重离子辐射对AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管低频噪声特性的影响*

吕玲 邢木涵 薛博瑞 曹艳荣 胡培培 郑雪峰 马晓华 郝跃

1) (西安电子科技大学微电子学院,西安 710071)

2) (西安电子科技大学机电工程学院,西安 710071)

3) (中国科学院近代物理研究所,兰州 730000)

1 引言

宽禁带氮化镓(GaN)具有电子饱和速度高、临界击穿电场高、热导率高和直接带隙等优点,是制备微波射频和电力电子器件的理想半导体材料.AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(high election mobility transistor,HEMT)由于其优异的电学性能和超强的抗辐射特性,在卫星通信、雷达和核反应堆等关键领域具有重要的应用前景[1–3].在辐射环境中,辐射粒子会与半导体器件相互作用,产生许多新的失效机制,如栅退化、陷阱俘获和释放、热载流子产生导致开启电阻增大、器件击穿、阈值电压漂移、栅泄漏电流增大等,直接导致器件性能退化甚至失效[4–6].在空间辐射环境中,范艾仑辐射带、太阳宇宙射线和银河宇宙射线都存在重离子.因此,本文重点关注AlGaN/GaN HEMT 器件的高能重离子辐射效应.

重离子入射AlGaN/GaN HEMT 器件,主要引起总剂量效应、单粒子效应和位移损伤效应.美国Vanderbilt 大 学Fleetwood 小组和Florida 大学Pearton 小组长期致力于AlGaN/GaN HEMT器件辐射效应研究,大量试验结果表明,AlGaN/GaN HEMT 器件具有极强的抗总剂量效应[7,8].自2007 年以来,研究者针对AlGaN/GaN HEMT器件重离子辐射导致的单粒子效应展开了研究,发现了单粒子烧毁(single event burnout,SEB)和单粒子栅穿(single event gate rupture,SEGR)现象[9,10].此效应对于功率器件更为明显[11],而射频器件几乎观察不到[12].因此,针对AlGaN/GaN HEMT 射频器件,重点关注其重离子辐射引起的位移损伤效应[13].重离子穿过器件时,会在器件不同位置产生间隙、空位、络合物等缺陷,缺陷或者缺陷簇聚集甚至形成潜在离子径迹,从而造成器件性能的退化.Lei 等[14]利用800 MeV 的Bi 离子辐射AlGaN/GaN HEMT 器件,辐射后器件的漏极电流和最大跨导分别下降6.8%和3.2%,栅漏电流增大了5 倍以上,栅延迟也急剧增加,并认为重离子辐射产生的缺陷会导致二维电子气浓度降低.Sasaki 等[15]采用18 MeV Ni 重离子辐射AlGaN/GaN HEMT 器件后发现有位错环产生,但没有发现条形的径迹.Hu 等[16]采用快重离子以不同的注量辐射AlGaN/GaN HEMT 器件,器件电学特性退化显著,阈值电压正漂了85%,最大饱和电流降低了约两个数量级.通过透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM),首次在209Bi 重离子辐射后的GaN 中观察到连续的粒子径迹.Challa 等[17]用75 MeV 硫离子辐射HEMT器件,发现在较高的注量下可以诱发较大的阈值电压漂移.分析认为,重离子辐射在缓冲层中形成受主缺陷是GaN 基HEMT 器件退化的主要机制.

纵观国内外关于AlGaN/GaN HEMT 器件重离子辐射位移效应研究进展,均是仅获得了器件电学特性退化规律,并未对辐射缺陷进行详细表征分析.因此,本文采用了微光显微镜(EMMI)和低频噪声法,对重离子辐射前后器件中缺陷从直观上进行甄别和定位.EMMI 由电激励而引起的光激发,可以应用于探测非常微弱的光.在失效分析中,器件会因为存在漏电和热载流子效应而发光[18].半导体器件噪声的大小可以敏感地反映器件内在质量和可靠性的优劣.通过低频噪声测试可以表征半导体器件中包含的陷阱信息,可以充分地反映器件的可靠性问题[19,20].

