AlGaN/GaN HEMT 质子辐射效应研究进展

季启政，刘 峻，杨 铭，胡小锋，万发雨，刘尚合*

（1. 中国人民解放军陆军工程大学 电磁环境效应重点实验室，石家庄 050003；2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094； 3. 南京信息工程大学 电子与信息工程学院，南京 210044；4. 北京东方计量测试研究所，北京 100086）

0 引言

航天用元器件除需满足体积小、重量轻、稳定性好等要求外，还需满足一定的耐高温、高击穿电压以及抗辐射的条件。目前常见的半导体材料主要以硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表，但这类材料较窄的禁带宽度使其在高温、高工作电压、高辐射环境下性能不稳定。新兴的第三代宽禁带半导体中的氮化镓（GaN）逐渐成为研究热点，其禁带宽度是传统Si 材料的3 倍，具备优异的电学性能（电子迁移率高、介电常数小、饱和漂移速度快、击穿电场强等）和化学稳定性。基于GaN 材料制备的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT）不仅继承了GaN 材料本身的优点，并且无须掺杂就可获得高浓度、高迁移率的二维电子气（2DEG），解决了掺杂所带来的散射问题，主要用作射频和微波功率器件。AlGaN/GaN HEMT 从最初问世至今已经发展了近30 年，其各方面性能都已得到极大的发展和提高，但其辐射效应方面的研究还有待深入，特别是对该器件经历辐射后性能下降的原因尚未有完善的机理解释。航天器在空间中所受辐射主要来自银河宇宙线、太阳宇宙线和地球辐射带，其中银河宇宙线、太阳宇宙线中的质子占比分别为85%和90%以上，地球辐射带中的主要辐射源为质子和电子。质子能够同时引起电离和位移效应，影响器件性能，因此对器件的质子辐射效应研究十分必要。

本文总结近年来AlGaN/GaN 异质结材料与器件质子辐射效应的研究现状，归纳目前研究提出的辐射损伤机理以及质子能量和注量参数对AlGaN/GaN HEMT 性能的影响，并针对目前研究中存在的不足提出未来研究方向建议。

1 AlGaN/GaN HEMT 辐射损伤机理与效应研究

空间中的质子、电子、离子等高能带电粒子会影响航天器中半导体器件的工作状态，使器件出现软失效、性能下降甚至停止工作。空间粒子对器件的损伤已经成为影响航天器正常运行的重要因素之一。

虽然理论上AlGaN/GaN HEMT 具有优异的抗辐射能力，但在实际的制备中，由于异质结外延生长过程中会出现外延层之间的热失配，而且外延层之间晶格常数的不同也会导致晶格失配，使AlGaN/GaN HEMT 内部出现高密度缺陷，加上热退火等器件制备工艺带来的晶格损伤，使AlGaN/GaN HEMT的可靠性在复杂的空间辐射环境，特别是质子辐射下面临十分严峻的挑战。器件的质子辐射效应包含电离效应和位移效应，这2 种效应的区别在于入射粒子与器件的作用机理不同。

1.1 电离效应

电离效应主要表现为总剂量效应和单粒子效应，其所需能量较小，表现为通过破坏半导体内部能带平衡产生能够自由移动的电子-空穴对，在工作电场的作用下，空穴和电子沿着电场线分别向相反方向漂移，形成附加电流，改变器件性能甚至使器件损毁。总剂量效应为累积的辐射损伤效应，即随着辐射剂量的增加，半导体内部因能量吸收产生的缺陷逐渐累积，该效应也愈发显著。与总剂量效应不同，单粒子效应为由单个高能粒子引起的辐射效应。当高能粒子穿过半导体器件的敏感区域时，在其行经轨迹上会产生大量的电子-空穴对，形成附加电流对器件造成不同程度的影响。单粒子效应包含单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子烧毁和单粒子栅击穿等，其中单粒子翻转、单粒子瞬态会引发软失效，对器件造成的损伤可恢复；而单粒子烧毁、单粒子栅穿则会引发硬失效，对器件造成不可逆的永久性损伤。早先研究表明，AlGaN/GaN HEMT 对于质子引发的单粒子效应并不敏感，因为质子在GaN 中的线性能量传输（linear energy transfer, LET）不足以直接引起单粒子效应。但高能质子通过弹性散射和非弹性散射产生的原子序数较高的重离子具有较高LET 值，能够间接诱发单粒子效应。因此，目前国际上许多关于AlGaN/GaN HEMT 单粒子效应的研究都直接采用重离子进行。

