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/GaN HEMT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GaN HEMT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/GaN HEMT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/GaN HEMT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/GaN HEMT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/GaN HEMT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/GaN HEMT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/GaN HEMT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/GaN HEMT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/GaN HEMT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HVPE GaN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,HVPE GaN材料体现出更好的抗中子辐照能力。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 辐照效应研究现状和进展

1.3 本论文研究内容及安排

第二章 GaN材料和HEMT器件的基本辐照损伤机理

2.1 辐照损伤机理

2.2 辐照损伤对GaN材料的影响

2.3 材料辐照损伤的谱学研究

2.4 辐照损伤对AlGaN/GaN HEMT器件特性的影响

2.5 本章小结

第三章 AlGaN/GaN HEMT器件的 60Coγ辐照总剂量效应研究

3.1 AlGaN/GaN HEMT器件I-V特性及直流参数退化

3.2 AlGaN/GaN HEMT器件交流特性及参数退化

3.3 AlGaN/GaN HEMT未钝化器件 60Coγ射线辐照总剂量效应

3.4 理论分析

3.5 本章小结

第四章 AlGaN/GaN HEMT器件的质子辐照效应研究

4.1 AlGaN/GaN异质结质子辐照效应研究

4.2 AlGaN/GaN HEMT器件的质子辐照性能退化

4.3 AlGaN/GaN HEMT器件质子辐照效应仿真

4.4 引入辐照受主缺陷的电荷控制模型研究

4.5 AlGaN/GaN HEMT器件质子辐照效应分析

4.6 本章小结

第五章 AlGaN/GaN HEMT器件的中子辐照效应研究

5.1 AlGaN/GaN异质结中子辐照效应研究

5.2 AlGaN/GaN HEMT器件的中子辐照性能退化

5.3 本章小结

第六章 HVPE GaN材料辐照效应研究

6.1 HVPE GaN材料质子辐照效应研究

6.2 HVPE GaN材料中子辐照效应研究

6.3 本章小结

第七章 结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果