2 实 验

本次实验所采用的AlGaN/GaN HEMT 器件结构示意图如图1 所示.AlGaN/GaN HEMT 器件是在西安电子科技大学宽带隙半导体技术国家重点学科实验室工艺平台上制备完成.采用金属-有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)在蓝宝石上依次生长AlN成核层,2 μm 的无掺杂氮化镓缓冲层,22 nm 厚的Al0.3Ga0.7N 势垒层.源、漏极为欧姆接触,金属为Ti/Al/Ni/Au (20 nm/160 nm/55 nm/45 nm),栅极为肖特基接触,金属为Ni/Au/Ni(45 nm/100 nm/20 nm).在器件表面制备了厚度为180 nm 的氮化硅钝化层,栅长和栅宽分别为0.2 μm 和50 μm.

图1 AlGaN/GaN HEMT 器件结构示意图Fig.1.Schematic cross-section of AlGaN/GaN HEMT.

辐射实验是在兰州重离子加速器装置完成的,室温下用2.1 GeV 能量的181Ta32+辐射AlGaN/GaN HEMT 器件,辐射注量分别为1×108,1×109,1×1010ions/cm2.每一个注量点实验样品8 只以上,确保电学参数测试时获得统计数据,提高实验可信度.辐射实验完毕,器件放置2 h 以上,利用Keithely 4200 半导体参数分析仪对器件输出、转移等特性进行初测,从而提取器件阈值电压、最大饱和漏极电流随重离子辐射注量的变化规律.再对辐射样品进行EMMI 测试和低频噪声测试,实现对重离子辐射缺陷的定位和表征.

3 实验结果分析

3.1 AlGaN/GaN HEMT 器件电学特性变化

图2 显示了重离子辐射前后器件阈值电压变化.随着辐射注量的增加,阈值电压逐渐正漂,重离子辐射后,器件电学参数显著退化.当辐射注量为1×1010ions/cm2时,阈值电压Vth正向漂移了约25%.

图2 重离子辐射前后器件阈值电压变化Fig.2.Change of threshold voltage before and after heavy ion radiaton.

AlGaN/GaN HEMT 器件Vth主要和Al 组分、掺杂浓度、势垒层厚度有关,如考虑极化效应、界面态、缓冲层陷阱等,可以表示成如下公式[21]:

其中,ϕb是肖特基势垒高度,σ 是AlGaN/GaN 界面极化电荷密度,d是AlGaN 势垒层厚度,ε是AlGaN 层介电常数,∆Ec是AlGaN/GaN 界面导带带阶,Ef0是GaN 侧 量子阱底部导带能量与费米能级的距离,Nbarrier(x) 是AlGaN 势垒层有效电离杂质浓度,Nst是表面态密度,Nbuffer是缓冲层缺陷浓度,Cb是缓冲层-沟道电容,q是单位电子电荷.

重离子辐射导致的位移损伤在异质结各层中引入深能级陷阱和电子陷阱,通过载流子去除效应和增加陷阱辅助隧穿,改变Nbarrier(x) ,Nbuffer,Nst和ϕb,最终造成Vth的漂移、漏电流、跨导和栅泄漏电流的退化.如果在栅极下方的AlGaN 势垒层中引入大量的负电荷,耗尽沟道中的二维电子气(2DEG),能带提升,使得Vth正向漂移.因此,可认为重离子辐射的位移损伤导致在AlGaN 势垒层和GaN 缓冲层中引入了负电性的类受主缺陷,该类陷阱减小了沟道中的2DEG 浓度,从而导致辐射后器件Vth正向漂移.

重离子辐射前后不同栅压下的最大饱和电流如图3 所示.可以看到随着辐射注量的增加,在不同栅压下饱和电流出现下降趋势.当栅压为2 V 条件下,辐射注量为1×1010ions/cm2时,器件的最大饱和电流为672 mA/mm,而辐射前的最大饱和电流值为782 mA/mm.

