锑基异质结晶体管的总剂量效应和低剂量率损伤增强效应

杨桂霞,庞元龙,王晓东,徐家云,蒋洞微

(1.四川大学原子核科学与技术研究所,四川成都 610064;2.中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川绵阳 621900;3.重庆赛宝工业技术研究院,重庆 401332;4.中国科学院微电子研究所,北京 100083)

III-V化合物半导体由于能够与传统Si CMOS工艺兼容以及出色的电子输运特性备受关注[1]。其中,锑化物InSb、AlSb、GaSb和In As晶格常数比较相近,这四种二元化合物以及它们的三元及四元合金统称为“0.61 nm材料体系”[2]。这个材料体系内晶格失配最大为0.7%,在材料生长控制方面相对简单,同时,能带范围分布广,是制作高速低功率电子器件和集成电路的理想材料,在相控阵雷达、卫星通讯、红外成像、环境遥感监测等领域具有重要的应用前景[3]。

随着分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)、化学气相沉积等技术的发展,已能成功制备性能优良的锑基电子器件。研究表明锑基电子器件,如锑基高电子迁移率晶体管(Antimonide based HEMTs)、红外探测器等,具有较强的耐辐照能力,随着这些器件的开发和应用,使得人们看见了锑基半导体在辐射环境中的潜在优势。基于Ohyama、Zhang,Lu 等[4-16]的实验结果,Weaver比较了Si/SiGe、GaAs/AlGaAs、InP/InGaAs、GaAs/InGaP和InAs/AlSb HEMTs的耐辐照能力,发现InAs/AlSb HEMTs对电子、质子、γ射线、重离子具有更为良好的耐受能力[17-18]。

现有的锑基电子器件主要有锑化物异质结双极晶体管(Antimonide based HBTs)、高电子迁移率晶体管和红外探测器,但是这三种锑基电子器件的辐射损伤效应研究深入度并不相同。相关研究对象多集中于高电子迁移率晶体管和红外探测器。Bennett[19]、Weaver[18]等报道了锑基高电子迁移率晶体管、锑基红外探测器具有良好的耐γ射线、电子、质子、重离子辐照性能,但是目前鲜见锑基异质结晶体管与锑基高电子迁移率晶体管、锑基红外探测器具有相同耐辐照能力的报道,这是由于锑基异质结晶体管相关研究现阶段更多地关注于制备,在耐辐照能力方面的研究非常少,仅有关于In0.52Al0.48As/In0.39Ga0.61As0.77Sb0.23/In0.53Ga0.47As DHBTs[20]质子辐照效应的报道,至今未见γ射线、电子、重离子等粒子的辐照效应报道。

在太空环境中,航天器中的硅基双极器件始终工作于低剂量率[21-22]辐射环境中,不仅受到总剂量效应[23](Total Ionizing Dose Effect,TID)的影响,也存在明显的低剂量率增强效应(Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity Effect,ELDRS)[24-25]。工作于太空中的航天飞行器随着接受到的总吸收剂量的增加,飞行器的电子器件性能会随之下降,甚至失效。20世纪90年代人们发现,硅基双极器件存在ELDRS,ELDRS会极大减小双极器件的损伤阈值,导致双极器件在低剂量率辐照下性能迅速下降,使得航天器相关电子学系统功能失常,提前结束服役时间。锑基异质结晶体管如果工作于航天器中,也将面临TID 及ELDRS的威胁。硅器件中导致ELDRS的一个重要因素是Si/SiO2层之间的氧化层陷阱或者界面态陷阱[26-27],由于锑基异质结晶体管由多种半导体材料调制掺杂制备而成,存在多个界面,极可能存在导致并加剧ELDRS的机制,所以不仅需要对锑基异质结晶体管的TID进行研究,还需要对其ELDRS进行研究。

本文利用MBE 技术制备了锑基异质结晶体管,并利用60Coγ辐照装置在不同吸收剂量率和总吸收剂量下对锑基异质结晶体管的TID 及ELDRS进行了研究。利用无损、灵敏的噪声表征技术对其辐射致缺陷浓度进行了表征,通过范德堡法采集了器件内部的载流子信息。通过噪声表征方法和范德堡方法将辐射致缺陷与器件内部载流子相关联,并相互印证。

