畢津順,沈立志,梅 博,曹 爽,孫 毅,于慶奎

(1. 中國科學(xué)院大學(xué) 集成電路學(xué)院, 北京 100049; 2. 中國科學(xué)院微電子研究所, 北京 100029;3. 中國航天宇航元器件工程中心, 北京 100029)

隨著空間系統(tǒng)和衛(wèi)星平臺等大功率電力推進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展,對于高頻率、大功率、耐高溫、耐高壓、輕質(zhì)量以及耐輻射的功率器件的追求已經(jīng)逐漸成為下一代高效功率電子器件的發(fā)展方向[1-3]。氮化鎵(GaN)材料作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的核心代表之一,與傳統(tǒng)的硅(Si)和砷化鎵(GaAs)材料相比,具有較高的品質(zhì)因數(shù),如圖1[2-3]所示?；诋愘|(zhì)結(jié)形成的GaN高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor, HEMT)具有尺寸小、開關(guān)速度快、電流密度大以及散熱性好等卓越的性能,有望成為空間電源系統(tǒng)領(lǐng)域里最具有前景和吸引力的候選者[4]。

圖1 半導(dǎo)體材料的主要物理特性對比[2-3]Fig.1 Comparison of main physical properties of semiconductor materials[2-3]

在宇宙空間中,存在惡劣的輻射環(huán)境,其主要組成部分包括質(zhì)子、電子及少量重離子[5]。輻射會在半導(dǎo)體器件中引入缺陷,導(dǎo)致器件性能退化甚至發(fā)生燒毀。根據(jù)高能粒子和半導(dǎo)體器件作用的方式不同,輻射效應(yīng)可以分為電離效應(yīng)和位移損傷效應(yīng),電離效應(yīng)包括總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)[6-7]?？倓┝啃?yīng)是材料原子吸收高能粒子在器件內(nèi)部電離的能量,長時(shí)間累積形成氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷,引起器件的電學(xué)參數(shù)變化,最終退化失效。單粒子效應(yīng)是由單個(gè)高能粒子撞擊器件的敏感區(qū),產(chǎn)生大量的電子-空穴對被器件內(nèi)部電場收集,導(dǎo)致半導(dǎo)體器件出現(xiàn)軟錯(cuò)誤或者硬錯(cuò)誤[3]。軟錯(cuò)誤可以通過斷電重啟恢復(fù)到正常狀態(tài),通常出現(xiàn)在存儲器和邏輯器件中;硬錯(cuò)誤是不可恢復(fù)的永久損傷,典型的包括單粒子燒毀(single event burnout, SEB)和單粒子?xùn)艙舸?single event gate rupture, SEGR),它們是影響功率器件可靠性的重要威脅[7]。航天器在軌運(yùn)行的高度和傾角不同,輻射環(huán)境也不同。對于長期在軌運(yùn)行(超過5年)的航天型號,器件的抗總劑量指標(biāo)要達(dá)到100 krad(Si)(注:1 rad=10-2Gy)。單粒子效應(yīng)通常采用重離子的線性能量傳輸(linear energy transport, LET)值描述,根據(jù)歐洲航天局的相關(guān)規(guī)定,當(dāng)器件抗單粒子LET閾值超過60 MeV·cm2/mg時(shí),可忽略單粒子效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

由于在GaN HEMT器件中,N—Ga鍵和N—Al鍵結(jié)合強(qiáng)度高,生成的GaN、AlN及AlGaN等化合物具有較高的穩(wěn)定性,可以產(chǎn)生較高的位移損傷能量閾值(19～25 eV),并且二維電子氣(two-dimensional electron gas, 2DEG)對GaN中的缺陷不敏感,所以GaN功率器件具有較強(qiáng)的抗位移損傷能力[8-9]。GaN的禁帶寬度大,理論上也具有出色的抗電離輻射能力,但在實(shí)際中,GaN材料內(nèi)部存在高密度的缺陷,而且目前GaN器件對工藝要求較高,這些因素給GaN功率器件的抗輻射特性帶來巨大的挑戰(zhàn)。本文圍繞國內(nèi)外在GaN功率器件的研究情況,總結(jié)了GaN功率電子器件的典型結(jié)構(gòu),概述了GaN功率器件的總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)研究成果,并對GaN功率器件的輻射效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析和討論。

