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中子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电特性的影响

谷文萍 张林 李清华 邱彦章 郝跃 全思 刘盼枝

中子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电特性的影响

谷文萍, 张林, 李清华, 邱彦章, 郝跃, 全思, 刘盼枝
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  • 本文采用能量为1 MeV 的中子对SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)器件进行了最高注量为1015 cm-2的辐照. 实验发现: 当注量小于1014 cm-2时,器件特性退化很小,其中栅电流有轻微变化(正向栅电流IF 增加,反向栅电流IR减小),随着中子注量上升,IR迅速降低. 而当注量达到1015 cm-2时,在膝点电压附近,器件跨导有所下降. 此外,中子辐照后,器件欧姆接触的方块电阻退化很小,而肖特基特性退化却相对明显. 通过分析发现辐照在SiN钝化层中引入的感生缺陷引起了膝点电压附近漏电流和反向栅泄漏电流的减小. 以上结果也表明,SiN钝化可以有效地抑制中子辐照感生表面态电荷,从而屏蔽了绝大部分的中子辐照影响. 这也证明SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT 器件很适合在太空等需要抗位移损伤的环境中应用.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号:513270407, 61354)、预先研究项目(批准号:51311050112, 51308030102, 51308040301)、中央高校基本科研业务费(批准号:CHD2012JC095)和陕西省自然科学基金(批准号:2013JQ7028)资助的课题.
    [1]

    Simin G, Hu X, Ilinskaya N, Zhang J, Tarakji A, Kumar A, Yang J, Asif Khan M, Gaska R, Shur M S 2001 IEEE Electron Dev. Lett. 22 53

    [2]

    Daumiller I, Theron D, Gaquiere C, Vescan A, Dietrich R, Wieszt A, Leier H, Vetury R, Mishra U K, Smorchkova I P, Keller S, Nguyen N X, Nguyen C, Kohn E 2001 IEEE Electron Dev. Lett. 22 62

    [3]

    Look D C, Reynolds D C, Hemsky J W, Sizelove J R, Jones R L, Molnar R J 1997 Phys. Rev. Lett. 79 2273

    [4]

    Luo B, Johnson J W, Ren F, Allums K K, Abernathy C R, Pearton S J, Dwivedi R, Fogarty T N, Wilkins R, Dabiran A M, Wowchack A M, Polley C J, Chow P P, Baca A G 2002 J. Electron. Mater. 31 437

    [5]

    Hu X, Choi B K, Barnaby H J, Fleetwood D M, Schrimpf R D, Shojah-Ardalan S L S, Wilkins R, Mishra U K, Dettmer R W 2004 IEEE Trans. Nucl. Sci. 51 293

    [6]

    McClory J W 2008 Ph. D. Dissertation (Alabama: Air University)

    [7]

    Gu W P, Zhang J C, Wang C, Feng Q, Ma X H, Hao Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 1161 (in Chinese) [谷文萍, 张进成, 王冲, 冯倩, 马晓华, 郝跃 2009 物理学报 58 1161]

    [8]

    Polyakov A Y, Smirnov N B, Govorkov A V, Markov A V, Pearton S J, Kolin N G, Merkurisov D I, Boiko V M 2005 J. Appl. Phys. 98 033529

    [9]

    Zhang M L, Wang X L, Xiao H L, Wang C M, Ran J X, Hu G X 2008 Chin. Phys. Lett. 25 1045

    [10]

    McClory J W, Petrosky J C, Sattler M, Jarzen T A 2007 IEEE Trans. Nucl. Sci. 54 1969

    [11]

    Xue F S 2007 Nanoelectron. Dev. Technol. 11 1671 (in Chinese) [薛舫时 2007 纳米器件与技术 11 1671]

    [12]

    Cai S J, Tang Y S, Li R, Wei Y Y, Wang K L 2000 IEEE Trans. Electron Dev. 47 304

    [13]

    Wilson R G, Pearton S J, Abernathy C R, Zavada J M 1995 Appl. Phys. Lett. 66 2238

  • [1]

    Simin G, Hu X, Ilinskaya N, Zhang J, Tarakji A, Kumar A, Yang J, Asif Khan M, Gaska R, Shur M S 2001 IEEE Electron Dev. Lett. 22 53

    [2]

    Daumiller I, Theron D, Gaquiere C, Vescan A, Dietrich R, Wieszt A, Leier H, Vetury R, Mishra U K, Smorchkova I P, Keller S, Nguyen N X, Nguyen C, Kohn E 2001 IEEE Electron Dev. Lett. 22 62

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    Look D C, Reynolds D C, Hemsky J W, Sizelove J R, Jones R L, Molnar R J 1997 Phys. Rev. Lett. 79 2273

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    [5]

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    McClory J W 2008 Ph. D. Dissertation (Alabama: Air University)

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    Zhang M L, Wang X L, Xiao H L, Wang C M, Ran J X, Hu G X 2008 Chin. Phys. Lett. 25 1045