图3 重离子辐射前后不同栅压下的最大饱和电流Fig.3.Maximum saturation current under different gate voltages before and after heavy ion radiation.

漏极最大饱和电流可以表示为

其中,WG是栅宽,vsat是载流子饱和速度,ε0εAlGaN是AlGaN 势垒层介电常数,ε0是真空介电常数,dAlGaN是AlGaN 势垒层厚度,Vgs是栅电压.

最大饱和电流的降低是由于2DEG 浓度和饱和载流子速度降低引起的.重离子辐射产生的位移效应引入了大量的缺陷.缺陷通过库仑散射降低了载流子迁移率,通过载流子复合和去除降低了2DEG浓度.在注入电流较大或载流子浓度较高时,载流子间的散射会更为严重,进而造成载流子迁移率的减小.因此随着辐射注量的增加,位移损伤越严重,产生的缺陷越多,导致饱和电流出现下降的趋势.

3.2 AlGaN/GaN HEMT 器件微观显微变化

对重离子辐射前后的器件进行EMMI 测试,分析重离子辐射所导致的缺陷位置.图4 显示重离子辐射前后在栅电压Vgs=–7 V 和漏源电压Vds=30 V 时的EMMI 测试结果图,其中(a)辐射前,(b) 1 × 108ions/cm2,(c) 1 × 109ions/cm2,(d) 1 × 1010ions/cm2.可以看到辐射前和辐射后都出现不同数量的“热点”,通过“热点”可以定位器件辐射缺陷的密度.HEMTs 器件的栅极为肖特基接触,栅极电子在表面态和势垒层缺陷的辅助作用下,很容易跨越肖特基势垒进入异质结的2DEG沟道,发生严重的栅关态漏电,导致器件亚阈值特性恶化.因此“热点”越多,引入的辐射缺陷就越多,说明器件辐射损伤就越严重,泄漏电流也就越大.在注量为1×108ions/cm2和1×109ions/cm2重离子辐射后,“热点”数量基本没有发生变化,说明对器件的辐射损伤较小;在注量为1×1010ions/cm2重离子辐射后,“热点”数量明显增加,说明辐射后漏电增大,辐射导致缺陷密度增大,对器件损伤较为严重.

图4 重离子辐射前后EMMI 测试结果图 (a)辐射前;(b) 1×108 ions/cm2;(c) 1×109 ions/cm2;(d) 1×1010 ions/cm2Fig.4.EMMI test results before and after heavy ion radiation: (a) Before radiation;(b) 1×108 ions/cm2;(c) 1×109 ions/cm2;(d) 1×1010 ions/cm2.

3.3 AlGaN/GaN HEMT 器件噪声特性变化

通过FS-Pro 系列半导体参数测试系统对重离子辐射前后的AlGaN/GaN HEMT 器件的 1/f噪声进行测试,表征重离子辐射在器件中引入的缺陷.在噪声测试中,给漏极施加0.15 V 电压,栅压从阈值电压附近逐渐增大.图5 为原始器件在不同栅压下的归一化功率谱密度测试结果.这里SID是沟道电流涨落的噪声功率谱密度,ID是沟道电流.从图5 可以发现随着栅压的增大,噪声逐渐减小,通过数据拟合可得到频率指数因子γ的数值为0.98 非常接近1,是属于1/f噪声的特征.

图5 辐射前器件在不同栅压下的噪声测试结果Fig.5.Noise test results of the devices under different gate voltages before irradiation.

图6 显示了在重离子辐射前后AlGaN/GaN HEMT 器件在Vgs–Vth=1 V 时漏极电流噪声归一化功率谱密度与辐射注量的关系.可以看出在1 V 的过驱动电压下,随着辐射注量的增加,噪声功率谱密度逐渐增大.表明重离子辐射后缺陷密度增大.