1 GaN HEMT器件的典型結(jié)構(gòu)和工作原理

早期的GaN HEMT器件為耗盡型(也稱常開型)器件,但在空間應(yīng)用領(lǐng)域里,出于保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的考慮,并且為了簡化驅(qū)動(dòng)電路,通常需要具備常關(guān)特性[10],逐漸發(fā)展了增強(qiáng)型器件。

1.1 耗盡型GaN HEMT器件

圖2[5]所示為耗盡型GaN HEMT器件剖面結(jié)構(gòu)和能帶示意圖。圖中Ec為導(dǎo)帶能級,EF為費(fèi)米能級,ΔEc為AlGaN勢壘層和GaN溝道層的導(dǎo)帶差,d為勢壘層厚度。AlGaN與GaN形成異質(zhì)結(jié),在自發(fā)極化和壓電極化作用下,體內(nèi)會誘發(fā)指向AlGaN的極化電場,場強(qiáng)可達(dá)MV/cm量級[11],強(qiáng)電場可形成高密度的2DEG。器件的源極和漏極與勢壘層形成歐姆接觸,在源極和漏極之間施加橫向電壓VDS,控制2DEG在溝道中輸運(yùn)形成電流;柵極與勢壘層之間沉積一層絕緣介質(zhì),避免柵極漏電過大,形成金屬-絕緣體-半導(dǎo)體高電子遷移率晶體(metal-insulator-semiconductor high-electron-mobility transistors, MIS-HEMT)結(jié)構(gòu),通過柵電壓VGS對2DEG的耗盡作用控制溝道的導(dǎo)通和關(guān)斷。

(a) 耗盡型GaN HEMT剖面結(jié)構(gòu)(a) Schematic diagram of cross-section structure of depletion-mode GaN HEMT

(b) 耗盡型GaN HEMT能帶示意圖(b) Energy band diagram of depletion-mode GaN HEMT

1.2 增強(qiáng)型GaN HEMT器件

目前,圍繞GaN基功率電子器件的增強(qiáng)型技術(shù)主要有以下4種。

1.2.1 共源共柵結(jié)構(gòu)

將高壓耗盡型GaN HEMT與低壓增強(qiáng)型Si金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)級聯(lián),形成共源共柵(Cascode)結(jié)構(gòu)[4],如圖3[4]所示。

圖3 Cascode結(jié)構(gòu)示意圖[4]Fig.3 Schematic diagram of the Cascode structure[4]

由于現(xiàn)代工藝技術(shù)的進(jìn)步,低壓增強(qiáng)型Si MOSFET高度成熟且成本較低,它們的擊穿電壓、工作速度、導(dǎo)通電阻和電流水平能夠與高于600 V的GaN器件高度匹配[12]。從結(jié)構(gòu)上看,利用低壓增強(qiáng)型Si MOSFET的柵極控制器件的開啟和關(guān)閉,既繼承了 Si MOSFET 的高閾值電壓和大跨導(dǎo),同時(shí)又保持了耗盡型 GaN HEMT高擊穿電壓特性。但是這種結(jié)構(gòu)引入了Si器件,對封裝要求高,還會引入寄生電感,影響器件的高頻性能[13]。

1.2.2 槽柵刻蝕形成的MIS-HEMT結(jié)構(gòu)

通過刻蝕AlGaN的厚度從而局部削弱極化強(qiáng)度,耗盡柵極下方的2DEG,提高器件的閾值電壓Vth,實(shí)現(xiàn)器件的增強(qiáng)型[4,13]。該技術(shù)通常將槽柵刻蝕與柵極電介質(zhì)淀積相結(jié)合,引入一層絕緣介質(zhì),來抑制柵極漏電流[10],從而形成MIS-HEMT或MOS-HEMT結(jié)構(gòu),如圖4[4,13]所示。

圖4 MIS-HEMT結(jié)構(gòu)示意圖[4,13]Fig.4 Schematic diagram of MIS-HEMT structure[4,13]

