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氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表, 相较于Si器件, GaN器件在高频工作下可以通过降低外围无源器件的体积使得系统体积和重量大幅减小, 且能在200—300 ℃的高温环境中稳定工作[1–3]; 相较于GaAs器件, 其击穿电压提升3—5倍, 更适配高压大功率场景[4–6]. 这些特性使其成为电源系统和星载通信模块等关键部件的理想材料[7–9].
然而GaN器件在太空应用中不可避免地会受到高能粒子的辐射, 这会对器件造成不可控的损伤, 重离子对半导体器件主要造成的损伤有单粒子效应(single event effects, SEE)和位移损伤(displacement damage, DD)[10–12]. 近年, 对于GaN 高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor, HEMT)的重离子辐照效应已开展系列研究, 但是大多数研究集中在MIS-GaN HEMT结构和Cascode结构[11], Kuo等[13]发现辐照后MIS-GaN HEMT阈值电压减小和导通电流增大, 认为在GaN层和Si3N4层中分别产生空穴和缺陷导致在退火后, 阈值电压的增大和导通电流的减小. Zhu等[14]开展实验发现辐照引起MIS-GaN HEMT沟道电子密度、载流子迁移率和导通电阻发生退化, 这是因为AlGaN层和AlGaN/GaN界面的陷阱密度增加, 而辐照器件栅极漏电流和关态漏源击穿电压显著提高, 这是由于电子俘获和耗尽增强所致. 针对p-GaN这一结构, Huan等[15]对650 V增强型p-GaN栅HEMT进行84Kr18+离子辐照发现动态导通电阻(Ron)发生退化而静态Ron保持不变, 潜在机理是由于其GaN缓冲层产生类受主电子陷阱造成二维电子气(2DEG)浓度的下降. Kuboyama等[16]在高漏极电压下用84Kr18+离子观察到200 V p-GaN HEMT一种新的损坏模式, 它在漏极和源极之间引入了泄漏路径, 并且在漏极和源极端子之间出现了新的泄漏路径, 而没有对栅极造成任何损坏. 虽然对p-GaN栅HEMT的研究也取得了相关进展, 但大多数都集中在高压器件, 高压器件漂移区电场极高, 且辐照诱导的载流子运动和缺陷多发生在漂移区或者缓冲层. 而本研究针对40 V p-GaN HEMT器件进行重离子辐照实验, 低压器件工作电压较低, 对开关速度和精度要求更高其栅极损伤带来参数微小的变化(如阈值电压的漂移)会导致电路性能下降. 且该类器件在航空航天领域的小型化电源模块, 低功耗星载通信单元中应用广泛, 其耐受性对系统可靠性设计至关重要.
本文针对商用40 V GaN器件在84Kr18+重离子辐照下的可靠性开展研究, 监测了器件在辐照过程中电流瞬态变化以及辐照后阈值电压、泄漏电流等电学特性的变化, 发现器件的损伤主要发生在栅极, 阈值电压和栅极泄漏电流都出现了较大的变化. 并结合TCAD仿真模型, 对重离子辐照后退化现象的物理机理进行了深入分析, 这为低压GaN HEMT器件在太空中的应用可靠性提供了参考.
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重离子辐照实验在哈尔滨工业大学空间环境地面模拟装置进行, 采用回旋加速器产生周期性离子束作为辐照源, 辐照现场的装置如图1(a)所示. 辐照粒子使用线性能量传输值(linear energy transfer, LET)为37.9 MeV/(mg·cm–2)的84Kr18+离子, 所有辐照实验离子束垂直器件表面入射, 平均剂量率维持在1.1×104 ions·cm–2·s–1左右. 实验采用的样品是一款商用40 V/161A p-GaN HEMT器件(EPC2055). 为了使辐射粒子充分打入到器件内部, 器件倒装后通过引线焊接在PCB测试板上[17], 如图1(b), 经过焊接处理后的器件电学特性正常. 辐射期间使用瞬态信号分析仪监测器件的漏极电流(Id)、栅极电流(Ig)和漏源电压(Vds). 在辐照实验前后, 使用Keithley 4200和Keysight B1505A等半导体参数分析仪对器件的阈值电压, 栅极漏电和漏极漏电等基本电学参数进行表征.