1 实验和方法

锑基异质结晶体管由中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室VG-80H MKII固态源分子束外延系统生长制备而成,其结构如图1所示。锑基异质结晶体管制备过程为:(1)以半绝缘GaAs材料作为衬底,对GaAs衬底进行脱氧处理;(2)在GaAs衬底上外延500 nm GaAs缓冲层,以得到较平整表面;(3)继续生长600 nm InAs缓冲层;(4)在缓冲层上方生长600 nm In As作为异质结晶体管的集电极,掺杂浓度为8.0×1024m-3;(5)生长30 nm GaSb层作为异质结晶体管的基极,掺杂浓度为1.0×1025m-3;(6)生长AlSb/AlGaSb量子阱结构作为势垒:15 nm AlGaSb下势垒和3 nm AlSb上势垒;(7)在AlSb/AlGaSb量子阱上,依次生长掺杂浓度为1.5×1023m-3的50 nm In As和8.0×1024m-3的100 nm In As作为异质结晶体管的发射极。

图1 分子束外延技术制备的NPN型锑基异质结晶体管结构的横剖面Fig.1 The cross section of NPN-type Antimonide based HBTs prepared by MBE

60Coγ辐照实验在中国工程物理研究院核物理与化学研究所60Coγ辐照装置上进行。为评价锑基异质结晶体管结构是否存在ELDRS,本文采用了1.95×10-1Gy·s-1和1.50×10-2Gy·s-1两种吸收剂量率对锑基异质结晶体管辐照。在每个吸收剂量率下,对锑基异质结晶体管依次辐照300,600,1000 和1500 Gy,考察锑基异质结晶体管的TID。本文中吸收剂量率采用重铬酸银剂量计测量获得,误差在±5%以内。

辐照前后对锑基异质结晶体管的噪声信息和载流子信息进行采集。辐照及测试温度均为室温。

本研究利用自研噪声参数测试系统测试室温下锑基异质结晶体管在不同吸收剂量率、总吸收剂量下的噪声信息。该系统由自主研制的低噪声偏置器、适配器、SR560电压放大器、数据采集卡和XD3020噪声可靠性分析软件构成,如图2所示。该系统频带宽:0～106Hz,背景噪声＜4 n V/ Hz(@1 k Hz)。

锑基电子器件的噪声通常由白噪声和1/f噪声构成。其噪声功率谱密度可写成为:

式中:A 为白噪声;B 为1/f噪声的噪声幅值;指数k 通常为1。

在本文中依据锑基异质结晶体管的噪声谱信息,利用公式(1)中SV(f)、B、k 等对锑基异质结晶体管的TID和ELDRS进行研究。

图2 噪声测试系统示意图Fig.2 The testing system for noise

本研究利用HALLOOK 3000型霍尔效应谱仪测试了室温下锑基异质结晶体管在不同吸收剂量率、总吸收剂量下的电子迁移率(Electron Mobility,μ)、载流子浓度(Carrier Concentration,N)的变化情况。霍尔效应测试方法为范德堡法[9]。

2 结果

利用低频噪声信息来间接表征器件内部辐射致缺陷的变化情况,器件内部辐射致缺陷的增多将导致低频噪声SV增大。在不同吸收剂量率、总吸收剂量的60Coγ射线辐照后,锑基异质结晶体管在低频段(1～30 Hz)的SV较之辐照前减小。其中,吸收剂量率为1.50×10-2Gy·s-1,吸收剂量为300 Gy时SV减至最小,频率为1 Hz时SV较之辐照前减小77%,如图3所示。

图3 锑基异质结晶体管辐照前后的S V曲线Fig.3 The variation of S V with frequency in pre-irradiation and post-irradiation for Antimonide based HBTs

在本文中,利用辐照前后的低频噪声变化量ΔSV及其相关参数来表征电子材料和器件内部辐射致缺陷的变化情况:

不同吸收剂量率下ΔSV与总吸收剂量的关系如图4和图5所示。在图4和图5中, “Exp.”代表实验数据,“Fit”代表拟合曲线。从图4和图5可以看出,在吸收剂量率为1.95×10-1Gy·s-1和1.50×10-2Gy·s-1时,ΔSV＜0,即相较于辐照前SV降低。但是ΔSV随着总吸收剂量的增大而呈现增大趋势,表现为ΔSV(300 Gy)＜ΔSV(600 Gy)＜ΔSV(1000 Gy)～ΔSV(1500 Gy)。

图4 锑基异质结晶体管在吸收剂量率为1.95×10-1 Gy·s-1时,ΔS V与频率的关系曲线Fig.4 The curves ofΔS V-frequency in Antimonide based HBTs at the dose rate of 1.95×10-1 Gy·s-1

图5 锑基异质结晶体管在吸收剂量率为1.50×10-2 Gy·s-1时,ΔS V与频率的关系曲线Fig.5 The curves ofΔS V-frequency in Antimonide based HBTs at the dose rate of 1.50×10-1 Gy·s-1