盡管這種結(jié)構(gòu)可以大幅度減小器件的柵極漏電流,但也引入了電介質(zhì)和氮化物之間的界面態(tài),界面上陷阱會在器件開關(guān)轉(zhuǎn)換中充放電從而導(dǎo)致Vth的不穩(wěn)定[4]。另外,在刻蝕的過程中,均勻性控制和刻蝕損傷也是面臨的主要挑戰(zhàn),這些都制約著MIS-HEMT商業(yè)化的進(jìn)程。

1.2.3 p-GaN蓋帽層結(jié)構(gòu)

該技術(shù)是在耗盡型GaN HEMT柵極下引入一層p型材料,如圖5[14]所示。p-GaN可與AlGaN勢壘層形成異質(zhì)結(jié),由于p型摻雜具有提高能帶的作用,AlGaN的導(dǎo)帶被抬升,溝道中的2DEG被耗盡,從而獲得器件的常關(guān)特性[14]。p-GaN蓋帽層僅在柵下抬高AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的能帶,不影響其他區(qū)域的2DEG密度,因此這種增強(qiáng)型器件的導(dǎo)通電阻低,輸出電流密度大,這也是目前唯一可以商購的真正的增強(qiáng)型GaN HEMT器件[12]。

(a) p-GaN蓋帽層結(jié)構(gòu)示意圖(a) Schematic diagram of the structure with p-GaN capping layer

(b) p-GaN蓋帽層能帶示意圖(b) Energy band diagram with p-GaN capping layer

1.2.4 F離子注入

F離子具有很強(qiáng)的電負(fù)性,注入緊密晶格的異質(zhì)結(jié)后易俘獲自由電子并成為固定的負(fù)電荷[15],這些負(fù)電荷可提高肖特基柵的勢壘高度,并耗盡柵極下方溝道中的2DEG,從而形成增強(qiáng)型結(jié)構(gòu),如圖6[15]所示(圖中ΦB為F離子注入前的表面能帶高度,ΦF為注入后能帶提高的高度)。然而,注入的F離子熱穩(wěn)定性較差,注入深度也不易控制,在高溫下會影響器件的可靠性。該技術(shù)在商業(yè)化領(lǐng)域基本上已經(jīng)不再采用。

圖6 F離子注入形成的增強(qiáng)型HEMT及其能帶圖[15]Fig.6 Schematic diagram of normally-off HEMT and its energy band formed by F ion implantation[15]

2 GaN HEMT器件總劑量效應(yīng)

2.1 總劑量輻照試驗(yàn)結(jié)果

對于GaN功率器件,由于采用異質(zhì)結(jié)代替了柵氧化層工藝,電離產(chǎn)生的電荷不會在器件內(nèi)部累積,理論上具有較強(qiáng)的抗電離輻射特性[16]。從21世紀(jì)開始,國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)對GaN基HEMT器件進(jìn)行了抗輻照研究,早期輻照試驗(yàn)的典型結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 總劑量輻照試驗(yàn)典型結(jié)果匯總

根據(jù)表1中文獻(xiàn)報(bào)道,輻照試驗(yàn)的總劑量達(dá)到幾十甚至上百M(fèi)rad(Si),試驗(yàn)結(jié)果顯示輻照對AlGaN/GaN HEMT器件的影響幾乎可以忽略,GaN器件具有卓越的抗總劑量能力。

同時(shí),也有不少學(xué)者研究了在不超過1 Mrad(Si)的低劑量下GaN HEMT器件的輻照響應(yīng)。Bhuiyan等研究了X射線輻射和電場應(yīng)力的組合效應(yīng)對于MOS-HEMT的影響[21],試驗(yàn)結(jié)果如圖7[21]所示。漏極偏壓會導(dǎo)致Vth正向偏移,零偏壓輻照會導(dǎo)致Vth負(fù)向偏移,而在正偏壓輻照下,Vth的變化則處于二者之間。

圖7 漏極偏壓、零偏壓輻照和正偏壓輻照對 MOS-HEMT閾值電壓的影響[21]Fig.7 Effects of drain bias, 0 V bias irradiation and positive-bias irradiation on the threshold voltage of MOS-HEMT[21]

