GaN基半导体材料与HEMT器件辐照效应研究

【摘要】空间技术的不断发展，对电子器件的可靠性提出了更高的要求。AlGaN/GaNHEMT器件在高频、大功率、高温和高压应用方面具有超强的优势，结合GaN材料出色的抗辐照特性，该器件在卫星、太空探测、核反应堆等辐射环境中有很大的应用前景。虽然理论和已有的部分实验结果已经表明了GaN材料具有出色的抗辐照特性，但是实际情况下，由于异质外延生长的GaN材料总是存在高密度的缺陷，而且GaNHEMT器件采用了较为复杂的GaN异质结材料结构，这类异质结材料特性对表面和界面非常敏感，所有这些情况都会使得GaN基材料和HEMT器件抗辐照特性受到很大的影响和挑战。本文在此背景下，主要是从实验和理论两个方面，对GaN基半导体材料和AlGaN/GaNHEMT器件的辐照效应进行了系统的研究。通过深入分析辐照效应的退化规律，揭示了物理损伤机制，并且建立相应的数学模型，为开展器件的抗辐射加固奠定理论基础。主要研究工作和研究结果如下：1、首先，开展了AlGaN/GaNHEMT器件抗60Coγ射线辐照总剂量效应能力的实验研究，重点研究了加电条件下在线辐照模拟器件工作状态。结果表明，AlGaN/GaNHEMT器件抗γ射线辐照特性主要取决于器件的表面态对γ射线辐照的敏感程度。2、对HEMT器件的关键结构AlGaN/GaN异质结，从电学特性、晶体质量和光学特性三方面对质子辐照前后的材料进行了详细表征，为HEMT器件质子辐照效应研究提供依据。结果说明了质子辐照后异质结2DEG载流子浓度和迁移率下降，材料应力和掺杂均无变化，材料螺位错和刃位错不变。随着质子辐照注量的增加，黄带光强逐渐增强。质子辐照主要在材料中引入了Ga空位或者Ga空位相关的络合物缺陷，造成了材料光学性能的退化。3、开展了AlGaN/GaNHEMT器件的高能质子辐照效应实验研究。采用不同能量和注量的质子辐照，对器件的直流、交流特性进行详细地测试和分析。结果发现，只有高注量的质子辐照才能引起器件特性参数的退化。由于低能量质子辐照的非电离能量损失比较大，其导致器件退化更为严重。结合器件仿真软件和计算模型，讨论了AlGaN/GaNHEMT器件的质子辐照退化机制。简单的空位引入Silvaco陷阱模型中，发现只有作为受主的Ga空位对器件性能退化起作用。特性参数随质子注量的退化趋势与实验结果相一致，印证了模型的正确性。利用电荷控制模型来分析受主缺陷对2DEG面密度的影响。结果表明GaN层引入受主缺陷起主导作用，并且面密度的去除率与AlGaN势垒层非掺杂厚度、导带断续和AlGaN势垒层掺杂浓度三个参数无关。GaN层中质子辐照引入作为受主的Ga空位或者与Ga空位相关的络合物缺陷是造成AlGaN/GaNHEMT器件电学性能退化的主要原因。4、针对HEMT器件的关键结构AlGaN/GaN异质结，从电学特性、晶体质量和光学特性三方面对中子辐照前后的材料进行详细表征，为HEMT器件中子辐照效应研究提供依据。5、开展了AlGaN/GaNHEMT器件中子辐照效应的实验研究，并与同注量质子辐照进行比较。1×1015cm-2注量的中子辐照后，AlGaN/GaNHEMT器件漏极饱和电流退化明显，而阈值电压正向漂移很小，说明与载流子去除效应相比较，2DEG迁移率退化起主导作用。由于器件性能退化与NIEL成正比，同注量质子和中子辐照相比，前者导致器件电学参数退化严重。6、从表面形貌、晶体质量和发光特性三个方面，对质子和中子辐照前后的HVPEGaN材料进行详细表征。粒子辐照后黄带略微增加，而蓝带随显著降低。与同注量的质子辐照相比较，HVPEGaN材料体现出更好的抗中子辐照能力。
【作者】吕玲；
【导师】郝跃；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】GaN；AlGaN/GaNHEMT器件；辐照；位移损伤；缺陷；

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