经分析,在1～30 Hz频率范围内,辐照前后的ΔSV与f的关系如公式(3)所示,表明低频噪声为1/f噪声。

ΔSV与频率的关系式为:

式中:ΔB 为噪声幅值的差值;k 为1/f噪声指数。

图6为不同吸收剂量率下1/f噪声指数与吸收剂量(D)的关系图,可以看出k 在不同吸收剂量率、吸收剂量下数值基本一致,并不随之变化,说明k 只与锑基异质结晶体管本身特性有关,辐照并未引起k 的变化。但是由于锑基异质结晶体管的特性,其k 不等于1,k 约为1.9。

图7为不同吸收剂量率下ΔB 与总吸收剂量的关系图,可以看出,在2种吸收剂量率下,ΔB 随着吸收剂量的增大而缓慢增大,在300 Gy时,ΔB 最小,在1000 Gy时,ΔB 最大,但是ΔB 量级都为-10-14V2·Hz-1。

图6 不同吸收剂量率下1/f噪声指数与吸收剂量的关系图Fig.6 Relationship between k and dose at different dose rates

图7 不同吸收剂量率下ΔB 与吸收剂量的关系图Fig.7 Relationship betweenΔB and dose at different dose rates

除噪声信息外,本文利用μ 和N 这两个物理量来直接表征锑基异质结晶体管的电学性能变化。高速的μ 和极高的N 是锑基异质结晶体管作为高速低功率器件工作的前提,它们决定了锑基异质结晶体管的性能优劣。表1和表2分别给出了不同吸收剂量率、总吸收剂量下的锑基异质结晶体管的μ 和N 信息。从表1和表2中可以看出,辐照前锑基异质结晶体管的μ 可达3.81×107m2·V-1·s-1,N 的绝对值可达1.42×1022m-3。辐照后μ 增大了1.35%～6.48%,最大为4.06×107m2·V-1·s-1。同时,N 的绝对值增大1.43%～6.88%,绝对值最大为1.52×1022m-3,这表明辐射优化了锑基异质结晶体管的μ 和N 这两个重要特性。

表1 不同吸收剂量率、总吸收剂量的锑基异质结晶体管的μTab.1 The values ofμin Antimonide based HBTs at different dose rates and doses

3 讨论

3.1 锑基异质结晶体管的TID

低频噪声信息,尤其是1/f噪声,可作为一种灵敏的电子材料及器件内部缺陷的表征手段[28-30],现已被用于表征电子器件的辐射损伤。在射线辐射作用下,电子材料和器件内部缺陷的增多、结构的破坏都会导致低频噪声功率谱密度增大[31-32],如1995 年,Babcock等[33]利用低频噪声信息分析了UHV/CVD SiGe HBT在60Coγ射线作用下的耐辐照能力,实验表明总吸收剂量的增大导致SiGe HBT性能不断下降,其电流增益随着吸收剂量的增大而不断减小,内部缺陷增多,其噪声信息表现为辐照后的SV在低频范围内相较于辐照前增大。在本文中,锑基异质结晶体管的SV在辐照后减少,说明其内部缺陷减少,锑基异质结晶体管性能变好。但是从图4和图5中可以看出,在1～30 Hz频率范围内,虽然ΔSV＜0,但是ΔSV随着总吸收剂量的增大而呈现增大趋势,表现为ΔSV(300 Gy)＜ΔSV(600 Gy)＜ΔSV(1000 Gy)～ΔSV(1500 Gy),这说明锑基异质结晶体管存在TID。

从图7可以看出,在2种吸收剂量率下,在300～1500 Gy时ΔB 量级都为-10-14V2·Hz-1,并未出现量级的差别,和Si BJTs[34]相比,锑基异质结晶体管表现出较弱的TID。但是总体而言,在300～1500 Gy吸收剂量范围内,ΔB＜0,说明该器件具有良好的耐总剂量辐照能力。

3.2 锑基异质结晶体管的ELDRS

硅器件中导致ELDRS的一个重要因素是器件内部的界面态陷阱和氧化层陷阱[31],这些缺陷是因为器件中存在SiO2层而引起的。在硅器件制备过程中,硅材料表面极易形成稳定且晶格失配率极低的SiO2绝缘层,迄今为止,还未找到比SiO2晶格更为匹配的硅器件用绝缘材料。但是在低剂量率辐射条件下,较之高剂量率Si/SiO2层之间产生更多的氧化层陷阱,不断俘获载流子,致使载流子浓度减少速度增大,迁移率下降速度变快,从而表现出ELDRS。