對于MOS-HEMT器件,通過交流跨導(dǎo)測量發(fā)現(xiàn),當(dāng)只加電應(yīng)力時(shí),在漏極偏壓的驅(qū)動(dòng)下,介質(zhì)層中可以俘獲來自柵極泄漏的電子,形成虛柵耗盡2DEG從而導(dǎo)致Vth的正向偏移。當(dāng)只加X射線時(shí),輻射會在柵絕緣層中誘導(dǎo)出空穴,從而引入了氧化層固定電荷和界面態(tài)電荷,導(dǎo)致Vth負(fù)向偏移。而在輻射和電場應(yīng)力的組合作用下,輻射誘導(dǎo)的空穴陷阱和偏壓誘導(dǎo)的負(fù)電荷相互補(bǔ)償,Vth偏移值的大小取決于二者的相對競爭效率,這與Sun等研究的結(jié)果一致[22]。

Jiang等對Cree公司和Qorvo公司生產(chǎn)以及實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的三種耗盡型GaN功率器件進(jìn)行了高低不同劑量率X射線輻照[23],發(fā)現(xiàn)耗盡型GaN器件沒有低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)(enhanced low dose rate sensitivity, ELDRS)。作為對比,陳思遠(yuǎn)等對兩種不同結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型GaN功率器件進(jìn)行了高、低劑量率60Co γ輻照試驗(yàn),結(jié)果表明 p-GaN和Cascode結(jié)構(gòu)的GaN功率器件都不具有ELDRS效應(yīng)[24]。另外,對于p-GaN結(jié)構(gòu),在100 krad(Si)輻照后,器件參數(shù)特性曲線無明顯變化;對于Cascode結(jié)構(gòu),當(dāng)輻照劑量達(dá)到35 krad(Si)時(shí),Vth偏移就已經(jīng)超過限值,如圖8[24]所示。

圖8 高、低劑量率輻照下Cascode器件的 Vth退化曲線[24]Fig.8 Vth degradation curve of Cascode devices under high and low dose rate irradiation[24]

從試驗(yàn)結(jié)果來看,p-GaN結(jié)構(gòu)的器件具有較強(qiáng)的抗總劑量特性。由于柵和溝道之間沒有氧化層,總劑量輻照主要在AlGaN勢壘層和GaN溝道層界面產(chǎn)生界面態(tài)陷阱,從而引起器件的性能退化。勢壘層的厚度較薄,輻照產(chǎn)生的陷阱電荷遷移率較低,從而大大減少了界面態(tài)電荷數(shù)量,這或許是p-GaN結(jié)構(gòu)的器件抗總劑量能力強(qiáng)的原因。另外,對于p-GaN結(jié)構(gòu)的器件,材料本身存在高密度的缺陷,輻照即使產(chǎn)生更多的缺陷也不會影響它的性能[25]。陳睿等的研究表明,p-GaN結(jié)構(gòu)的器件抗總劑量效應(yīng)水平高達(dá)1 Mrad(Si)[26]。

Cascode結(jié)構(gòu)的器件性能退化較為明顯,這可能是由于Si基MOS管對總劑量效應(yīng)敏感,輻照在二氧化硅層產(chǎn)生氧化物陷阱電荷引起的。

2.2 總劑量效應(yīng)機(jī)理分析

受制于材料質(zhì)量、工藝水平和器件結(jié)構(gòu)等多種因素的影響,總劑量輻照導(dǎo)致GaN功率器件性能退化的物理機(jī)制尚未形成明確的共識,不同課題組下的研究結(jié)果也會存在矛盾之處,對比多數(shù)研究者的試驗(yàn)結(jié)果,可做如下討論:

