GaN基半導(dǎo)體材料與HEMT器件輻照效應(yīng)研究.pdf

1、空間技術(shù)的不斷發(fā)展,對電子器件的可靠性提出了更高的要求。AlGaN/GaN HEMT器件在高頻、大功率、高溫和高壓應(yīng)用方面具有超強(qiáng)的優(yōu)勢,結(jié)合GaN材料出色的抗輻照特性,該器件在衛(wèi)星、太空探測、核反應(yīng)堆等輻射環(huán)境中有很大的應(yīng)用前景。雖然理論和已有的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明了GaN材料具有出色的抗輻照特性,但是實(shí)際情況下,由于異質(zhì)外延生長的GaN材料總是存在高密度的缺陷,而且GaN HEMT器件采用了較為復(fù)雜的GaN異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu),這類異質(zhì)結(jié)

2、材料特性對表面和界面非常敏感,所有這些情況都會使得GaN基材料和HEMT器件抗輻照特性受到很大的影響和挑戰(zhàn)。
　　本文在此背景下,主要是從實(shí)驗(yàn)和理論兩個方面,對 GaN基半導(dǎo)體材料和AlGaN/GaN HEMT器件的輻照效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過深入分析輻照效應(yīng)的退化規(guī)律,揭示了物理損傷機(jī)制,并且建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,為開展器件的抗輻射加固奠定理論基礎(chǔ)。主要研究工作和研究結(jié)果如下:
　　1、首先,開展了AlGaN/GaN HE

3、MT器件抗60Coγ射線輻照總劑量效應(yīng)能力的實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究了加電條件下在線輻照模擬器件工作狀態(tài)。結(jié)果表明, AlGaN/GaN HEMT器件抗γ射線輻照特性主要取決于器件的表面態(tài)對γ射線輻照的敏感程度。
　　2、對HEMT器件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié),從電學(xué)特性、晶體質(zhì)量和光學(xué)特性三方面對質(zhì)子輻照前后的材料進(jìn)行了詳細(xì)表征,為HEMT器件質(zhì)子輻照效應(yīng)研究提供依據(jù)。結(jié)果說明了質(zhì)子輻照后異質(zhì)結(jié)2DEG載流子濃度和遷移率下降

4、,材料應(yīng)力和摻雜均無變化,材料螺位錯和刃位錯不變。隨著質(zhì)子輻照注量的增加,黃帶光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)。質(zhì)子輻照主要在材料中引入了Ga空位或者Ga空位相關(guān)的絡(luò)合物缺陷,造成了材料光學(xué)性能的退化。
　　3、開展了AlGaN/GaN HEMT器件的高能質(zhì)子輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。采用不同能量和注量的質(zhì)子輻照,對器件的直流、交流特性進(jìn)行詳細(xì)地測試和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),只有高注量的質(zhì)子輻照才能引起器件特性參數(shù)的退化。由于低能量質(zhì)子輻照的非電離能量損失比較大,其

5、導(dǎo)致器件退化更為嚴(yán)重。結(jié)合器件仿真軟件和計算模型,討論了 AlGaN/GaN HEMT器件的質(zhì)子輻照退化機(jī)制。簡單的空位引入Silvaco陷阱模型中,發(fā)現(xiàn)只有作為受主的Ga空位對器件性能退化起作用。特性參數(shù)隨質(zhì)子注量的退化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致,印證了模型的正確性。利用電荷控制模型來分析受主缺陷對2DEG面密度的影響。結(jié)果表明GaN層引入受主缺陷起主導(dǎo)作用,并且面密度的去除率與AlGaN勢壘層非摻雜厚度、導(dǎo)帶斷續(xù)和AlGaN勢壘層摻雜濃度

6、三個參數(shù)無關(guān)。GaN層中質(zhì)子輻照引入作為受主的Ga空位或者與Ga空位相關(guān)的絡(luò)合物缺陷是造成AlGaN/GaN HEMT器件電學(xué)性能退化的主要原因。
　　4、針對HEMT器件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié),從電學(xué)特性、晶體質(zhì)量和光學(xué)特性三方面對中子輻照前后的材料進(jìn)行詳細(xì)表征,為HEMT器件中子輻照效應(yīng)研究提供依據(jù)。
　　5、開展了AlGaN/GaN HEMT器件中子輻照效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,并與同注量質(zhì)子輻照進(jìn)行比較。1×101

7、5cm-2注量的中子輻照后,AlGaN/GaN HEMT器件漏極飽和電流退化明顯,而閾值電壓正向漂移很小,說明與載流子去除效應(yīng)相比較,2DEG遷移率退化起主導(dǎo)作用。由于器件性能退化與NIEL成正比,同注量質(zhì)子和中子輻照相比,前者導(dǎo)致器件電學(xué)參數(shù)退化嚴(yán)重。
　　6、從表面形貌、晶體質(zhì)量和發(fā)光特性三個方面,對質(zhì)子和中子輻照前后的HVPE GaN材料進(jìn)行詳細(xì)表征。粒子輻照后黃帶略微增加,而藍(lán)帶隨顯著降低。與同注量的質(zhì)子輻照相比較,HVP