1、材料与工艺Jun.,20232023年6 月RESEARCHI&PROGRESSOFSSEVol.43,No.3第3期第43卷与进展子学研究固体电GaNHEMT器件Co-辐照效应研究邵国键赵玉峰锋王金周书同陈陈韬景少红钟世昌（南京电子器件研究所，南京，2 10 0 16）2022-10-18收稿，2 0 2 2-11-2 9 收改稿摘要：研究了总剂量4Mrad（Si）C o-辐照对AIGaN/GaNHEMT器件的影响，器件在辐照过程中采用不同的加电方式。辐照过程会增加器件的栅泄漏电流，但辐照终止后电流快速恢复至初始状态。对比辐照前后的直流性能，器件的肖特基势垒高度、阈值电压、漏电流、跨导等未出
2、现退化问题。实验结果表明，基于自主开发的GaN标准工艺平台所制备AIGaN/GaNHEMT器件，具有稳定可靠的Co-抗辐照能力。关键词：氮化高电子迁移率晶体管；辐照效应；总剂量辐照；辐照退化；肖特基势垒；阈值电压；跨导中图分类号：TN386文献标识码：A文章编号：10 0 0-38 19(2 0 2 3)0 3-0 2 7 7-0 4Study on Co-Irradiation Effect of GaN HEMT DevicesSHAO GuojianZHAO YufengWANGJinZHOU ShutongCHEN TaoJING ShaohongZHONG Shichang(Nanj
3、ing Electronic Devices Institute,Nanjing,210016,CHN)Abstract:The influences of AIGaN/GaN HEMT devices were studied before and after 4 Mrad(Si)oCo-total dose radiation.The devices adopted different power supply modes during the radia-tion.The leakage currents increased during the radiation,but they d
4、ecreased back to the initial statequickly after the radiation was stopped.Comparison of DC performances before and after irradiation,the Schottky barrier height,threshold voltage,drain current and transconductance have shown no degradations.It indicates that the AIGaN/GaN devices,which are processed
5、 by self-developed standardGaN platform,have stable and reliable radiation resistance.Key words:GaN high-electron-mobility transistors(GaN HEMTs);irradiation effect;totaldose irradiation;radiation degradation;Schottky barrier;threshold voltage;transconductance引言AIGaN/GaNHEMT器件作为关键元件，大量应用于国防及航天航空领域，尤
6、其是航天器和卫星通信系统1-2。在太空中，器件的可靠性面临着来自复杂辐照环境的巨大挑战，大量的辐照粒子是导致器件失效的主要原因。因此，深人研究AIGaN/GaNHEMT器件的抗辐照能力对提高航天器和卫*基金项目：装备发展部型谱项目（2 2 0 9 WW0002）*联系作者：E-mail：138 5158 552 6 139.c o m星的可靠性具有重大意义。2002年，Luo等人研究了AIGaN/GaNHEMT器件的Co-辐照效应3，在6 0 0 Mrad(Si)辐照条件下，器件阈值电压存在负漂现象，栅泄露电流降低。2005年,Umana等人进行了2 0 Mrad(Si)的Co-辐照实验4，辐
7、照后AIGaN/GaNHEMT器件的阈值电压负漂，二维电子气面密度增加，但是迁移率不变，栅泄露电流发生了明显退化。2 0 0 9 年，Jelen-kovic.E等人研究了对AIGaN/GaNHEMT器件进27843卷固体电子学研究与进展http:GTDZ行总剂量为10 Mrad(Si)的Co-辐照5,辐照后器件的直流特性和低频特性均发生不同程度的退化。而Gu.W等人在进行1Mrad（Si）Co-辐照试验后发现6，器件漏饱和电流和跨导减小，栅泄露电流增大，但阈值电压没有明显变化，钝化层有一定的抗辐照作用。Schwarz等人则发现10 0 krad(Si)Co-辐照剂量下7,AIGaN/GaNHE
8、MT阅值电压正漂0.69V，最大跨导下降7 4.1%，器件的漏电流退化了57%。从上述实验结果可以看出，AIGaN/GaNHEMT器件的辐照研究结果差异较大，Co-辐照总剂量的跨度较大，器件的阈值电压、泄漏电流、饱和电流、跨导等变化趋势也各不相同8。当AIGaN/GaNHEMT微波功率组件的输出处于饱和甚至深饱和工作状态时，栅流的变化比较敏感，栅流大幅度波动容易造成器件烧毁。国内外关于AIGaN/GaNHEMT器件Co-辐照效应的研究大多是器件处于非工作或者正常工作状态，但对器件工作于关断状态时栅流的变化研究较少。本文基于自主开发的GaN标准工艺平台，对处于直流关断状态加电的AIGaN/GaN