1)對于不加電狀態(tài)下的輻照,可以認(rèn)為是 X或γ 射線在 AlGaN 勢壘層中引入了受主型缺陷所致。Emtesv 等利用拉曼光譜研究了GaN HEMT器件中γ輻照產(chǎn)生的缺陷,發(fā)現(xiàn)輻照會同時(shí)引入相互補(bǔ)償?shù)娜毕荨瘴缓烷g隙氮原子,并且這兩種缺陷產(chǎn)生率相同,取決于樣品的摻雜水平[27-28]。氮空位呈現(xiàn)施主態(tài),能級很淺、靠近導(dǎo)帶,而間隙氮原子呈現(xiàn)受主態(tài),能級接近禁帶中線[29]。以耗盡型的AlGaN/GaN HEMT器件異質(zhì)結(jié)能帶圖為例,如圖9[19]所示(圖中EV為價(jià)帶能級)。由于采用肖特基柵,柵極下的AlGaN層能帶傾斜度更大。柵極零偏壓下,靠近柵極的部分受主缺陷能級位于費(fèi)米能級EF上方,失去電子變?yōu)橹行?同時(shí)將電子貢獻(xiàn)給溝道,使得溝道2DEG密度增加,Vth負(fù)向偏移[19,30]。AlGaN勢壘層缺陷的電荷不守恒,呈現(xiàn)施主態(tài),即空穴陷阱。但是由于受主缺陷數(shù)量較少,貢獻(xiàn)的電荷數(shù)量有限,漏極電流IDS和Vth變化不明顯。

圖9 鈍化層和柵極下的能帶結(jié)構(gòu)示意圖[19]Fig.9 Schematic of the band structure under the passivation layer and gate[19]

2)對于加電狀態(tài)下的輻照,由于γ射線能量高,具有較強(qiáng)的穿透力。通常情況下,γ射線與柵極作用產(chǎn)生大量的電子-空穴對會迅速復(fù)合[7],但在電應(yīng)力下,由于柵極邊緣處存在強(qiáng)電場,更多的電子會從柵極隧穿到柵漏之間的勢壘層,如圖10[30]所示。勢壘層中俘獲電子的陷阱表現(xiàn)為負(fù)電荷,形成虛柵,對溝道中的2DEG有耗盡作用,導(dǎo)致漏串聯(lián)電阻增加,漏極電流IDS下降,Vth正向偏移。但是輻射本身會在AlGaN層引入施主態(tài)陷阱,器件的最終退化程度取決于電應(yīng)力和輻照的共同作用結(jié)果。

(a) 無電應(yīng)力(a) Without electrical stress

(b) 有電應(yīng)力(b) Under electrical stress

總結(jié)國內(nèi)外研究結(jié)果可以得出,GaN HEMT器件的抗電離總劑量能力較強(qiáng),特別是對于p-GaN結(jié)構(gòu)的器件,對總劑量輻照不敏感,有望用于空間電源系統(tǒng)。

3 GaN HEMT器件單粒子效應(yīng)

3.1 重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果

關(guān)于GaN HEMT器件的單粒子效應(yīng),國內(nèi)外開展了廣泛的試驗(yàn)研究,多數(shù)結(jié)果表明GaN功率器件的抗單粒子能力偏弱,對SEB較為敏感。

在單粒子試驗(yàn)中,采用不同LET值的重離子對四家主流廠商生產(chǎn)的商業(yè)增強(qiáng)型GaN HEMT器件進(jìn)行輻照,結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 不同LET值和偏壓下GaN HEMT 器件的重離子試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Heavy ion test results of GaN HEMT devices with different LET values and bias voltages

續(xù)表

從試驗(yàn)結(jié)果匯總的數(shù)據(jù)可以看出:

1) 工作在低于額定電壓下的器件不易發(fā)生SEB,表明低電壓下的GaN HEMT器件具有較強(qiáng)的抗單粒子燒毀能力。Lidow等證明了40 V p-GaN結(jié)構(gòu)的器件在LET值高達(dá)89 MeV·cm2/mg的重離子輻照下,沒有出現(xiàn)任何故障[35]。

2) 較低LET離子輻射作用下,不易發(fā)生SEB,甚至不會出現(xiàn)性能退化。陳睿等的研究結(jié)果顯示在LET值為37 MeV·cm2/mg的重離子輻照下,650 V p-GaN結(jié)構(gòu)的器件的電學(xué)參數(shù)沒有明顯變化[26]。隨著LET值的增加,發(fā)生SEB的閾值電壓越低,大幅度降低了器件的性能。LET值越高,電離注入的電荷越多[36],因此器件抗單粒子能力越差。對于不同重離子的輻照,Mizuta等的研究發(fā)現(xiàn)SEB的發(fā)生僅取決于離子的LET值和漏極偏壓,而與離子種類、能量和射程無關(guān),且最惡劣的柵極偏置條件是柵偏壓為0 V或更低[37],這一點(diǎn)與Scheick等[32]的發(fā)現(xiàn)一致。