1.2 位移效应

位移效应是指粒子撞击使原子产生位移，远离原本的晶格位置并留下空位。质子造成的位移效应是GaN 基器件性能退化的主要原因，但只有粒子传递给Ga、N 原子的能量大于两者所需最小位移能量时，才能产生位移损伤。位移效应在器件内部不同位置产生的缺陷对器件的影响有所不同。这些缺陷主要分为GaN 体缺陷、AlGaN 体缺陷、异质结界面缺陷以及AlGaN 表面态，对于拥有钝化层的器件还包括AlGaN/钝化层界面缺陷。2DEG 被束缚在AlGaN/GaN 异质结界面处，距AlGaN、GaN体缺陷较远，体缺陷主要通过附近带电缺陷中心利用库仑作用缩短载流子寿命而降低迁移率；异质结界面处缺陷除了降低载流子迁移率外，受主型缺陷会俘获电子降低2DEG 浓度；AlGaN 表面态和AlGaN/钝化层界面缺陷可起到“虚栅”的作用，影响2DEG沟道处的2DEG 浓度，减小漏极电流从而影响器件输出性能。

当前大部分研究仅对辐照后器件的性能变化做出描述，也有部分研究聚焦于粒子进入器件内部后的作用机理。2004 年，Hu 等利用1.8 MeV 的质子照射AlGaN/GaN HEMT，发现注量为10cm的情况下其输出特性曲线中漏极饱和电流下降了10.6%，而漏极饱和电流与载流子迁移率、2DEG 浓度密切相关。质子通过撞击晶格中的原子造成位移损伤，类似掺杂过程生成大量陷阱，包括施主型和受主型。在Kalavagunta 等2008 年的研究中发现，施主型陷阱对2DEG 浓度几乎没有影响，导致2DEG 浓度下降的原因是受主型陷阱通过电荷复合俘获载流子；不同能级缺陷对器件直流特性的影响也不相同，其中深能级缺陷比浅能级缺陷对直流特性的影响更大（见图1）；他们还发现AlN 插层中的缺陷并不会对2DEG 浓度产生影响，辐照生成的带电缺陷中心会通过增强2DEG 沟道中的库仑散射强度缩短载流子寿命以降低载流子的饱和迁移率。2011 年，吕玲等利用3 MeV 的质子照射AlGaN/GaN HEMT，推断器件的性能退化由位移损伤引起，并认为Ga 空位属于类受主型缺陷，而N 空位属于类施主型缺陷，在将空位模型导入Slivaco 仿真软件后发现，仿真结果与实验结果间的数据符合度较好。2015 年，Ives 等在对GaN HEMT 中由质子辐照引起位移损伤的研究中发现，器件中产生的施主型和受主型缺陷在不同质子注量水平下所占比重不同：施主型缺陷在低注量时占主导地位，受主型缺陷在高注量时占主导地位。

图1 AlGaN 中2DEG 浓度随不同类型缺陷能级的变化[29]Fig. 1 2DEG density as a function of defect energy and defect type in AlGaN[29]

