增强型Cascode 结构氮化镓功率器件的高能质子辐射效应研究

白如雪 郭红霞 张鸿 王迪 张凤祁 潘霄宇 马武英 胡嘉文 刘益维 杨业 吕伟 王忠明

1) (湘潭大学材料与工程学院,湘潭 411105)

2) (西北核技术研究所,西安 710024)

针对增强型共栅共源(Cascode)级联结构和耗尽型AlGaN/GaN 功率器件,利用60 MeV 能量质子开展辐射效应研究.获得了经质子辐照后器件电学性能的退化规律,并与常规耗尽型HEMTs 器件辐照后的电学性能进行了比较,发现增强型Cascode 结构器件对质子辐照更加敏感,分析认为级联硅基MOS 管的存在是其对质子辐照敏感的主要原因.质子辐照使硅基MOS 管栅氧化层产生大量净的正电荷,诱导发生电离损伤效应,使其出现阈值电压负向漂移及栅泄漏电流增大等现象.利用等效(60 MeV 能量质子,累积注量1×1012 p/cm2)剂量的 60Co γ 射线辐射器件得到电离损伤效应结果,发现器件的电学性能退化规律与60 MeV 能量质子辐照后的退化规律一致.通过蒙特卡罗模拟得到质子入射在Cascode 型器件内诱导产生的电离能损和非电离能损,模拟结果表明电离能损是导致器件性能退化的主要原因.

1 引 言

作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表之一,氮化镓(GaN)是一种直接带隙的半导体材料,其在室温下的禁带宽度为3.4 eV[1−3].氮化镓材料具有优异的材料特性,包括大的临界击穿电压、大的电子饱和漂移速度和高热导率等,这也使得氮化镓基器件在高频、大功率应用方面具有巨大潜力[4−6].同时,相比于GaAs 材料和Si 材料,GaN 材料的宽禁带特性使其理论上抗辐射性能更好,在航空航天领域前景可观[7−8].

质子是太阳宇宙射线和银河宇宙射线的主要组分,质子辐射对氮化镓基器件的影响不容忽视.近年来,国内外研究者针对AlGaN/GaN HEMT 器件的辐照损伤效应开展了一些研究[9−16].Keum 等[9]开展了增强型p-gate AlGaN/GaN HEMT 器件的5 MeV 质子辐照实验,辐照损伤导致器件的阈值电压负向漂移、饱和漏电流降低,分析认为这是由于辐照使p-gate 栅层空穴浓度降低所致;Wan 等[10]研究了低能质子辐照对商用增强型p-gate 氮化镓器件的影响,在不同偏压下,3.8 MeV 质子辐照使器件阈值电压负向漂移、跨导减小,分析认为这些退化是因质子入射在AlGaN,AlGaN/GaN 界面或AlGaN 缓冲层引入缺陷所引起的;吕玲等[11]利用70 keV 和140 keV 质子辐照增强型AlGaN/GaN HEMTs 绝缘栅器件,辐照导致器件阈值电压正向漂移,饱和漏电流急剧减小,栅泄漏电流增大,分析认为质子辐照在该器件沟道层、栅介质层及栅介质/势垒层界面引入了不同程度的缺陷,绝缘栅的存在使器件对质子辐照更敏感;Floriduz 等[12]利用24 GeV/ C 质子辐照增强型混合漏极嵌入式栅极(HD-GIT)AlGaN/GaN 晶体管,辐照导致晶体管饱和漏电流减小,阈值电压有微小的负漂,分析认为是质子辐照引入了缺陷.目前针对增强型氮化镓功率器件的质子辐射效应研究较少,商用的增强型氮化镓功率器件主要有Cascode 型氮化镓功率器件、增强型绝缘栅(MIS-HEMTs)器件、增强型p-gate 氮化镓功率器件.同时,对氮化镓器件的辐射效应研究主要集中在低能质子部分,有实验研究发现质子能量越小,器件因辐照损伤性能下降地越严重[17],但中高能质子辐照会使器件产生电离能损和非电离能损,电离能损对氮化镓器件造成的性能损坏同样不可忽视.