为了分析辐照损伤类型与作用机理, TCAD数值模拟仿真同步进行, 仿真结构如图2(a)所示, 其中p-GaN栅结构的等效模型如图2(b)所示, 肖特基金属与p-GaN层形成肖特基结, p-GaN/AlGaN/GaN形成p-i-n结, 组成2个背靠背的二极管结构[18].
仿真模型结构包括的各层厚度、掺杂类型及掺杂浓度如表1所列. 器件栅极长度Lg设置为0.55 μm, 栅源距离Lgs、栅漏距离Lgd分别设置为0.33 μm和3.48 μm. 器件上方的钝化层采用氮化硅材料. 经过仿真拟合, 仿真与实测的器件辐照前静态电学特性基本吻合, 如图3(a)和图3(b)所示, 阈值电压基本一致, 关态漏电在同一等级, 说明该仿真模型具有可参考性.
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为确定器件的单粒子烧毁临界条件, 采用阶梯升压法进行测试, 漏极电压初始值设置为40 V, 步长5 V, 某个漏极电压下, 器件的瞬态电流急剧增大, 则认为器件发生了烧毁[19,20]. 如图4(a)所示, 器件的单粒子烧毁电压是52 V, 实测源漏电压与设置电压存在偏差, 采用实测电压评估器件的烧毁能力. 为了分析器件烧毁机理, 评估器件在辐照环境中工作的能力, 在保证器件不被烧毁的前提下, 对器件做了辐照退化实验, 即对进行辐照退化实验的器件漏极施加安全电压40 V的关态应力. 用于测试辐照退化程度的器件累积注量达5×106 ions·cm–2时停止辐照, 在辐照过程中监测栅极和漏极的实时电流曲线如图4(b)所示, 随着注量的增大, 漏极电流Id呈现先增大后稳定的趋势, 栅极电流Ig与漏极电流Id恰恰相反, 呈现先减小后稳定的趋势, 这表明辐照的过程中漏极增长的电流都是流向源极的. 在每次的辐照脉冲下, 器件漏极电流的增长量可达1.5×10–4 A, 可见辐照瞬间产生的电子空穴对是非常多的; 器件的栅极电流仅在辐照脉冲开始的瞬间上升, 升高约1.7×10–8 A, 这说明了产生的空穴在辐照刚开始有一部分向栅极移动了, 而之后栅极电流开始下降, 说明在辐照过程中产生的大量空穴在电场作用下向栅极移动, 被栅极区域类施主型空穴陷阱俘获, 栅极下区域势垒降低, 产生的大量电子空穴对在电场作用下穿过势垒形成更大的漏源电流(Ids). p-GaN中的类施主型空穴陷阱会使有效受主浓度降低让肖特基耗尽区增加, 降低了界面处的隧穿概率, 使其栅极电流(Ig)下降. 当栅极区域的类施主型空穴陷阱被填满, 栅极电流Ig与漏极电流Id趋于稳定.
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图5所示为器件在辐照实验前后转移特性曲线, 在辐照后器件阈值电压减小了0.26 V, 该参数的退化与重离子辐照导致类施主型空穴陷阱的填充密切相关, 这是由于产生的类施主型空穴陷阱作用. 经过一周静置后, 器件阈值电压向初始状态方向恢复, 但未完全恢复到初始状态, 这表明有很多浅能级陷阱在辐照结束后恢复了, 但辐照产生的晶格缺陷是无法恢复的[21].