9、HEMT器件进行辐照实验。探究Co-辐照对加电状态下器件的影响，尤其是器件在辐照时栅泄漏电流的波动情况，并观察器件辐照前后的直流性能变化。1试验基于0.5m的GaN标准工艺平台，制备Al-GaN/GaNHEMT器件，其材料结构自下而上依次为SiC衬底、AIN成核层、非掺杂GaN高阻层、GaN沟道层、AIGaN势垒层。在外延层表面生长源、漏、栅三个电极。器件表面覆盖有SiN钝化层，其厚度约为7 0 0 nm。标准器件的栅宽为1.2 5mm，单指栅宽为10 0 m，栅长为0.5m。Passivation layerSGDAIGaNGaNchannelUndopedGaNAINSic图1GaNHEM
10、T结构示意图Fig.1GaN HEMT structure diagramGaNHEMT器件辐射实验所用辐照源为Co，平均剂量率约为6 6 7 rad（Si)/s，辐照时间10 0 min，辐照最高累积剂量约为4Mrad(Si），辐照时环境温度为室温。实验前、后均利用Keithley4200直流测试系统采集器件的直流特性。在辐照过程中对器件采用两种不同偏置电压进行加电：（1)器件栅源偏置电压V为一5V，这使器件运行于两端加电的状态；（2）器件栅源偏置电压V为一5V，漏源电压Vas为5V，由于器件的阈值电压约为一3.2 V,这种三端加电的方式使器件工作于三端关断状态。辐照过程中利用Agilent
11、34970A数据采集器监控器件的栅泄漏电流实时变化情况。2试验结果与分析图2(a)和图2(b)分别为器件两端加电、三端加电时Co-辐照过程中栅泄漏电流变化曲线。由图2可见，在辐照初期，器件的栅泄漏电流1呈现快速增加的趋势，这是由于辐照在钝化层中感生的缺陷造成的。随后，在辐照过程中，两端加电和三端加电时的栅泄漏电流基本稳定，其中心值分别为DuringCo-y irradiation Ve=-5V1.21.0(,wu.vm)/l0.80.60.40.2/=1.1A/mm0.92340Time/(10s)101234567Time/(10s)(a)During Co-y irradiation V,
12、=-5 V,Vas=5 V65(,uu.vm)/l6.0546.00(,w.vml)/il35.955.9025.8515.80,/=5.93A/mm2340Time/(10s)-101234567Time/(10s)(b)图26Co-辐照过程中栅泄漏电流曲线：（a）两端加电；(b)三端加电Fig.2Gate leakage current curves during Co-irradiation:(a)With gate-source bias;(b)With three ports bias279邵国键等：GaNHEMT器件6 Co辐照效应研究3期1.1A/mm和5.9 3A/mm。当辐照
13、停止时，器件快速恢复至未加电时的初始状态，辐照前后的栅泄漏电流未发生明显变化。辐照结束后，对比得到器件辐照前后的势垒曲线，如图3所示。图3(a)和图3(b)分别为器件两端加电和三端加电情况下6 Co辐照前后势垒变化曲线。10Fresh_V=-5V10Irradiated_V=-5V10.V)/1010810910-10101.20.9-0.60.300.30.6 0.91.2VV(a)10Fresh_V.=-5V,V=5V10Irradiated_V=-5V,Va=5V(uu.v)/i10101081010010-1.2-0.90.6-0.300.30.60.91.2V/V(b)图3辐照前后器
14、件势垒曲线：（a）两端加电(b）三端加电Fig.3Barrier performance of devices before and after irradia-tion:(a)With gate-source bias;(b)With three ports bias器件栅极为肖特基接触，其势垒高度的计算公式为：KTAAT2ln(1)e其中，k为波尔兹曼常数，T为温度，e为电子电荷，A为肖特基结面积，A*为理查德森常数，Ig为栅泄露电流。对于辐照而言，公式中能够影响势垒高度中，变化的唯一变量为Is，其他参数并不会因辐照而发生改变。由图3可知，器件的正反向势垒特性基本不受辐照影响，栅泄漏电流I
15、.并未发生明显变化，说明Co辐照后器件的肖特基势垒高度中，基本不变图4为AIGaN/GaNHEMT器件在辐照前后的I-V输出特性曲线，测试采用双扫描的方式，栅压Vg由一2 V扫描至2 V，漏压Va由0 V扫描至15V。图4(a）和图4(b)分别为器件两端加电、三端加电情况下Co-辐照前后I-V输出特性变化曲线。可以看到，在各个栅压下，器件的漏电流I均未发生明显变化，依然保持着比较稳定的I-V输出特性。DuringCo-y irradiation V=-5V1.0FreshIrradiated20.800000000(,uru.V)/lV=1V0000000000.6V.=OV0000000.4
16、V=-1V0.2V=-2Vgs03691215Va/V(a)DuringCo-y irradiationV=-5V,Va=5V1.0+Fresh-IrradiatedV.=2V0.800000000(,uru.V)/lV=iV00000000000.6V.=OV0000000.4V=-1 V0.2V-2Vgs03691215Va/V(b)图4辐照前后器件I-V输出特性曲线：（a)两端加电；（b)三端加电Fig.4 I-V characteristic curves of devices before and after ir-radiation:(a)With gate-source bias;(b)With threeports bias图5为AIGaN/GaNHEMT器件在辐照前后的转移特性曲线，测试时固定漏压Va为3V，V由一7 V扫描至OV。图5a)和图5(b)分别为器件两端加电、三端加电情况下6 Co-辐照前后转移特性变化曲线。由图5可知，器件的初始阈值电压为一3.2 V，在经过Co-辐照后，图5(a)两端加电和图5(b)三端加电的器件的阈值电压仍然保持在一3.2 V，并未发