3) 重離子輻照會對器件造成累積損傷,導(dǎo)致泄漏電流增加。Abbate等研究表明,當(dāng)偏置電壓以10 V的步長從20 V到90 V變化時(shí),每次輻照后,漏極泄漏電流都有增加[33]。這種輻照損傷是由于重離子在入射軌跡非常小的區(qū)域內(nèi)釋放出大量的能量,這導(dǎo)致溫度大幅上升,造成器件的永久性損傷,從而導(dǎo)致關(guān)態(tài)漏電流增加。研究發(fā)現(xiàn)關(guān)態(tài)漏電流隨入射離子注量和漏極偏置電壓的增加而增大。關(guān)于漏極電流的增加,存在兩種解釋。一種是在源極和漏極之間漏電:Scheick等分析最靠近柵極邊緣的漏側(cè)經(jīng)受最大的電場應(yīng)力,對該區(qū)域的離子撞擊可能會損壞柵極結(jié)構(gòu),使得器件的柵極局部開啟[32]。柵極損傷降低了局部區(qū)域的Vth,在漏極和源極之間引入了泄漏路徑,漏電增大,但這種機(jī)制只會影響柵極區(qū)域的AlGaN勢壘層的結(jié)構(gòu),不會導(dǎo)致柵極電流增加。另外一種是在柵極和漏極之間漏電:Kuboyama等在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)柵極和漏極泄漏電流同時(shí)增加,并且它們的數(shù)量級和變化幅度也相同[38]。這表明重離子輻照在肖特基柵極接觸處引入了漏電路徑,電流從漏極流向柵極,導(dǎo)致二者的泄漏電流同時(shí)增大。

4) 在相同輻射條件下,不同廠家生產(chǎn)的GaN器件發(fā)生SEB的閾值電壓不同,表明GaN器件的單粒子效應(yīng)敏感性與器件的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)有關(guān),這為GaN器件的抗輻射加固提供了可行性。

由于SEB的機(jī)制尚未完全開發(fā),對GaN功率器件的單粒子效應(yīng)研究結(jié)果也各不相同。通過失效分析發(fā)現(xiàn),柵極區(qū)域的毀壞會引起漏極電流增大,從而導(dǎo)致器件的災(zāi)難性損壞,這是GaN器件發(fā)生SEB的典型特征,即多數(shù)故障發(fā)生在柵極邊緣的漏側(cè),如圖11[26,36]所示。

圖11 顯微鏡下GaN器件SEB故障點(diǎn)(柵極邊緣) [26,36]Fig.11 SEB failure points (located at the gate edge) of GaN device under microscope [26,36]

Liang等利用金相顯微鏡對Cascode結(jié)構(gòu)器件的損傷部位進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)高壓耗盡型GaN HEMT的柵區(qū)和漏區(qū)之間有明顯燒毀現(xiàn)象[39],分析認(rèn)為重離子入射誘發(fā)的電子在柵極邊緣高電場的作用下不斷向AlGaN勢壘層注入并形成積累,最終隧穿柵勢壘,形成了一條柵漏導(dǎo)電路徑,導(dǎo)致器件的源漏端出現(xiàn)大電流,引發(fā)SEB。

Martinez等通過對燒毀器件進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn),始終存在一個(gè)隨機(jī)位于柵極和漏極之間的區(qū)域,將柵極和漏極短接[40]。通過捕捉示波器的波形發(fā)現(xiàn),SEB發(fā)生時(shí),漏極電壓同時(shí)下降,柵極電壓急劇上升。其分析認(rèn)為是由于重離子撞擊柵極和漏極之間的高電場區(qū)域,電離的電荷在空間電荷區(qū)雪崩,促使柵極和漏極短暫連接。當(dāng)柵極電壓升高后,發(fā)生一系列不可逆過程,如柵控溝道的強(qiáng)開啟、柵源之間電介質(zhì)的擊穿、泄漏電流瞬間產(chǎn)生大量熱量等,導(dǎo)致器件發(fā)生SEB。對這一假設(shè)還需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