自间隙和反位缺陷具有非常高的形成能, 因此在生长过程中较少引入, 而氮空位(VN)形成能较低可能在p型氮化镓中大量存在, VN在GaN中充当浅施主能级(Ev+(0.5±0.2) eV)[22,23]. 为了验证类施主型空穴陷阱对阈值电压的影响和栅极漏电永久性失效, 通过仿真在p-GaN层和AlGaN势垒层中设置类施主型空穴陷阱, 比较阈值电压的变化以及能带的变化. 在p-GaN层中设置5×1018 cm–3的类施主型空穴陷阱(Ev+2.8 eV), 在AlGaN势垒层中设置5×1018 cm–3的类施主型空穴陷阱(Ev+0.7 eV), 俘获截面均设置为1×10–14 cm2[24]. 如图6(a)所示, 若p-GaN层和AlGaN势垒层中存在类施主型空穴陷阱, 阈值电压负漂0.26 V, 这与实测辐照后阈值电压漂移量相当. 仿真结果表明, pGaN层与AlGaN势垒层的类施主型空穴陷阱均对器件阈值电压的负漂有贡献, 它们影响阈值电压的物理机制如下: 在极化电场的作用下, 栅下2DEG完全被耗尽, 当AlGaN/GaN界面处导带底与费米能级重合, 此时计算阈值电压Vth:
其中
$ {\phi }_{\mathrm{b}}{, \psi }_{\text{bi}}{, \psi }_{\mathrm{s}1}, \Delta {E}_{\text{cl}}, \Delta {E}_{\mathrm{c}2}, \Delta {V}_{\mathrm{b}} $ 分别为肖特基接触势垒、肖特基接触内建电势、p-GaN/AlGaN界面表面态势垒、p-GaN/AlGaN界面导带差、AlGaN/GaN界面导带差和AlGaN层的压降. p-GaN中类施主空穴陷阱俘获空穴形成正电荷中心, 减少了p-GaN中净空穴浓度, 降低了栅极金属与p-GaN的肖特基接触内建电势, 即减小了$ {\psi }_{\text{bi}} $ , 这减少了对2 DEG的耗尽作用, 如图6(b)所示存在类施主型空穴陷阱的能带中肖特基内建电势较无陷阱降低了$ \Delta {\psi }_{\text{bi}} $ =0.09 V; AlGaN中陷阱俘获空穴形成的固定正电荷会增强AlGaN/GaN异质结的极化电场, 导致AlGaN层的压降$ \Delta {V}_{\mathrm{b}} $ 从1.88 V增加到了2.03 V, 异质结处的电子势阱更深, 如图6(b)插图所示, 这两个位置的陷阱均使得栅极下方二维电子气(2 DEG)浓度提高, 阈值电压减小[25]. 由(1)式计算可得$ \Delta {V}_{\text{th}} $ 减小了0.24 V, 计算结果与实验结果相差0.02 V, 在误差可接受范围内. 根据Shockley-Read-Hall模型, 对于GaN和AlGaN材料, 在俘获截面为1×10–14 cm2情况下, Ev+0.7 eV的类施主型陷阱发射时间约为103s[26]. 而Ev+2.8 eV的类施主型空穴陷阱作为深能级陷阱用来模拟由重离子造成的晶格缺陷. -
图7(a)展示了在辐照前后泄漏电流随漏极电压的变化, 辐照前, 漏极电流与栅极电流重合, 辐照后, 在Vds = 40 V的关态条件下, 器件的漏极电流提高, 而栅极电流减小到原来的1/2. 图7(b)所示器件关态下源极电流由实验测得的漏极电流与栅极电流相减得到, 从图中可以看到, 源极电流增加大于两个数量级, 说明辐照大大增强了从漏极经GaN缓冲层流向源极的漏电.