本文利用60 MeV 能量的质子,对增强型Cascode结构和耗尽型AlGaN/GaN 功率器件开展了辐照实验.主要研究高能质子辐照对器件直流特性的影响,通过计算机仿真软件模拟得到辐照诱导的电离能损和非电离能损,并利用等效剂量的60Coγ射线辐照器件得到电离损伤效应结果.为增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT 器件在极端辐射环境中的应用提供理论基础.

2 实 验

本实验选用的样品是共栅共源(Cascode)结构增强型AlGaN/GaN HEMT 器件,该器件由高压耗尽型GaN HEMT 和低压增强型Si MOSFET级联构成,器件结构如图1 所示.该器件不加栅压且漏源电压大于零时,工作在正向阻断模态;当栅压大于Si 基MOS 管的阈值电压时,器件正向导通;一旦Si 基MOS 管反向导通,器件将工作在反向导通模态.又因为Si 基MOS 管的漏源电压Vds_Si给GaN HEMT 的栅源电压Vgs_GaN 提供负偏置电压,因此控制Si 基MOS 管的通断即可控制GaN HEMT 的通断,从而实现常闭特性[18].由于硅基MOS 管的引入,器件具有更大的与驱动电路兼容的栅压浮动,应用范围更加广泛.图2 为器件开封装图.

图1 增强型Cascode GaN HEMT 器件结构图Fig.1.Structure diagram of enhanced Cascode GaN HEMT device.

图2 增强型Cascode 结构氮化镓器件开封装图Fig.2.Internal equivalent circuit diagram of enhanced Cascode structure.

利用西安200 MeV 质子应用装置开展增强型Cascode 结构和耗尽型AlGaN/GaN 功率器件质子辐照实验,利用该装置引出60 MeV 的准单能质子束流,质子注量达到1×1012p/cm2即停止辐照.辐照过程中,器件的3 个电极均接地.

3 实验结果与理论分析

3.1 实验结果

利用半导体参数分析仪Agilent B1500,对质子辐照前后的样品进行离线电学性能测试,通过直流特性曲线获得器件阈值电压、最大跨导及栅泄漏电流等电学参数[19].发现增强型Cascode 结构氮化镓器件的电学特性在质子辐照后有明显退化.辐照前后的转移特性曲线如图3 和图4 所示.

通常,在转移特性曲线上,选择跨导线密度最大值处做切线,该切线与横轴的交点所对应的电压称为阈值电压[19].图3 给出了经60 MeV 能量质子辐照后,器件的阈值电压及跨导变化.从图3 可见,质子辐照后,器件阈值电压出现明显负向漂移,由4.2 V 减小至3.0 V,漂移了1.2 V,跨导峰值由0.324 S/mm 降至0.260 S/mm,降低了约19.75%;从图4 可见,器件栅正向泄漏电流略微上升.

图3 质子辐照前后增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT 器件阈值电压及跨导曲线Fig.3.Threshold voltage and transconductance curve of Al-GaN/GaN HEMT devices of enhanced Cascode structure before and after proton irradiation.

图4 质子辐照前后增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT 器件栅泄漏电流曲线Fig.4.Gate leakage current profile of AlGaN/GaN HEMT devices with enhanced Cascode structure before and after proton irradiation.

图5 和图6 给出了60 MeV 质子辐照前后,耗尽型AlGaN/GaN HEMT 器件的转移特性曲线,从图中可以看出质子辐照对耗尽型氮化镓器件几乎没有影响.

图5 质子辐照前后耗尽型AlGaN/GaN HEMT 器件阈值电压及跨导曲线Fig.5.Threshold voltage and transconductance curve of depleted AlGaN/GaN HEMT devices before and after proton irradiation.

图6 质子辐照前后耗尽型AlGaN/GaN HEMT 器件栅泄漏电流曲线Fig.6.Gate leakage current profile of depleted AlGaN/GaN HEMT devices before and after proton irradiation.