为了更好地分析辐射对器件缺陷密度的影响,在10 Hz 下对噪声功率谱密度进行归一化,其与漏极电流之间的关系如图7 所示.可以发现,图7 所示曲线和Svbf(gm/ID)2-ID曲线具有很好的相关性,表明可以用载流子涨落模型来分析沟道界面附近缺陷对载流子的俘获和释放所产生的1/f噪声[22,23].这里,Svbf是功率谱密度,gm是跨导,ID是漏极电流.载流子涨落模型认为半导体导带或价带的载流子通过隧道贯穿与表面氧化层中的陷阱相互作用,是引起1/f噪声的主要原因[24].通过数据拟合使Svbf(gm/ID)2-ID曲线与测量得到的归一化功率谱密度数据有良好的匹配,从直流的数据提取gm/ID.基于载流子涨落模型,公式表示如下[25]:

图7 重离子辐射前后归一化漏极电流噪声与漏极电流的函数关系Fig.7.Normalized drain current noise as a function of drain current before and after heavy ion irradiation.

从图7 可以看到: 辐射前Svbf的数值为7.09×10–11V2/Hz;辐射后注量为1×108ions/cm2,1×109ions/cm2,1×1010ions/cm2时Svbf的数值分别为9.75×10–11V2/Hz,1.17×10–10V2/Hz,1.75×10–10V2/Hz.由此可以看出,随着重离子辐射注量的增大,Svbf的数值逐渐增大.而Svbf的数值又与器件的缺陷密度有关:

其中,λ 是AlGaN/GaN 层隧穿衰减距离[26],λ=0.5 nm;W和L分别表示栅宽和栅长;CAlGaN是AlGaN 层势垒电容.由(4)式可以得到缺陷的密度Nit.

通过(4)式求得器件辐射前的缺陷密度是1.29 ×1018eV–1·cm–3,辐射后注量为1 × 108ions/cm2,1 × 109ions/cm2,1 × 1010ions/cm2时缺陷密度分别为1.77 × 1018eV–1·cm–3,2.12 × 1018eV–1·cm–3,3.19 × 1018eV–1·cm–3.从Nit的结果可以发现,随着重离子辐射注量的增加,缺陷密度逐渐加大,对器件造成更加严重的影响.这可能是由辐射诱导的界面态、边界陷阱和陷阱电荷相互作用引起的.

迁移率涨落模型是Hooge 从经验公式出发提出的,该模型认为1/f噪声是一种效应,因而对于不同结构的器件参数(即所谓的Hooge 参数)应具有相同的值[27].目前,基于迁移率涨落机制的Hooge参数能反映半导体的本征缺陷,Hooge 参数αCH越大,所对应的半导体器件缺陷越多.

归一化漏极电流噪声的Hooge 方程为

其中,ACH为器件沟道面积,NCH为沟道中载流子浓度.在器件的线性工作区且漏极电压比较低的时候,沟道中的载流子浓度与栅极所加的偏压成正比,公式为

通过(5)式和(6)式对辐射前和辐射注量为1×1010ions/cm2的噪声曲线进行拟合得到不同的过驱动电压下的Hooge 参数.从图8 可以发现,辐射后的Hooge 参数明显高于辐射前,说明辐射引入了大量缺陷.AlGaN/GaN HEMT 器件栅极下方的空间电荷区陷阱能产生1/f噪声.Achouche等[28]认为陷阱的俘获和释放引起沟道电导的1/f噪声调制,从而导致漏极电流的1/f波动.因此,可认为辐射导致AlGaN/GaN HEMT 器件缺陷密度增大,寄生串联电阻增大,导致Hooge 参数αCH变大.

图8 辐射前后Hooge 参数和过驱动电压的关系Fig.8.Relationship between Hooge parameters and overdrive voltage before and after heavy ion irradiation.

为了更准确定位1/f噪声源,对辐射前后的噪声数据进行处理.如图9 所示,展示了辐射前后归一化漏极电流噪声和过驱动电压(Vgs–Vth)的关系.从图9(a)能观察到两个斜率为

图9 归一化漏极电流噪声与过驱动栅压的函数关系 (a)辐射前;(b)辐射后Fig.9.Function relationship between normalized drain current noise and overactuated gate voltage: (a) Before radiation;(b) after radiation.