从图6和图7看出,吸收剂量率为1.95×10-1Gy·s-1和1.50×10-2Gy·s-1时,在误差范围内,锑基异质结晶体管的k 并未改变,ΔB 基本相同,并未随着吸收剂量率的减小而增大。与之对应的,μ 与N 与吸收剂量率并不存在明显的对应关系。综上所述,噪声信息和载流子信息都表明锑基异质结晶体管在1.50×10-2～1.95×10-1Gy·s-1吸收剂量率范围内并不存在ELDRS。

本文推测锑基异质结晶体管之所以未表现出ELDRS,得益于其制备工艺中氧化层的缺失及器件内部各个界面之间低的晶格失配率。本文制备的锑基异质结晶体管在半绝缘GaAs衬底上生长了8层纳米级电子材料,制造出7个界面。在这7个界面的制备过程中,严格限制氧元素的介入,避免产生大量的氧化层陷阱,避免了在界面处形成氧化层进而导致ELDRS。另一方面,本文中的锑基异质结晶体管所用内部材料属于“0.61 nm材料体系”,这个材料体系内固有的晶格失配最大为0.7%,从根本上减少了界面处悬挂键的产生,极大降低了异质结晶体管的界面态缺陷密度,从而抑制了ELDRS在锑基异质结晶体管中的表达。

3.3 60 Coγ射线对锑基异质结晶体管的辐射退火效应

在本文中,锑基异质结晶体管的SV在辐照后减少,说明其内部缺陷减少,锑基异质结晶体管性能变好。

制备的锑基异质结晶体管未辐照前已经具有优良的电子迁移率性能,室温下μ 可达3.81×107m2·V-1·s-1,可作为高迁移率器件使用。在高迁移率的同时,制备的锑基异质结晶体管也具有较大的电子浓度,室温下N 可达-1.42×1022m-3,此处的“-”表明载流子为电子。经过60Coγ射线辐照后,锑基异质结晶体管的μ 和N 绝对值同时增大,这种μ 和N绝对值同时增大的现象称之为辐照退火效应[14],即在射线的照射下,使得电子材料或器件内部的缺陷减少,进而改善电子材料或器件的性能。辐照退火效应类似于温度退火[35]效应。

早在1979年,Mcmahon等[14]就发现离子注入的硅p+-n结在电子辐照后,性能得到极大改善,可与高温退火的硅p+-n结性能相似,因此,Mcmahon等建议用电子辐照来替代温度退火,不仅可以改善器件结构性能,并可避免高温退火时掺杂元素的再次扩散对器件性能的影响。硅器件作为最成熟、应用最广泛的电子器件,一直深受TID的影响,其性能随着吸收剂量的增加而不断变坏,未有60Coγ射线对硅器件进行退火效应的报道,致使广泛认为60Coγ射线不具备对电子学材料退火的功能。本文所发现的60Coγ射线辐照后锑基异质结晶体管性能改善是首次发现的电子器件γ射线辐射退火效应。

60Coγ射线平均能量为1.25 Me V,该能量的光子与锑基异质结晶体管中的物质相互作用机制主要为电离效应,产生的电子-空穴对可与器件内部缺陷相互作用,使得锑基异质结晶体管制备过程中引入的缺陷被中和。但是ΔSV随着吸收剂量的增大呈现增大趋势,说明辐射导致了新的缺陷中心,对器件性能形成新的损伤,致使优化作用减弱。因此,为了获得性能更为优良的锑基异质结晶体管,需对辐射条件进行调控。

4 结论

本文利用60Coγ射线对MBE技术制备的锑基异质结晶体管的TID效应和ELDRS效应进行了研究,研究表明在吸收剂量率范围为1.50×10-2～1.95×10-1Gy·s-1,总剂量范围为300 Gy(Si)～1500 Gy(Si)的γ辐射环境中,锑基异质结晶体管未显现ELDRS,仅表现出微弱的TID。但是总体而言,锑基异质结晶体管低频噪声SV较之辐照前降低,μ 增大了1.35%～6.48%,N 增大了1.43%～6.88%,表明辐射使得锑基异质结晶体管退火,性能变得更为优良。本研究制备的锑基异质结晶体管经辐照后,室温下μ 最高可达4.061×107m2·V-1·s-1,N 的绝对值最高可达1.52×1022m-3,具备作为高速低功率器件的使用潜质。

致谢

衷心感谢中国工程物理研究院核物理与化学研究所钴源辐照装置运行组在相关实验中给予的大力支持和帮助。