关于质子辐照引起的位移效应，目前绝大部分研究人员比较认可的是空位产生缺陷俘获载流子和缩短载流子寿命这2 种机理，也有少部分研究者将目光聚集到AlGaN/GaN 异质结材料比较独特的性质——压电极化上，以期探寻更合理的解释。与AlGaAs/GaAs 异质结依靠掺杂形成高浓度载流子不同，AlGaN/GaN 异质结中的高浓度2DEG 十分依赖于2 种材料间的压电极化，由于异质结外延过程中带来的晶格失配以及热退火损伤使得异质结界面处十分敏感，辐照引起的位移损伤改变内部的晶格结构，发生应力弛豫，进而影响材料间的压电极化。目前已有研究证实质子辐照下的AlGaN/GaN HEMT 存在应力弛豫现象。范隆等于2007 年建立了辐射感生应力弛豫模型（图2），因辐射感生应力弛豫导致的极化电荷密度减小是辐射感生应力弛豫度()的函数，其中表示辐射剂量且()∝D（与粒子类型以及能量相关，取值在0～1之间）。根据这个模型，随着()的增加，2DEG 浓度呈线性下降，从而导致漏极饱和电流的降低。除了对输出特性曲线的影响，()的增大还导致阈值电压正向漂移，造成漏源电流-栅源电压（-）的平移，但跨导峰值不受影响，其原因可能是模型只考虑了()对电荷密度的影响，并没有将缺陷对肖特基势垒高度的影响纳入。除此以外，对于Al组分较高的AlGaN/GaN HEMT，辐射感生应力弛豫的影响更加明显，而Al 组分在一定程度上增加有利于增强压电极化，进而增加2DEG浓度。这种现象对于如何在增加Al 组分提高2DEG 浓度和提升器件抗辐射性能之间寻找平衡点具有一定指导意义。

图2 2DEG 浓度ns 在不同Al 组分m 下随辐射感生应力弛豫度r 的变化[33]Fig. 2 2DEG density as a function of Al content and strain relaxation degree[33]

2 质子辐照对AlGaN/GaN HEMT 性能的影响

范·艾伦辐射带是由地球磁场捕获的高能电子和质子组成的，分为内外2 层，对运行中的航天器有一定危害。质子作为内辐射带的主要成分之一，能量分布区间广泛，其作用包含电离损伤和位移损伤，前者是瞬时效应，后者在半导体器件内部形成缺陷造成永久性损伤。研究表明AlGaN/GaN HEMT 具有很强的抗电离辐射特性，故将质子辐照后AlGaN/GaN HEMT 性能下降归因于质子在器件内部产生的位移损伤。质子能量和注量作为质子辐照的主要参数，对质子的辐射效应有着不同程度的影响。

2.1 质子能量对AlGaN/GaN HEMT 性能的影响

质子在AlGaN/GaN HEMT 中造成的位移损伤可以利用非电离能量损失（non-ionizing energy loss,NIEL）进行衡量，NIEL 越大对应的位移损伤越严重，不同的质子能量对NIEL 有很大影响。2004 年，Hu 等测试了4 组不同能量（1.8、15、40、105 MeV）质子辐照下AlGaN/GaN HEMT 的输出特性和转移特性曲线，发现15、40、105 MeV 质子辐照下，器件的性能几乎没有受到影响，且器件损伤在室温退火后完全恢复；而在相同注量（10cm）下，1.8 MeV质子辐照下器件性能的退化比105 MeV 质子辐照下的更加严重——漏极饱和电流降低10.6%，跨导峰值降低6.1%。从而认为，1.8 MeV 的质子具有更大的非电离能量损失，将导致器件更为严重的位移损伤。2018 年，Keum 等通过1 MeV 和2 MeV 质子辐照实验（质子注量均为5×10cm）得到了增强型AlGaN/GaN HEMT 的一系列电学参数并分析其退化规律，结果显示，无论是在1 MeV 还是2 MeV辐照下，器件的阈值电压和漏极电流均有所衰退，但1 MeV 质子辐照后器件的漏源电流比2 MeV质子辐照后的多下降了13.4%，阈值电压正向漂移的幅度也从1.1 V 增大到2.68 V。这表明随着质子能量的降低，器件的漏源输出电流和阈值电压等性能下降更为严重。吕玲等也于2021 年研究了质子能量在增强型AlGaN/GaN HEMT 性能下降中的作用，其研究结果与Keum 等的研究结果一致；此外，他们发现即使在140 keV 质子的注量（10cm）比70 keV 质子的注量（10cm）高1 个数量级的情况下，70 keV质子辐照后器件的最大跨导线密度仍比140 keV质子辐照后的多下降了14.2%。为了探究质子能量越低器件性能下降幅度越大的原因，他们利用SRIM 仿真软件计算质子引起的非电离能量损失及其在外延层中的深度分布（图3），结果发现：NIEL 在器件中的主要分布与质子的入射深度呈正相关，能量越大的质子在器件中的入射越深，2DEG 沟道处晶格损伤反而得到了缓解；随着质子入射能量的减小，NIEL 在器件中的主要分布深度变小，由其引起的位移损伤主要在沟道附近，导致低能质子对器件造成的损伤更为严重。