为了分析漏电增大的机理, 对器件关态下的电学特性进行了仿真, 图8展示了40 V关态漏压下, 栅叠层处的能带图, 明显可以看出, 加入p-GaN层和AlGaN势垒层中的类施主型空穴陷阱后, 栅极下方沟道势垒明显降低. 势垒降低使得沟道2DEG的电子更容易从漏极侧越过势垒注入源极形成漏源间泄漏电流. 该陷阱类型与位置也与阈值电压漂移的分析一致, 印证了类施主型空穴陷阱作用的合理性. 图9(a)和图9(b)分别展示了无类施主型空穴陷阱和存在类施主型空穴陷阱时的电流密度分布图, 其中陷阱浓度与上文一致, 可以看出p-GaN层和AlGaN势垒层施主陷阱的引入会大大增加从漏极经GaN缓冲层到源极的电流密度, 源漏之间通过增强的漏电通道泄漏了更多的电流, 这与实验结果一致.
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图10(a)对比了辐照前后栅极漏电的变化, 可以看出漏电在负栅压下基本没有变化, 而在正栅压下, 辐照后漏极电流减小, 且7 d后未恢复. 该现象可以通过图2(b)中等效栅极模型予以解释, 正栅压下, 栅金属与pGaN形成的等效肖特基二极管处于反偏状态, 栅极漏电大小主要由该结(junction)决定, 且反偏电流主要由空穴从金属向p-GaN层的隧穿主导[27]. 由上文的分析得到, 辐照后, p-GaN的类施主型陷阱俘获空穴起到了补偿受主的作用, p-GaN层中净空穴浓度下降, 而SBD二极管的耗尽区宽度与净空穴浓度的平方根成反比:
其中WD, εs, q, N和Vbi分别为耗尽区宽度, 材料的介电常数、单个电荷所带电荷量、p-GaN中净空穴浓度和内建电势.
因此耗尽区展宽, 空穴的隧穿作用减弱, 即正栅压下漏极漏电减小. 这一结果进一步印证了重离子辐照下p-GaN结构中存在类施主型陷阱填充的物理机理. 而通过一周的静置, 器件的栅极漏电并没有恢复, 进一步佐证了p-GaN中由重离子辐照产生了晶格缺陷.
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重离子辐照对p-GaN HEMT造成电学特性的退化, 其核心机理源于高能离子在器件中产生的大量电子空穴对而引发的次级效应. 如图11(a)展示了所研究的低压p-GaN HEMT器件辐照损伤的机理示意图, 重离子入射会在器件有源区产生大量电子空穴对, 在高电场的作用下, 电子向漏极漂移, 空穴向栅极和源极漂移, 这从图4(b)中漏极瞬态电流随着周期性的离子束呈现周期性上升可以证明. 由于空穴迁移率较小, 空穴会在栅极区域聚集[28], 这些空穴在栅极下方高电场的加速下翻越势垒, 一部分空穴被AlGaN势垒层中类施主型空穴陷阱俘获, 如图11(b)所示的过程(i), 形成的固定正电荷会增强AlGaN/GaN异质结的极化电场, 从而降低栅下沟道势垒, 引起阈值电压的负漂和漏到源之间漏电的增大. 一部分空穴继续向p-GaN层中移动, 会被p-GaN层中的类施主型空穴陷阱俘获形成正电中心, 如图11(b)所示的过程(ii), 该过程会补偿Mg受主(负电中心)的掺杂浓度, 导致p-GaN中净空穴浓度的下降, 相当于抬升了该层的费米能级, 降低了p-GaN层的势垒高度, 这直接削弱了p-GaN对下方2DEG沟道的耗尽能力, 从而需要施加更负的栅极电压才能完全关断沟道, 宏观上表现为阈值电压的负向漂移, 不仅如此, 净空穴浓度的下降还降低了正栅压下的栅极漏电. 同时, 辐照过程中栅极电流增大一瞬间后就开始下降也可以通过施主陷阱的填充解释, 即正电中心的存在会反过来阻碍更多空穴向栅极流动, 导致了辐照过程中的栅极电流的减小. 总的来说, 该重离子辐照过程中, 器件的退化主要由AlGaN势垒层的类施主型空穴陷阱和p-GaN层晶格缺陷形成的类施主型空穴陷阱的共同影响, 辐照过程中, 过多空穴陷阱填充造成的势垒降低效应会使得源漏之间漏电急剧增大, 从而可能使电源系统异常开启, 甚至烧毁器件以及其他电路.
