AlGaN-GaN HEMT器件的輻照效應(yīng)研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物材料是制造高壓、高溫、高頻(RF)電子器件的理想材料，對其研究成為了國內(nèi)外廣泛關(guān)注的焦點。由于綜合性能優(yōu)勢，氮化鎵(GaN)基高電子遷移率晶體管(HEMT)等器件成為航天等領(lǐng)域應(yīng)用的重要選擇。對于空間輻射環(huán)境的影響及長時間高偏置工作給器件帶來的可靠性問題，是目前國內(nèi)外尚未深入開展的基礎(chǔ)研究工作。本論文針對新型GaN基HEMT器件的輻射損傷效應(yīng)和高場退化效應(yīng)作為研究內(nèi)容，開展了實驗和理論兩方面系統(tǒng)深入的研究。
　　 實驗

2、方面，本論文針對GaN基HEMT器件，首次采用多種輻射源(包括60Coγ射線、高能電子、中子和質(zhì)子)系統(tǒng)地利用各種表征技術(shù)研究了材料和器件的輻射損傷效應(yīng)，得到了AlGaN/GaN HEMT的主要輻射損傷機(jī)制。在理論上，創(chuàng)新地建立了針對GaN基HEMT器件有效的輻射損傷模擬方法，并針對輻射感生陷阱電荷損傷機(jī)制進(jìn)行了深入的仿真實驗和理論分析。本論文還通過研究高場應(yīng)力對GaN基器件特性的影響，得到了AlGaN/GaN HEMT的主要高場損傷機(jī)

3、制。在理論上創(chuàng)新地提出了溝道熱電子觸發(fā)和柵電子注入產(chǎn)生缺陷陷阱的耦合模型。論文取得了以下主要的研究結(jié)果：
　　 1、對GaN基HEMT的輻照損傷結(jié)果進(jìn)行了全面探究和分析，提出了AlGaN/GaN HEMT器件主要的輻照損傷機(jī)理模型，揭示了這種高電子遷移率晶體管的輻照損傷微觀機(jī)制具有特殊性，主要表現(xiàn)在輻射感生受主對2DEG濃度的退化作用，輻射感生界面態(tài)對遷移率的退化作用，以及輻射感生界面應(yīng)力弛豫這三個方面。
　　 2、開展

4、了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)和HEMT器件的60Coγ射線和電子的輻照損傷實驗研究，實驗發(fā)現(xiàn)輻照引起了材料閾值電壓的正向漂移，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子濃度下降，器件飽和漏電流和跨導(dǎo)的下降以及器件柵特性的退化。輻照結(jié)果同時表明，遷移率受載流子濃度的調(diào)制影響很大，在本實驗中已超過了輻射感生界面區(qū)缺陷的影響。研究表明輻照感生受主引起的載流子濃度下降是器件退化的主要原因。
　　 3、開展了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)和HEMT器件的中子輻照損傷實

5、驗研究，發(fā)現(xiàn)輻照引起了材料閾值電壓的正向漂移，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子濃度下降，材料表面形貌惡化，器件膝點電壓附近的轉(zhuǎn)移特性和器件的反向柵特性的退化。研究表明輻照在SiN鈍化層中引入的缺陷是器件退化的主要原因。
　　 4、開展了GaN體材料和HEMT器件的質(zhì)子輻照損傷實驗研究，發(fā)現(xiàn)低注量輻照引起了體材料載流子濃度增加，材料表面形貌惡化和晶格應(yīng)力增加，高注量輻照引起了HEMT器件漏電流下降，跨導(dǎo)減小，閾值電壓顯著退化的結(jié)果。并且從實驗結(jié)果

6、出發(fā)采用耗盡近似，以受主型缺陷來表述輻照在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)不同層中引入的缺陷，建立了AlGaN/GaN HEMT的輻射感生受主缺陷影響模型。利用該模型仿真，得到溝道層中受主缺陷的作用占主導(dǎo)的結(jié)果。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果有較好的一致性。分析認(rèn)為，輻射感生受主的影響模型能夠全面反映輻射對器件的多種作用機(jī)制，在聯(lián)合輻射感生界面態(tài)等對遷移率的退化作用后，可以對器件進(jìn)行更有效的輻射效應(yīng)模擬和分析。此外通過分析以上各種粒子輻照的實驗結(jié)果以及器

7、件參數(shù)對受主缺陷漂移閾值電壓的影響作用，提出了抗輻照加固的方案。
　　 研究還表明GaN基器件的輻照退化往往小于材料的退化，以上取得的研究結(jié)果將為進(jìn)一步的輻射損傷研究奠定了理論實驗基礎(chǔ)。
　　 5、通過大量器件的實驗測試結(jié)果分析了高場應(yīng)力對GaN基器件特性及參數(shù)的影響，重點研究了三種典型高場應(yīng)力下的器件退化，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力時間的增加，器件不同關(guān)鍵參數(shù)出現(xiàn)相同的持續(xù)性退化規(guī)律；得到了器件參數(shù)與應(yīng)力時間之間的關(guān)系式；而且高場應(yīng)

8、力會強(qiáng)化器件的電流崩塌效應(yīng)；器件小信號特性也隨著應(yīng)力時間增加而持續(xù)退化。本文基于以上研究結(jié)果提出了針對各種可能機(jī)制的HEMT器件的高場損傷模型框圖，這為我們了解高場應(yīng)力的作用機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。
　　 6、通過不同應(yīng)力條件對高場退化效應(yīng)的影響分析得到了不同偏置下IDsat隨應(yīng)力偏置的退化模型，在柵壓應(yīng)力研究中，發(fā)現(xiàn)Power-law柵壓應(yīng)力模型更適合對關(guān)態(tài)范圍進(jìn)行預(yù)測，而開態(tài)范圍則可以采用Exp模型進(jìn)行預(yù)測，而對于漏壓應(yīng)力，則可以一

9、直用Power-law模型進(jìn)行預(yù)測;由于抑制了溝道熱電子的產(chǎn)生，所以高溫開態(tài)應(yīng)力下器件的退化小于室溫下的退化；通過詳細(xì)討論不同偏置下的器件退化，證明了開態(tài)和關(guān)態(tài)范圍內(nèi)分別存在不同的退化機(jī)制，關(guān)態(tài)時主要是強(qiáng)場下柵電子注入引起的損傷占主導(dǎo)，而開態(tài)時主要是強(qiáng)場下溝道熱電子引起的損傷占主導(dǎo)；器件結(jié)構(gòu)對高場退化影響十分顯著，相同應(yīng)力條件下場板器件的退化最小，接著是雙異質(zhì)結(jié)器件，退化最大的是常規(guī)器件。在“溝道邊緣效應(yīng)”影響下，柵長越短，器件性能退化