仿真研究發(fā)現(xiàn),在高漏極偏壓下,器件的峰值電場集中在柵極邊緣的漏側(cè),當(dāng)重離子入射到這一區(qū)域時(shí),高電場可以加速載流子碰撞電離產(chǎn)生更多的載流子,觸發(fā)背溝道效應(yīng)和雙極晶體管效應(yīng)[41],發(fā)生SEB。Zerarka等通過對p-GaN結(jié)構(gòu)的GaN器件進(jìn)行仿真分析,提出單粒子燒毀機(jī)制:重離子在高電場下誘發(fā)雪崩現(xiàn)象,短時(shí)間集聚大量能量,產(chǎn)生較大的位移電流,造成器件發(fā)生SEB[42]。這種機(jī)制與Scheick等的推論一致。Zhen等通過仿真在p-GaN結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出一種具有柵漏雙場板的抗輻照加固結(jié)構(gòu)[43],場板的引入不僅可以提高器件的擊穿電壓,而且可以優(yōu)化電場分布,緩解原有的電場峰值[44],降低載流子的碰撞產(chǎn)生率,有效地降低了觸發(fā)SEB的可能性。王穎團(tuán)隊(duì)仿真發(fā)現(xiàn)柵場板區(qū)域存在的強(qiáng)電場是器件的敏感區(qū)域,并提出多種抗輻射加固結(jié)構(gòu)[45-48]。

3.2 單粒子效應(yīng)機(jī)理分析

目前,國際上還未形成權(quán)威的GaN HEMT器件單粒子損傷機(jī)理。結(jié)合國內(nèi)外對GaN HEMT器件的重離子試驗(yàn)及仿真結(jié)果,單粒子損傷機(jī)理可能與兩種機(jī)制有關(guān),如圖12[41]所示。

(a) 重離子入射瞬間(a) The moment of heavy ion impact

(b) 雙極晶體管效應(yīng)示意圖(b) Schematic diagram of the bipolar effect

(c) 背溝道效應(yīng)示意圖(c) Schematic diagram of the back-channel effect

1) 雙極晶體管效應(yīng):當(dāng)重離子穿過器件的有源區(qū)時(shí),沿著離子軌跡會產(chǎn)生大量的電子-空穴對。電子在漏極處被快速收集,在GaN緩沖層中留下多余的空穴,降低了源極和緩沖層的勢壘。因此電子開始由源極(寄生雙極晶體管的發(fā)射極)注入基極(離子碰撞后剩余的過量空穴),并在漏極(寄生雙極晶體管的集電極)被收集,導(dǎo)致寄生雙極晶體管的導(dǎo)通[33,41]。

2) 背溝道效應(yīng):柵極下方聚集的正電荷降低了源極和溝道間的勢壘,從而允許電子通過溝道從源極注入漏極,形成大電流[45]。

仿真研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)GaN HEMT器件處于高漏極偏壓下,在柵極邊緣的漏側(cè)或柵場板的末端存在峰值電場,當(dāng)重離子入射到這一區(qū)域時(shí),會碰撞電離產(chǎn)生大量的電子-空穴對。由于柵極下可移動(dòng)載流子數(shù)量增加,柵極下方區(qū)域的電阻和承受的電壓減小,電場隨時(shí)間向漏極轉(zhuǎn)移,漏端的電場逐漸增大,如圖13[43,47]所示。漏極附近的高電場使流入漏極的電子碰撞電離率更大,集聚的載流子密度高,觸發(fā)瞬態(tài)大電流導(dǎo)致器件發(fā)生SEB。

圖13 重離子撞擊后GaN溝道層電場的變化[43,47]Fig.13 Variation of electric field in GaN channel layer after heavy ion′s striking[43,47]

國內(nèi)外對GaN功率器件的單粒子效應(yīng)的研究取得了一定的成果,但已有的數(shù)據(jù)和仿真模型還不能清晰、完整地解釋GaN功率器件發(fā)生SEB的機(jī)制。不同結(jié)構(gòu)的GaN器件的單粒子敏感區(qū)域是否相同?溫度對單粒子試驗(yàn)是否有影響?重離子輻照引起的漏電與SEB是否有聯(lián)系?上述一系列問題需要進(jìn)一步探索。目前的仿真實(shí)驗(yàn)未涉及GaN功率器件的性能退化,離子入射角度等因素對于器件的影響也缺乏充分的數(shù)據(jù),需要繼續(xù)開展試驗(yàn)研究,結(jié)合微觀物理分析和仿真驗(yàn)證手段,探索GaN功率器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理,并為器件加固提供理論支撐。