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本文以40 V p-GaN HEMT商用器件为对象, 通过84Kr18+重离子(LET = 37.9 MeV/(mg·cm–2))辐照实验与器件仿真相结合的方法, 系统地探究了器件在重离子辐照下的电学特性退化规律、烧毁临界条件及内在物理机制. 实验发现在漏源电压40 V、总注量5×106 ions·cm–2的辐照条件下, 器件阈值电压负向漂移0.26 V、漏极漏电显著增大、栅极漏电呈下降趋势、正栅压下栅极漏电降低, 这些现象源于重离子辐照作用下产生的大量非平衡载流子, 以及类施主型陷阱对载流子输运的调控作用. 通过结合TCAD仿真验证了“p-GaN类施主型陷阱俘获空穴削弱二维电子气耗尽能力、AlGaN势垒层类施主型陷阱形成固定正电荷增强异质结极化电场”的协同退化机理, 明确了阈值电压负漂、漏源泄漏电流增大等参数变化的物理根源. 本研究发现低压器件与高压器件常见的缓冲层产生陷阱诱导器件烧毁不同, 该低压器件的损伤主要发生在栅叠层, 阈值电压等参数退化严重且出现了永久性退化现象. 该研究为评估器件长期辐照下的性能稳定性提供了参考, 为进一步开展抗辐照加固设计与器件在太空中的应用提供了支撑.
低压p-GaN高电子迁移率晶体管重离子辐照效应
Heavy ion irradiation effects in low-voltage p-GaN high-electron-mobility transistors
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摘要: 氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)作为第三代半导体器件的代表, 在航空航天领域具有重要应用价值, 但针对低压p-GaN HEMT的重离子辐照效应研究较为缺乏, 亟需明确辐照引起器件退化的物理机理. 本文针对40 V肖特基型p-GaN HEMT器件, 研究了器件在关态条件下受到线性能量传输值为37.9 MeV·cm2·mg–1的84Kr18+重离子辐照引起的阈值电压和泄漏电流的退化现象及其机理. 器件辐照过程中漏极瞬态电流呈现增长趋势、栅极瞬态电流呈现下降趋势; 而器件在辐照后源漏之间漏电(Ids)增大大于2个数量级, 阈值电压(Vth)最大负向漂移达0.26 V, 漏极漏电(Idss)增大和栅极漏电(Igss)减小. 通过TCAD仿真和能带理论分析, 发现与大多数高压器件重离子损伤发生在漂移区或者缓冲层不同的是, 该低压器件电学特性的退化可以归因于重离子辐照产生大量空穴在栅极附近积累, 被在p-GaN层和AlGaN势垒层中的类施主型空穴陷阱(donor-like trap)俘获, 降低了栅极下方沟道的电子势垒, 从而造成泄漏电流增加. 该研究对GaN器件在太空应用中的辐照可靠性评估具有参考意义.Abstract: Gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs) are emerging as critical components in aerospace power systems due to their superior radiation tolerance and high-frequency capabilities. While radiation effects on high-voltage devices are well documented, the degradation mechanisms of low-voltage p-GaN HEMTs remain less understood. This study investigates the Single Event Effects (SEE) and subsequent electrical degradation of commercial 40 V Schottky-type p-GaN HEMTs under 84Kr18+ heavy ion irradiation (LET = 37.9 MeV·cm2·mg–1). Experimental results indicate a Single Event Burnout (SEB) threshold of 52 V. Following irradiation under a safe off-state bias of 40 V, the device exhibited distinct degradation patterns: the drain-source leakage current (Ids) increased by over two orders of magnitude, and the threshold voltage (Vth) shifted negatively by 0.26 V. Conversely, the gate leakage current (Igss) showed an anomalous decrease. Combined TCAD simulations and energy band theory analysis reveal that, unlike high-voltage devices where damage typically occurs in the drift or buffer regions, degradation in these low-voltage devices is concentrated within the gate stack. The proposed mechanism attributes this to irradiation-induced holes accumulating near the gate and being captured by donor-like hole traps located in both the p-GaN layer (deep-level defects at EV+2.8 eV) and the AlGaN barrier (EV+0.7 eV). These trapped positive charges lower the electron potential barrier in the channel, causing the negative Vth shift and increased subthreshold leakage. Simultaneously, the compensation of acceptors in the p-GaN layer by these hole traps widens the depletion region of the Schottky junction, resulting in reduced gate leakage. These findings provide essential physical insights for the reliability assessment and radiation-hardening design of low-voltage GaN power modules for space applications.