图3 不同能量质子在器件中的非电离能量损失随入射深度的分布[36]Fig. 3 NIEL as a function of protons of different energy and incident depth[36]

何欢等于2019 年运用分子动力学研究方法分析了GaN 在低能质子辐照下的损伤，发现质子在与GaN 发生碰撞后产生一系列的初级离位原子（PKA），这些离位原子会继续在内部发生碰撞形成不同种类的点缺陷（空位、间隙原子、反位原子）。模拟发现：初级离位原子的能量与其产生的点缺陷数量呈较好的线性关系（见图4）；而且不同种类的点缺陷数量都是先随时间推移而上升，达到顶峰后又快速衰减（见图5），这主要是因为辐照后器件内部缺陷发生复合，其复合率达到90%。除利用仿真软件模拟不同能量质子对器件的影响程度，有研究者通过直接观察器件内部损伤来评价不同能量质子对器件的影响。2006 年，Sonia 等通过聚焦离子束刻蚀法制备了AlGaN/GaN HEMT栅区截面样品，用透射电镜分别观察未辐照、2 MeV以及68 MeV 质子辐照（质子注量均为10cm）后的截面样品，结果发现：相较于68 MeV 质子，2 MeV质子在栅区的沉积数目更大，金属栅下截面损伤程度更为严重；器件的转移特性曲线显示，2 MeV 质子辐照后的器件跨导性能略有下降。

图4 弗兰克尔点缺陷对数随PKA 能量的变化[39]Fig. 4 Logrithmic number of Frenkel point defect as the function of PKA energy[39]

图5 10 keV 的PKA 产生的点缺陷数量随时间的变化[39]Fig. 5 Number of point defect produced by 10 keV PKA as a function of time[39]

2.2 质子注量对AlGaN/GaN HEMT 性能的影响

高能质子与晶格中的原子（主要是Ga 原子）相互碰撞迫使晶格位移产生带电缺陷中心，其中带电缺陷产生的库仑散射的变化与带电缺陷中心的数目成正比，并从降低载流子迁移率和降低载流子浓度两方面导致器件性能退化。由于2DEG 沟道属于二维系统，沟道外层的带电缺陷产生的库仑散射可缩短载流子寿命，降低载流子迁移率，但不会俘获载流子；沟道内部的缺陷可以俘获载流子，降低2DEG 浓度，但沟道太薄以至于质子在沟道处产生缺陷的概率很小。当质子注量增加时，沟道外层缺陷的贡献越来越重要，由其引起的载流子迁移率变化会较2DEG 浓度变化对器件性能影响更占据主导地位。2002 年，Gaudreau 等发现AlGaN/GaN HEMT 的2DEG 浓度以及载流子迁移率都会受到质子辐照损伤的影响，但后者所受影响大于前者；在2 MeV 质子辐照下，随着质子注量的增加，在达到3.3×10cm和5×10cm时载流子迁移率会呈断崖式下跌（参见图6）。2003 年，Hu 等在室温下利用能量为1.8 MeV 的质子辐照AlGaN /GaN HEMT，结果当质子注量低于1×10cm时，器件性能几乎不发生变化，阈值电压在-6 V 处波动幅度不大；当注量达到3×10cm时，器件性能急剧下降，漏极电流下降80%，阈值电压也正向漂移至-3.5 V。同年，White 等利用同样能量的质子辐照对AlGaN/GaN HEMT 进行实验，发现在较低质子注量（≤1×10cm）下主要是接触电阻受到影响（参见图7），沟道的传输特性，如漏极饱和电流及跨导没有显著变化；在较高质子注量（＞1×10cm）下沟道处载流子的迁移率迅速降低从而影响器件性能，载流子浓度在质子注量＞2×10cm前并无明显变化（参见图8）。

