GaN基半導體材料與HEMT器件輻照效應研究.pdf

1、空間技術的不斷發(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、高溫和高壓應用方面具有超強的優(yōu)勢,結合GaN材料出色的抗輻照特性,該器件在衛(wèi)星、太空探測、核反應堆等輻射環(huán)境中有很大的應用前景。雖然理論和已有的部分實驗結果已經表明了GaN材料具有出色的抗輻照特性,但是實際情況下,由于異質外延生長的GaN材料總是存在高密度的缺陷,而且GaN HEMT器件采用了較為復雜的GaN異質結材料結構,這類異質結

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,主要是從實驗和理論兩個方面,對 GaN基半導體材料和AlGaN/GaN HEMT器件的輻照效應進行了系統(tǒng)的研究。通過深入分析輻照效應的退化規(guī)律,揭示了物理損傷機制,并且建立相應的數學模型,為開展器件的抗輻射加固奠定理論基礎。主要研究工作和研究結果如下:
　　1、首先,開展了AlGaN/GaN HE

3、MT器件抗60Coγ射線輻照總劑量效應能力的實驗研究,重點研究了加電條件下在線輻照模擬器件工作狀態(tài)。結果表明, 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器件的關鍵結構AlGaN/GaN異質結,從電學特性、晶體質量和光學特性三方面對質子輻照前后的材料進行了詳細表征,為HEMT器件質子輻照效應研究提供依據。結果說明了質子輻照后異質結2DEG載流子濃度和遷移率下降

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

5、導致器件退化更為嚴重。結合器件仿真軟件和計算模型,討論了 AlGaN/GaN HEMT器件的質子輻照退化機制。簡單的空位引入Silvaco陷阱模型中,發(fā)現只有作為受主的Ga空位對器件性能退化起作用。特性參數隨質子注量的退化趨勢與實驗結果相一致,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。結果表明GaN層引入受主缺陷起主導作用,并且面密度的去除率與AlGaN勢壘層非摻雜厚度、導帶斷續(xù)和AlGaN勢壘層摻雜濃度

6、三個參數無關。GaN層中質子輻照引入作為受主的Ga空位或者與Ga空位相關的絡合物缺陷是造成AlGaN/GaN HEMT器件電學性能退化的主要原因。
　　4、針對HEMT器件的關鍵結構AlGaN/GaN異質結,從電學特性、晶體質量和光學特性三方面對中子輻照前后的材料進行詳細表征,為HEMT器件中子輻照效應研究提供依據。
　　5、開展了AlGaN/GaN HEMT器件中子輻照效應的實驗研究,并與同注量質子輻照進行比較。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相比較,2DEG遷移率退化起主導作用。由于器件性能退化與NIEL成正比,同注量質子和中子輻照相比,前者導致器件電學參數退化嚴重。
　　6、從表面形貌、晶體質量和發(fā)光特性三個方面,對質子和中子輻照前后的HVPE GaN材料進行詳細表征。粒子輻照后黃帶略微增加,而藍帶隨顯著降低。與同注量的質子輻照相比較,HVP