退火效應。

GaN HEMT 器件的閾值電壓變化量ΔVth、跨導峰值變化量ΔGmmax、導通電阻ΔRon和飽和漏極電流ΔIdsat（Vg=4 V）隨輻照劑量的退化情況如圖7所示。隨著輻照劑量的逐漸增加，飽和漏極電流和跨導峰值呈現(xiàn)下降趨勢，閾值電壓先降低后增加，而導通電阻受輻照影響不明顯。當輻照達到最大劑量1.0 Mrad（Si）時，閾值電壓退化8.5%，飽和漏極電流退化了16.3%，跨導峰值下降25.3%。

圖7 GaN HEMT 器件主要電學特性隨輻照劑量的退化情況

4 試驗分析與討論

器件輻照后轉(zhuǎn)移特性先發(fā)生負向漂移后逐漸正向移動。這是因為器件閾值電壓受溝道2DEG 濃度的影響，而2DEG 濃度又與勢壘層的摻雜濃度密切相關(guān)。輻照后勢壘層的摻雜濃度受到影響，導致2DEG濃度降低，引起器件閾值電壓變化。此外，γ 射線會在器件中感生出界面態(tài)陷阱電荷，溝道電子被這些陷阱所捕獲，溝道開啟時間隨之增加，使得Id-Vg曲線斜率減小[12]。從常溫退火試驗可見，器件直流特性隨退火時間的增加變化并不明顯，進一步說明輻照產(chǎn)生的界面態(tài)是導致器件退化的重要原因之一。

跨導的變化受載流子遷移率的影響很大，γ 射線輻照后在異質(zhì)結(jié)附近形成散射中心，對GaN HEMT 器件而言，異質(zhì)結(jié)形成的量子阱不僅深而且較窄，并且載流子的密度高，遷移率受到散射中心的制約[13]。輻照后器件跨導峰值降低，表明輻照導致載流子遷移率下降。

輻照后漏極電流下降，主要是因為器件受到γ 射線輻照后，在器件內(nèi)部產(chǎn)生大量陷阱，溝道載流子被這些陷阱捕獲，引起2DEG 濃度減小，輻照后由于散射中心的增多，載流子遷移率降低，所以在諸多原因的共同作用下引起了器件漏極電流減小的情況[14]。

輻照后器件的肖特基柵特性并未發(fā)生明顯的退化，表明γ 射線輻照后沒有影響勢壘層高度，產(chǎn)生的勢壘層表面陷阱電荷較少。

5 結(jié)論

通過對某商用P 型柵增強型GaN HEMT 器件進行60Co γ 射線輻射試驗及退火試驗，研究GaN HEMT閾值電壓、飽和漏極電流、柵泄露電流、跨導等直流特性對TID 的響應規(guī)律及其退火效應。

測試數(shù)據(jù)表明，輻照后閾值電壓、跨導峰值、飽和漏極電流均出現(xiàn)了不同程度的退化，而柵泄露電流和導通電阻退化不明顯。轉(zhuǎn)移特性曲線隨著輻照劑量的增加先發(fā)生負向偏移后慢慢正向移動。在γ 射線輻照劑量為1.0 Mrad（Si）時，閾值電壓減小0.11 V，退化8.5%，輻照對閾值電壓的影響較??；跨導峰值退化25.3%，飽和漏極電流退化了16.3%（Vg=4 V）；柵壓逐漸增加，輻照對漏極電流的影響也隨之增大。經(jīng)過120h的退火試驗，器件閾值電壓恢復不明顯，跨導反而有接著退化的趨勢，沒有發(fā)生明顯的退火效應，與其他研究人員所得結(jié)果不一致，可能與試驗樣品型號和輻照試驗條件不同有關(guān)。輻照后器件的肖特基正反向柵特性并未發(fā)生明顯的退化，表明增強型GaN HEMT 器件的柵特性受γ 射線輻照影響甚微。