图6 25 K 温度下载流子迁移率随质子注量的变化[41]Fig. 6 Mobility as a function of proton fluence at 25 K[41]

图7 方块电阻与接触电阻随质子注量的变化[43]Fig. 7 Sheet resistance and specific contact resistivity as the function of proton fluence[43]

图8 归一化载流子迁移率与载流子浓度随质子注量的变化[43]Fig. 8 Normalized mobility and 2DEG sheet density as the functions of proton fluence[43]

Kim 等于2008 年研究了17 MeV 质子在3 种不同注量 （7.2×10cm、2×10cm、2×10cm）下辐照AlGaN /GaN HEMT 后器件性能的变化（见图9），结果表明：在7.2×10cm注量下器件的输出特性曲线并无变化，2×10cm和2×10cm注量下漏极电流分别下降16%和43%；在最大注量下，器件跨导下降约29%，主要是因为带电缺陷中心降低了肖特基势垒高度，削弱了栅极对电流的控制能力。通过对器件最大注量下辐照前后的阴极荧光（CL）光谱（图10）进行观察发现，光谱强度最大下降了76%。光谱强度表征的是半导体内部缺陷程度，光谱强度下降76%表明器件内部有大量缺陷，但光谱下降程度与漏极电流下降43%的程度相差较大，其原因主要是器件内部导电沟道极薄以至于与入射质子发生碰撞的概率很小，这也与前文所述沟道外层缺陷贡献占主导的理论相契合。

图9 AlGaN/GaN HEMT 在不同质子注量下的输出特性曲线[44]Fig. 9 The IDS-VDS of AlGaN /GaN HEMT at various VGS before and after proton irradiation of various fluence[44]

图10 AlGaN/GaN HEMT 在不同质子注量下的CL 光谱[44]Fig. 10 The CL spectra of AlGaN /GaN HEMT before and after proton irradiation of different doses[44]

随着质子注量增加，器件中俘获载流子的辐照缺陷中心增多使材料逐渐呈现半绝缘特性，导致方块电阻增大。同时，由于所俘获的载流子更容易被激发，降低了器件的击穿电压，在达到一定电压后缺陷中大量电子被激发，漏电流迅速增加导致器件被击穿。Karmarkar 等于2004 年的研究发现质子辐照除了会俘获电子降低2DEG 浓度，以及增强库仑散射降低载流子迁移率外，还通过对AlGaN/GaN HEMT 肖特基二极管特性的研究发现，1.8 MeV 质子辐照下二极管串联电阻随着质子注量的增加逐渐升高，在3×10cm质子注量下增加了约53%，并且肖特基势垒在1×10cm质子注量下增加了0.1 eV。严肖瑶对70 keV 和140 keV 质子辐照下器件TLM（Transmission Line Model）特性进行对比（见图11(a)）后发现，对于相同能量的质子辐照，在达到一定注量后，器件的方块电阻会随着注量增加而急剧增加，质子能量相对较低的情况下，该注量阈值会有所降低；根据不同质子注量下的台面漏电情况（图11(b)）分析发现，器件击穿电压随着质子注量的增加而下降。

图11 不同能量及注量质子辐照对AlGaN/GaN HEMT 的TLM 特性影响对比[46]Fig. 11 Comparison of proton irradiation with different energy and dosage on TLM characteristics of AlGaN/GaN HEMT[46]