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  • [1] 席光义, 任 凡, 郝智彪, 汪 莱, 李洪涛, 江 洋, 赵 维, 韩彦军, 罗 毅. AlGaN表面坑状缺陷及GaN缓冲层位错缺陷对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应的影响. 物理学报, 2008, 57(11): 7238-7243. doi: 10.7498/aps.57.7238
    [2] 吕玲, 张进成, 李亮, 马晓华, 曹艳荣, 郝跃. 3 MeV质子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的影响. 物理学报, 2012, 61(5): 057202. doi: 10.7498/aps.61.057202
    [3] 郝 跃, 韩新伟, 张进城, 张金凤. AlGaN/GaN HEMT器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型. 物理学报, 2006, 55(7): 3622-3628. doi: 10.7498/aps.55.3622
    [4] 魏 巍, 林若兵, 冯 倩, 郝 跃. 场板结构AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌机理. 物理学报, 2008, 57(1): 467-471. doi: 10.7498/aps.57.467
    [5] 张明兰, 杨瑞霞, 李卓昕, 曹兴忠, 王宝义, 王晓晖. GaN厚膜中的质子辐照诱生缺陷研究. 物理学报, 2013, 62(11): 117103. doi: 10.7498/aps.62.117103
    [6] 赵有文, 董志远. InP中深能级缺陷的产生与抑制现象. 物理学报, 2007, 56(3): 1476-1479. doi: 10.7498/aps.56.1476
    [7] 王 博, 邓爱红, 苗杉杉, 杨 俊, 赵有文, 董志远. 高温退火后非掺杂磷化铟材料的电子辐照缺陷. 物理学报, 2007, 56(3): 1603-1607. doi: 10.7498/aps.56.1603
    [8] 王 冲, 冯 倩, 郝 跃, 万 辉. AlGaN/GaN异质结Ni/Au肖特基表面处理及退火研究. 物理学报, 2006, 55(11): 6085-6089. doi: 10.7498/aps.55.6085
    [9] 王鑫华, 庞磊, 陈晓娟, 袁婷婷, 罗卫军, 郑英奎, 魏珂, 刘新宇. GaN HEMT栅边缘电容用于缺陷的研究. 物理学报, 2011, 60(9): 097101. doi: 10.7498/aps.60.097101
    [10] 刘建朋, 朱彦旭, 郭伟玲, 闫微微, 吴国庆. ITO退火对GaN基LED电学特性的影响. 物理学报, 2012, 61(13): 137303. doi: 10.7498/aps.61.137303
    [11] 徐大庆, 张义门, 娄永乐, 童军. 热退火对Mn离子注入非故意掺杂GaN微结构、光学及磁学特性的影响. 物理学报, 2014, 63(4): 047501. doi: 10.7498/aps.63.047501
    [12] 周凯, 李辉, 王柱. 正电子湮没谱和光致发光谱研究掺锌GaSb质子辐照缺陷. 物理学报, 2010, 59(7): 5116-5121. doi: 10.7498/aps.59.5116
    [13] 罗长维, 仇猛淋, 王广甫, 王庭顺, 赵国强, 华青松. 利用离子激发发光研究ZnO离子注入和退火处理的缺陷变化. 物理学报, 2020, 69(10): 102901. doi: 10.7498/aps.69.20200029
    [14] 曾骏哲, 李豫东, 文林, 何承发, 郭旗, 汪波, 玛丽娅, 魏莹, 王海娇, 武大猷, 王帆, 周航. 质子与中子辐照对电荷耦合器件暗信号参数的影响及其效应分析. 物理学报, 2015, 64(19): 194208. doi: 10.7498/aps.64.194208
    [15] 李香草, 巨新, 刘宝安, 李猛, 闫春燕, 刘畅, 任杰. 用光致发光研究不同通量辐照KDP晶体的缺陷. 物理学报, 2020, (): 004200. doi: 10.7498/aps.69.20200482
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    [19] 陈剑辉, 杨静, 沈艳娇, 李锋, 陈静伟, 刘海旭, 许颖, 麦耀华. 后退火增强氢化非晶硅钝化效果的研究. 物理学报, 2015, 64(19): 198801. doi: 10.7498/aps.64.198801
    [20] 孙成伟, 刘志文, 张庆瑜. 退火温度对ZnO薄膜结构和发光特性的影响. 物理学报, 2006, 55(1): 430-436. doi: 10.7498/aps.55.430
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-10-15
  • 修回日期:  2013-11-01
  • 刊出日期:  2014-02-05

中子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电特性的影响

  • 1. 长安大学电子与控制工程学院, 西安 710064;
  • 2. 西安电子科技大学微电子学院, 宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室, 西安 710071
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号:513270407, 61354)、预先研究项目(批准号:51311050112, 51308030102, 51308040301)、中央高校基本科研业务费(批准号:CHD2012JC095)和陕西省自然科学基金(批准号:2013JQ7028)资助的课题.

摘要: 本文采用能量为1 MeV 的中子对SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)器件进行了最高注量为1015 cm-2的辐照. 实验发现: 当注量小于1014 cm-2时,器件特性退化很小,其中栅电流有轻微变化(正向栅电流IF 增加,反向栅电流IR减小),随着中子注量上升,IR迅速降低. 而当注量达到1015 cm-2时,在膝点电压附近,器件跨导有所下降. 此外,中子辐照后,器件欧姆接触的方块电阻退化很小,而肖特基特性退化却相对明显. 通过分析发现辐照在SiN钝化层中引入的感生缺陷引起了膝点电压附近漏电流和反向栅泄漏电流的减小. 以上结果也表明,SiN钝化可以有效地抑制中子辐照感生表面态电荷,从而屏蔽了绝大部分的中子辐照影响. 这也证明SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT 器件很适合在太空等需要抗位移损伤的环境中应用.

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