4 宇航級GaN功率器件的應(yīng)用與展望

目前圍繞著GaN功率電子器件的研發(fā)工作主要分為兩種方案:一種是制作垂直結(jié)構(gòu)的GaN器件,另一種是在Si襯底上制作平面結(jié)構(gòu)的GaN器件。相比于平面結(jié)構(gòu)而言,垂直結(jié)構(gòu)的GaN功率器件可以減緩表面態(tài)引起的電流崩塌效應(yīng)、獲得更高的擊穿電壓和提高功率密度,但發(fā)展相對緩慢,而基于HEMT結(jié)構(gòu)的平面型GaN器件是目前的主流技術(shù)方案。圖14[49]是法國原子能委員會電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃的GaN功率器件技術(shù)路線圖[49]。對于中低功率GaN器件,由GaN晶體管逐漸向單片集成的片上系統(tǒng)發(fā)展;對于高功率GaN器件,朝著超緊湊型智能功率模塊發(fā)展。因此,減小器件的尺寸和質(zhì)量、提高器件的可靠性和系統(tǒng)的功率密度、降低成本是GaN功率器件的發(fā)展趨勢。

圖14 GaN功率器件技術(shù)路線圖[49]Fig.14 Technology road map of GaN power devices[49]

對于宇航級GaN功率器件,國外已經(jīng)推出部分產(chǎn)品,但也還處于探索階段。美國Intersil公司在2018年發(fā)布了第一款100 V宇航級GaN功率器件的產(chǎn)品。2020年,美國Teledyne e2v HiRel公司與加拿大GaN Systems公司合作推出100 V/90 A GaN HEMT器件,滿足軍事和宇航應(yīng)用。日本瑞薩電子公司在2018年成功研制了航天工業(yè)級GaN HEMT驅(qū)動(dòng)器,同年松下公司發(fā)布了 MIS-HEMT型GaN功率器件[50],滿足日本宇航局的抗輻射要求。為了滿足空間應(yīng)用,國內(nèi)外針對GaN功率器件提出了多種抗輻照加固方案。從工藝角度,提高GaN溝道層的厚度可以降低異質(zhì)結(jié)中位錯(cuò)和缺陷的密度,改善器件的抗輻射特性;在器件表面淀積鈍化層可以抑制界面態(tài)密度[51],提高GaN器件的抗輻射能力。從結(jié)構(gòu)角度,除了緩存層引入摻雜塞[45]、嵌入肖特基接觸[48]、引入背勢壘層和場板結(jié)構(gòu)等技術(shù)之外,Liu等提出了AlGaN溝道層結(jié)構(gòu)的GaN功率器件,不僅將關(guān)態(tài)泄漏電流降低了兩個(gè)數(shù)量級,仿真發(fā)現(xiàn)還提高了器件的SEB閾值[52]。這些研究成果有助于推動(dòng)宇航級GaN功率器件在新一代航天器中的應(yīng)用,促進(jìn)我國第三代半導(dǎo)體器件的發(fā)展。

5 總結(jié)

本文介紹了目前GaN功率電子器件的主要結(jié)構(gòu),綜述了近年來國內(nèi)外對GaN功率器件的總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)的研究成果,并對GaN功率器件的總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了分析和討論。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,GaN功率器件具有較強(qiáng)的抗總劑量能力,但是抗單粒子能力較弱,易發(fā)生漏電和單粒子燒毀。雖然目前對于單粒子輻照下GaN功率器件損傷機(jī)理有不少研究,但缺乏權(quán)威結(jié)論。為了滿足空間應(yīng)用需求、促進(jìn)新一代航天器發(fā)展,需要繼續(xù)針對GaN功率器件的輻照效應(yīng)開展試驗(yàn),進(jìn)一步研究GaN功率器件的輻照損傷機(jī)理,建立輻射缺陷演化的物理模型,并為器件加固提供理論支撐,這也將是未來一段時(shí)間內(nèi)GaN功率器件的研究熱點(diǎn)。