图7所示为等效(60 MeV 能量质子,累积注量1×1012p/cm2)剂量的60Coγ射线辐照Cascode型器件转移特性曲线变化,等效转换公式为

质子能量为60 MeV 时,其LET 值为0.0086 MeV·cm2/mg,当注量达到1×1012p/cm2时,电离总剂量为137.6 krad(Si),剂量率为50 rad(Si)/s.从图7 可见,经60Coγ射线辐照后,器件阈值电压由4.15 V 减小到2.15 V,负向漂移了2 V;跨导峰值由0.335 S/mm 降至0.300 S/mm,降低了约10.45%.与质子辐照实验结果相比(图3),60Coγ射线辐照也会导致器件阈值电压负向漂移,且漂移的更加严重,跨导也出现明显下降.

图7 60Co γ 射线辐照前后增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT 器件阈值电压及跨导曲线Fig.7.Threshold voltage and transconductance curve of Al-GaN/GaN HEMT devices of enhanced Cascode structure before and after 60Co γ -ray irradiation.

3.2 实验分析

通过对增强型与耗尽型器件质子辐照前后的电学特性变化比较发现,增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT 器件对质子辐照更为敏感,分析认为其敏感的主要原因是级联的硅基MOS管在质子辐照后退化严重.由Cascode 结构的内部等效电路图(图8)可以看出,该器件最大的特点就是级联了低压增强型Si MOSFET 器件,且Cascode结构整体阈值电压主要由Si 基MOS 管控制.MOSFET 管的阈值电压Vth数学模型为[20]:

图8 增强型Cascode 结构内部等效电路图Fig.8.Internal equivalent circuit diagram of enhanced Cascode structure.

其中Not是氧化物陷阱电荷,Nit是界面陷阱电荷,COX是单位面积栅氧化层电容,εs是Si 的介电常数,NA是P 型沟道 区域的有效掺杂浓度,ϕFp是P 型衬底的费米势,ϕMS是金属半导体功函数差,k是玻尔兹曼常数,T是绝对温度,ni是Si 本征载流子浓度.Vth的负向漂移主要是由于质子辐照在栅氧化层中诱导产生大量电子-空穴对所引起的.由于电子在氧化层中的迁移率高于空穴,因此电子能够在较短时间内离开栅氧化层,而大部分空穴缓慢的移向SiO2/Si 界面,被陷阱俘获形成Not和Nit.又因为氧化物陷阱俘获电荷的速度比界面陷阱快出几个数量级[21],最终导致栅氧化层陷阱电荷Not比界面陷阱电荷Nit增长的多,使得Vth降低.

跨导(Gm)则指输出端电流的变化值与输入端电压的变化值之间的比值,可以表示为[22]

Gm数值表示输入端电压(VGS) 对输出端电流(IDS) 控制作用的强弱.跨导峰值的降低可以很好地评价栅区域的损伤程度.由图(3)中跨导可以看出辐照后Cascode 结构器件栅控能力急剧下降.如图4 所示,栅极泄露电流有所增加,分析认为,质子辐照在硅MOS 管中引入缺陷作为隧穿中心,加大了栅极电流的隧穿几率.

对于增强型Cascode 结构氮化镓功率器件而言,级联的硅基MOS 管是其重要组成部分,实验结果表明MOS 管对电离效应较敏感.当器件受到高能质子辐照时,硅基MOS 管内栅氧化层造成净的正电荷增大使得阈值电压降低,这也是引发器件电学特性特化的主要原因.阈值电压的降低使器件的静态功耗增大,甚至当器件在某个大小的栅压信号下本应表现为关态时,在辐照后即可开启,从而导致漏电增加甚至整个系统出现故障.大幅的阈值电压漂移表明质子辐照严重影响该功率器件的工作能力.

综上,高能质子辐照导致增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT 器件的电学性能出现明显退化,大幅度的阈值电压漂移说明质子辐照已经对该器件造成严重影响.高能质子辐照可以诱导产生电离损伤和非电离损伤,结合总剂量效应实验结果(图7)和上述公式分析,高能质子辐照产生的电离能损是使器件性能退化的主要原因.因此,高能质子辐照诱导产生电离能损对氮化镓器件造成的性能损伤不容忽视.