2.3 小结

低能质子在进入器件内部时通过非弹性碰撞损失能量引入位移损伤并最终沉积在器件内部，形成的缺陷除了通过常见的俘获电子和增强载流子散射这2 种方式降低器件性能外，还通过压电极化特性影响器件性能，改变晶格结构和异质结界面应力进而减少降低沟道处载流子浓度。

较低能量的质子只有在较高注量的情况下才会使器件出现较为严重的性能下降，并且降低器件的击穿电压，削弱器件的可靠性。

3 分析讨论

本文通过典型代表性文献的调研分析，总结了质子对AlGaN/GaN HEMT 的辐射效应和作用机理，并且列举了不同能量和注量参数的质子对器件的输出特性和转移特性产生的影响。

由前文知，质子辐射引起的AlGaN/GaN HEMT性能下降，主要应归因于质子在半导体内部产生的位移效应。关于位移效应，目前绝大多数研究都聚焦于空位形成的缺陷，以及缺陷作为复合中心或库仑散射中心能够俘获载流子、降低载流子浓度，或增强载流子所受散射强度从而缩短载流子寿命。这种机理解释对于AlGaN/GaN HEMT 和常规半导体器件（Si 基或GaAs 基）是共通的，然而不足以完整解释位移效应在AlGaN/GaN HEMT 中的作用。相比于常规半导体器件，AlGaN/GaN HEMT 具有载流子的形成依赖于异质结界面处的压电极化的特点。位移效应在异质结附近引起的空位势必会影响AlGaN/GaN 之间的应力分布，改变压电极化，进而影响沟道中的载流子浓度以及输运。然而，目前从压电极化角度分析AlGaN/GaN HEMT 的质子辐照效应的研究仍有欠缺。

对AlGaN/GaN HEMT 进行辐照研究，主要目的是使该器件能够更好地应用于航天等领域。就空间环境而言，不同航天器轨道上的质子能量和注量率有所不同，结合第2 章分析，不同能量和注量的质子对器件的影响也不同。目前大多数研究是基于其具备的实验条件对质子辐照参数进行设置，实验条件相对笼统，并没有考虑航天器在轨所受的实际辐射环境。另外，现有研究更多地通过质子辐照前后器件的输出特性、转移特性以及方块电阻等参数的变化分析AlGaN/GaN HEMT 的质子辐射效应，更倾向于分析质子在器件内部的微观作用机理，而较少关注质子辐照对器件频率特性、功率特性、耐压特性等宏观性能和特征的影响。然而，AlGaN/GaN HEMT 的优势应用领域恰恰是微波功率领域，因此器件的上述宏观特性是直接面向应用的关键特性，是当前研究必须补齐的短板。

4 未来研究方向建议

航天事业的发展对半导体器件提出了更高要求。相较于传统Si、GaAs 器件，AlGaN/GaN HEMT因其各项优异特性成为了当前研究热点之一。虽然国内外已在AlGaN/GaN HEMT 本身特性方面开展较多研究，但针对器件辐射特性的研究尚有欠缺。作者在前文分析的基础上，对AlGaN/GaN HEMT质子辐射效应的未来研究方向提出以下建议：

1）开展AlGaN/GaN HEMT 辐射损伤机制研究。从压电极化角度出发，完善AlGaN/GaN HEMT辐射损伤机制，有利于对当前辐射效应机理解释理论体系形成有效补充，更好地阐明微观机制并针对性地提出器件抗辐射性能优化方案。

2）开展不同轨道环境下的AlGaN/GaN HEMT质子辐射效应研究。模拟不同轨道处相应的质子辐射环境，深入全面掌握器件的辐射效应，有助采取更适合的屏蔽和/或加固措施。

3）开展质子辐照对AlGaN/GaN HEMT 宏观特性影响研究。面向AlGaN/GaN HEMT 实际应用需求，开展质子辐照对器件频率特性、功率特性及耐压特性等宏观特性的影响研究，有利于促进AlGaN/GaN HEMT 的实际应用。