从图9(b)能观察到3 个斜率为

我们认为产生1/f噪声主要是由栅下沟道电阻Rg和非栅极区域的固有电阻Ru产生,其中Rg随Vgs的变化而变化,Ru为定值.噪声由哪部分电阻主导,可以由斜率得到.产生的总噪声为

由2DEG 引起的1/f噪声其经验关系式为

其中,N为沟道载流子数目,α是单位沟道面积的Hooge 参数.与栅压有关的两部分噪声可以写成:

其中,Ng是栅下沟道的载流子数,Nu为非栅极区域的沟道的载流子数.

从图9(b)可以观察到有3 个不同的斜率,主要有3 种情况.

1)当栅极电压比较低时,主要在阈值电压Vth附近时,器件沟道中只有很少量的电子,在这种情况下,栅下沟道区域的电阻Rg大于非栅极区域电阻Ru,1/f噪声主要是由栅下沟道区域贡献.此时,1/f噪声为

2)当栅极电压继续增大时,沟道中逐渐出现大量的电子,栅下沟道区域的电阻Rg逐渐降低,并且低于非栅极区域电阻Ru.此时,1/f噪声为

3)当栅极电压比较大的时候,此时的电阻和1/f噪声主要是由非栅极区域决定,与栅极电压无关.此时,1/f噪声为

从图9 可以发现,在过驱动电压大于0.01 V,小于0.1 V 时,斜率为–1,表明此时1/f噪声主要是由栅下沟道区域产生,随着过驱动电压的逐渐增大,斜率变为–3,说明此时1/f噪声主是由非栅极区域产生.随着栅压逐渐增大,栅下沟道电阻逐渐减小,并且小于非栅极区域的电阻.对比图9(a),(b)可以发现,在重离子辐射注量为1×1010ions/cm2的测试结果中,当过驱动电压大于1 V 时,斜率变为0,说明此时1/f噪声主要是由非栅极区域的电阻决定,而在辐射前的器件中并没有出现.我们认为重离子辐射引入的缺陷会导致AlGaN/GaN HEMT 器件的寄生串联电阻变大,从而增加1/f噪声.辐射缺陷会导致AlGaN 表面形成较高的表面态密度,增加AlGaN/GaN 界面陷阱态,使得HEMT 器件栅极泄漏电流偏大,特别是在射频信号的驱动下,器件的栅极一旦处于开启状态下,就会导致栅极电流呈指数增大,从而造成肖特基接触退化.当HEMT 器件在射频信号下连续工作时,这种高的栅极漏电就会严重影响器件长期工作的可靠性,导致栅极泄漏电流增大,降低 AlGaN/GaN HEMT 器件的击穿电压和功率附加效率,增大噪声系数.

4 结论

本文研究了重离子辐射对AlGaN/GaN HEMT器件造成的位移损伤效应.随着重离子辐射注量的增加,位移损伤引入的缺陷越多.这些缺陷通过载流子俘获和去除效应减小2DEG 浓度,缺陷还会成为附加散射中心从而使迁移率减小,导致器件电学特性逐渐退化.在1×1010ions/cm2注量的重离子辐射后,器件电学特性退化严重,阈值电压正向漂移25%,漏极饱和电流退化明显.对重离子辐照前后的器件进行EMMI 测试分析辐照引入的缺陷位置,发现注量为1×1010ions/cm2重离子辐射后,“热点”数量明显增多,说明辐射导致缺陷密度增大,对器件损伤较为严重.对重离子辐射前后的AlGaN/GaN HEMT 器件进行低频噪声测试,发现辐射后器件的电流噪声功率谱密度由于辐射缺陷的引入而变大.通过噪声数据拟合,发现辐射后的缺陷密度随着注量的增加而逐渐变大.在辐射注量为1×1010ions/cm2时,缺陷密度达到3.19×1018cm–3·eV–1.对漏极电流噪声归一化功率谱密度与偏置电压进行拟合,发现重离子辐射所引入的缺陷会使寄生串联电阻变大.