4 辐射损伤模拟

本节利用仿真模拟软件SRIM,计算质子辐照增强型Cascode 结构氮化镓功率器件,诱导其产生的电离能损和非电离能损随深度变化情况,仿真软件采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法,模拟粒子在物质中运动的物理过程.本次计算采用106个粒子,入射质子从靶材表面中心垂直入射.利用聚焦离子束(FIB)对器件进行切片处理,进一步结合扫描电子显微镜(SEM)分析,最终得到了低压功率MOSFET和耗尽型氮化镓的器件结构及各部分材料成分,根据分析结果(如图9 所示)构建仿真模型.

图9 器件切片分析结果示意图 (a)增强型硅基MOS 管;(b)耗尽型GaN 晶体管Fig.9.Schematic diagram of device slice analysis results:(a) Reinforced silicon-based MOS transistors;(b) depletiontype GaN transistors.

在硅基MOS 管中,栅氧化层以及Si/SiO2界面为电离辐射效应敏感区[23];在GaN HEMT 中,AlGaN/GaN 异质结界面为电离辐射效应敏感区[24].仿真计算结果如图10 和图11 所示.

从图10 和图11 可知,模拟60 MeV 质子辐照材料后,器件内同时产生电离能损和非电离能损.也可以明显看出,在器件敏感区部分产生的电离能损远高于非电离能损.无论是在Si MOS 还是在氮化镓HEMT 中,相同深度下的电离能损都要比非电离能损高4 个数量级以上,耗尽型氮化镓HEMT器件具有较强的抗电离损伤效应能力[25],137.6 krad(Si)的总剂量对应的电离损伤难以导致器件发生性能退化,本工作在实验中使用的耗尽型氮化镓HEMT 器件在质子辐照下也未发生退化.对于低压Si MOS,由于氧化层以及Si/SiO2界面的存在,电离损伤诱导的氧化物陷阱电荷及界面态陷阱电荷会对其性能产生显著的影响.在开展增强型Cascode结构AlGaN/GaN HEMT 功率器件的中高能质子辐照效应实验时.在较高的质子累积注量下中高能质子对器件的电离损伤效应不容忽视.

图10 级联硅基MOS 管中的电离能损和非电离能损随深度的变化Fig.10.Ionization and non-ionization loss in cascaded silicon MOS transistors vary with depth.

图11 级联耗尽型AlGaN/GaN HEMT 中的电离能损和非电离能损随深度的变化Fig.11.Ionization and non-ionization losses in cascaded depleted AlGaN/GaN HEMT vary with depth.

5 结 论

本文实验工作针对增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT 功率器件开展了质子辐照效应研究,实验结果表明在1×1012p/cm2的质子累积注量下,辐照导致Cascode 型器件阈值电压负向漂移,由4.2 V 减小至3.0 V,漂移了1.2 V;跨导峰值由0.324 S/mm 降至0.260 S/mm,降低了约19.75%.与常规耗尽型AlGaN/GaN 功率相比,增强型Cascode结构器件因为级联硅基MOS 管的存在会对质子辐照更加敏感,质子辐照导致硅基MOS 管产生电离损伤效应.利用等效(60 MeV 能量质子,累积注量1×1012p/cm2)剂量的60Coγ射线辐射器件得到电离损伤效应结果,发现等效剂量60Coγ射线辐照后,器件的电学性能退化规律与高能质子辐照后的退化规律一致.为进一步验证实验及结论的准确性,通过蒙特卡罗模拟得到辐射在该器件内诱导产生的电离能损和非电离能损,模拟结果表明电离能损诱导硅基MOS 产生氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷,是增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT功率器件性能退化的主要原因.本文的相关研究成果可用于增强型Cascode 结构AlGaN/GaN HEMT 功率器件辐照机理分析及抗辐照加固设计方面.