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图 1 (a)实验装置; (b)实验样品EPC2055
Figure 1. (a) Experimental facility; (b) experimental sample (EPC2055).
图 2 (a) TCAD仿真结构示意图; (b) p-GaN栅结构等效模型
Figure 2. (a) Schematic diagram of the simulation structure; (b) equivalent circuit of the gate stack.
图 3 辐照前测试和仿真拟合 (a)转移特性曲线; (b)漏电特性曲线
Figure 3. Fitting results for the pre-irradiation of the device: (a) Transfer characteristics; (b) leakage current characteristics.
图 4 (a)器件单粒子烧毁曲线; (b)辐照过程实时电流
Figure 4. (a) Single event burnout (SEB) curves during Kr irradiation; (b) measured drain and gate currents as a function of fluence.
图 5 辐照前后转移特性曲线
Figure 5. Measured transfer characteristics before and after irradiation.
图 6 p-GaN层和AlGaN势垒层施主陷阱对(a)转移特性和(b) 带的影响
Figure 6. Effect of donor traps in p-GaN layers and AlGaN barrier layers on (a) transfer characteristics and (b) band structure.
图 7 辐照前后 (a)栅极漏电和漏极漏电; (b)源极漏电
Figure 7. (a) Gate leakage current & drain leakage current and (b) source leakage current before and after irradiation.
图 8 p-GaN层和AlGaN势垒层类施主空穴陷阱对栅极结构能带的影响
Figure 8. Effect of donor like traps in p-GaN layers and AlGaN barrier layers on band diagram at the gate.
图 9 p-GaN层和AlGaN势垒层 (a)无施主陷阱和(b)存在施主陷阱p-GaN HEMT器件电流密度示意图
Figure 9. Schematic diagram of current density for p-GaN HEMT devices with (a) no donor traps and (b) donor traps present in the p-GaN layer and AlGaN barrier layer.
图 10 (a)辐照前后栅极漏电特性曲线和(b) p-GaN施主陷阱对能带的影响
Figure 10. (a) Gate leakage characteristics before and after irradiation and (b) effect of p-GaN donor traps on the band structure.
图 11 p-GaN HEMT辐照损伤机制 (a)辐照示意图; (b)能带图
Figure 11. Mechanism schematic on irradiation damage for p-GaN gate HEMTs: (a) Schematic diagram of the structure; (b) band diagram.
表 1 仿真外延结构掺杂类型以及掺杂浓度(单位: cm–3)
Table 1. Doping types and concentrations at each layer (in cm–3).
厚度/μm 掺杂类型 掺杂浓度/(1014 cm–3) p-GaN层 0.62 p 200000 AlGaN势垒层 0.13 n 10 GaN沟道层 0.01 n 10 GaN缓冲层 0.80 n 1 AlN成核层 0.60 — 0 Substrate 1.00 p 10 
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