伽马辐照对量子点嵌入式HEMT力敏结构的影响*

王瑞荣，郭 浩，唐 军，刘金萍，刘丽双

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051; 2.太原工业学院 电子工程系，山西 太原 030008)

0 引 言

量子点(quantum dot,QD)嵌入式高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)力敏传感器由于具有高电子迁移率、高灵敏度、高带宽、优异的电学特性[1]等优点而被应用于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)传感器，这些优异的特性使得MEMS传感器在航空航天、空间通信、卫星、军事和核领域有着广阔的应用前景[2～4]。然而，这些领域的辐照严重，很容易导致敏感单元的参数变化，严重时甚至会导致元器件完全失效[5]，同时太空环境以及核辐射环境中产生的γ射线[6,7]，会对MEMS传感器的稳定性工作产生影响。因此,研究[1]γ射线对MEMS传感器工作性能及结构损伤的影响具有重要的意义。

本文设计了一种InAs QD嵌入式HEMT力敏结构，通过60Co-γ射线对InAs QD-HEMT力敏结构进行了不同剂量的辐照，对辐照前后力敏结构的输出特性、力敏特性进行了测试。与未辐照样品进行对比，结果表明:InAs QD-HEMT力敏结构辐照后的漏极电流与灵敏度都发生降低，漏极电流降低的主要原因是辐照过程中InAs QD-HEMT结构中引入了缺陷，导致结构的二维电子气载流子浓度与迁移率降低，从而对输出电流产生影响。

1 结构设计

设计了一种基于2-DEG InAs QD嵌入式HEMT结构，通过台面刻蚀、源漏和栅极金属化、钝化等方法在半绝缘GaAs衬底上制备了样品。首先在半绝缘GaAs衬底表面生长200 nm高纯度GaAs缓冲层，生长较厚的缓冲层可以避免有源层受到衬底缺陷、有害杂质和热转换的影响。再在GaAs缓冲层的顶部沉积GaAs/AlGaAs超晶格结构层、GaAs沟道层、InAs量子点层，再生长12 nm高纯AlGaAs作为隔离层;接着沉积16 nm的 n-AIGaAs势垒层，栅极肖特基接触在这一层。势垒层上面是高纯度GaAs隔离层，最后是45 nm的高掺杂GaAs帽层，用来进行源极、漏极欧姆接触的加工。本文设计的InAs QD-HEMT力敏结构的栅长为0.5 μm，栅宽为176 μm，沟道层的厚度为50 nm，结构示意图如图1所示。

图1 InAs QD-HEMT结构示意

采用QD-HEMT作为MEMS传感器的力敏单元，当对传感器施加应力作用时，QD-HEM力敏单元由于受到力作用而使能带结构及内部晶格发生变化。其中,沟道层产生变形会造成自由电子迁移率的变化；内部晶格变化引起晶格膨胀，导致散射效应增强，进一步影响自由电子迁移率；能带结构的改变会影响价带到导带的电子转移，并改变自由电子浓度，造成导电性、迁移率的改变。这些改变的因素都会对QD-HEMT结构中的二维电子气产生影响，导致输出电流发生变化，宏观上表现为QD-HEMT输出电流(IDS)的变化。应力作用下QD-HEMT力敏结构的能级变化示意图如图2所示，通过这一物理过程，实现了力学信号到电学信号的转化[8]。

图2 QD-HEMT力敏结构应力作用下的能级变化

2 实验条件

为了研究γ射线辐照对InAs QD-HEMT电学性能及力敏特性影响，设计了下面的实验。在进行辐照前，首先在室温条件下利用Keithley 4200半导体特性分析仪对InAs QD-HEMT结构进行了输出与转移特性测试。60Co-γ射线辐照实验在中国辐射防护研究院进行，γ射线平均能量为1.25 MeV。将样品分别放置于不同的透明塑料盒中，在室温条件下按照最大剂量率41.67 rad/s进行10 Mrad(Si)，50 Mrad(Si)，100 Mrad(Si)，150 Mrad(Si)不同剂量的辐照实验，辐照过程中样品处于开态且未施加偏压。其中,有一个原始样品未进行辐照，便于进行辐照前后的对比，辐照完成后立即进行器件性能测试。

3 结果分析

3.1 输出特性

图3为InAs QD-HEMT未辐照与150 Mrad剂量γ射线辐照后的输出特性曲线(IDS-VDS)。从图3可以看出，经过150 Mrad剂量辐照后InAs QD-HEMT结构的漏极饱和电流发生了降低，从105 mA减小到83 mA，减小了约21 %。产生这一现象的原因主要是由于辐照过程在结构中引入了缺陷，导致InAs QD-HEMT结构的二维电子气载流子浓度与迁移率降低，影响InAs QD-HEMT的电学特性。

图3 InAs QD-HEMT结构未辐照与150 Mrad辐照后输出特性曲线

3.2 力敏特性

根据量子隧穿效应原理，在1～10 nm尺寸范围内，随着尺寸的不同，量子隧穿几率也不同，量子隧穿概率与尺寸关系如图4所示[9～11]。

图4 量子隧穿概率

对不同剂量辐照后的InAs QD-HEMT结构的力敏特性进行了测试。使用实验室的JT—1500温度压力复合环境联合控制测试平台，进行常温环境下0～1 kPa压力作用下结构的力敏特性测试，测试系统如图5所示。

图5 力敏测试系统

力敏特性测试结果如图6(a)～(e)所示。灵敏度S=((U-U0)/U0)/ΔP,其中，U为InAs QD-HEMT结构施加应力后测得的电压，U0为初始电压，ΔP为对应应力的变化。

图6 不同剂量辐照后InAs QD-HEMT力敏特性变化

根据测试结果可以得到，在0～300 Pa应力范围内，未辐照前InAs QD-HEMT结构的灵敏度为3.06 kPa-1;10，50，100，150 Mrad辐照后InAs QD-HEMT结构的灵敏度分别为2.56，2.38，1.71，1.12 kPa-1。实验结果表明，不同应力作用下，随着辐照剂量的增加，InAs QD-HEMT结构的灵敏度降低，与未辐照相比，150 Mrad辐照后，QD-HEMT结构的灵敏度降低了63.4 %。产生这一现象的主要原因是,γ射线作用在半导体材料上，产生电离效应，电离产生电子—空穴对，电荷在半导体器件中不断地累积，从而使材料降解，导致器件性能严重退化。

4 结 论

本文利用60Co-γ射线对设计的InAs QD-HEMT力敏结构进行了不同剂量的辐照。由于辐照过程在结构中引入了缺陷，影响了HEMT结构二维电子气载流子浓度与迁移率，从而使漏极饱和电流从105 mA减小到83 mA，减小了约21 %。力敏特性测试结果表明:随着辐照剂量的增加，QD-HEMT结构的力敏特性不断减小。与辐照前相比，与150 Mrad剂量辐照后结构的灵敏度降低了 63.4 %，但高剂量辐照后QD-HEMT仍具有工作特性。