通过金属化后退火制备AlGaN/GaN HEMT及其质子辐照引起的电特性变化

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Fabrication of AlGaN/GaN HEMT with Post Metallization Annealing and variation in electrical characteristics by proton irradiation

　　在本研究中，使用金属化后退火（PMA）工艺制备了基于氮化镓（GaN）的高电子迁移率晶体管（HEMTs），并分析了其在质子辐照前后的可靠性。在暴露于能量为15 MeV、注量为5 × 10¹³ cm²的质子后，对AlGaN/GaN HEMTs的直流性能进行了评估。在PMA过程中，AlGaN/GaN HEMTs在氮气（N₂）气氛中于260°C退火5分钟。PMA工艺通过提高Ni/AlGaN界面处的肖特基势垒高度并减少界面陷阱，从而降低了表面漏电流，改善了栅极可靠性。特别地，该工艺降低了陷阱态电子发射的势垒高度（?_t）的低且不稳定的现象。质子辐照后，样品1（经PMA处理）和样品2（未经PMA处理）均表现出直流性能退化，然而，样品1的电气特性变化很小。在相同的质子辐照条件下，样品1的导通态电流仅下降了2.37%，而样品2则下降了45%。此外，样品2的开关电流比（I_on/I_off）显著降低，表明金属和界面缺陷对辐射诱导退化高度敏感。尽管在太空环境中暴露于辐射的GaN基器件无法完全避免辐射诱导的性能退化，但这些结果表明PMA处理可以减轻质子辐照对AlGaN/GaN HEMT的电学退化。引言随着电力行业需求的日益增长，氮化镓（GaN）等化合物半导体因克服硅（Si）器件的局限性而引起了广泛关注。GaN器件具有3.4 eV的宽禁带宽度，并且由AlGaN/GaN异质结处极化形成的二维电子气（2DEG）具有高电子迁移率、高频率、击穿电压和低导通电阻等优势[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]。此外，GaN器件是航空航天应用中最广泛使用的材料之一，因为它们相较于传统Si和碳化硅器件具有更优异的物理性能。其优越的依赖于晶格常数的位移阈值特性确保了在辐射环境中的高可靠性。此外，GaN器件也比Si器件显著更小更轻，从而能够在保持或提升性能的同时减少航天器系统的整体重量。随着卫星通信需求的增长以及工作频率向更高频段移动以获取更宽的带宽，GaN器件在高频率下高效运行的能力变得越来越重要。然而，范艾伦辐射带中的高能粒子，如质子、重离子和α粒子，构成了持续的挑战，因为辐射诱导退化会显著影响器件性能，因此必须尽量减少辐射引起的性能退化。许多研究报道了高能质子对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的影响[15], [16], [17], [18], [19], [20]。质子辐照在氮化物晶格中产生位移损伤，并通过高非电离能量损失（NIEL）散射到2DEG界面区域，产生空位和缺陷。位移损伤是指当具有足够高能量的粒子（如15 MeV质子）穿过GaN时，与半导体晶格中的原子碰撞并将其从晶格位置移开所发生的缺陷损伤。空位类型包括Ga空位、N空位、N间隙原子和Ga间隙原子[15]。为尽量减少此问题，我们采用了金属化后退火（PMA）工艺来改善AlGaN表面处理和金属/AlGaN界面质量。PMA工艺是提高AlGaN/GaN HEMTs可靠性的关键工艺，是在Ni/Au栅极金属沉积后进行的高温退火工艺。根据先前报道的研究，PMA工艺涉及金属原子的重新排列、氧的扩散以及反键态的重组，从而导致AlGaN表面施主陷阱的减少。这些施主陷阱形成虚栅并在AlGaN表面诱导漏电流。PMA还显著降低了氧化物/AlGaN界面处的陷阱密度，改善了增强模式（E-mode）操作中的阈值电压稳定性和亚阈值特性。此外，PMA减少了各种栅极漏电机制，包括陷阱辅助隧穿（TAT）和普尔-弗兰克尔发射[21], [22], [23], [24]。在本研究中，我们制备了经PMA处理和未经PMA处理的AlGaN/GaN HEMT，并分析了质子能量为15 MeV、注量为5 × 10¹³ cm^?2的质子辐照的影响。本研究重点对AlGaN/GaN HEMT在相同条件下对质子辐照的电学退化特性进行比较和定量评估，主要分析PMA的影响。质子辐照条件是在宇宙辐射能量范围内提出的。这是因为宇宙辐射范围从几keV到GeV，即使在15 MeV下也能充分观察到其影响。此外，考虑到位移损伤随质子能量降低而增加，选择了相对较低的15 MeV和5 × 10¹³ cm^?2。制备了两个相同的HEMT器件，样品1和样品2分别在PMA处理和无PMA处理后进行辐照。然后，研究了质子辐照前后AlGaN/GaN HEMTs的位移损伤效应和直流性能变化。此外，通过质子辐照前后的器件测量结果，证明了PMA处理与质子辐照之间的相关性。本文深入探讨了PMA在GaN基HEMTs中的作用，为增强GaN基HEMTs在太空应用中的质子辐照耐受性和长期可靠性提供了一种实用方法的潜力。章节片段器件结构与制造工艺图1显示了所提出的AlGaN/GaN异质结HEMT的横截面图。AlGaN/GaN外延层使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备（韩国KANC）生长在蓝宝石衬底上。外延结构包括2.3 μm的GaN缓冲层、180 nm的GaN沟道层和20 nm的AlGaN层。栅极、栅源和栅漏长度分别为2、5和10 μm。图2(a)显示了AlGaN/GaN HEMT器件的完整制造工艺。结果与讨论图3(a)显示了使用两个肖特基接触和一个欧姆接触结构测量的AlGaN/GaN HEMT的表面漏电流（I_surf）。图3(b)中的光学显微镜图像说明了用于测量的图案。I_surf图案由台面区域内的两个肖特基接触（G1、G2）和一个欧姆接触组成。这种三端图案是一种用于测量当施加负栅极电压时流过AlGaN/GaN表面和界面存在的陷阱的I_surf的结构。结论本文研究了金属化后退火（PMA）对AlGaN/GaN HEMT器件在15 MeV质子辐照下电学退化性能的影响。质子辐照后，在相同的质子辐照条件下，样品1（经PMA处理）的I_on、g_m、栅极漏电流和R_on与样品2（未经PMA处理）相比变化很小。特别是，样品1和样品2在辐照前后I_on分别下降了2.37%和45%。CRediT作者贡献声明Jin Park：写作 – 初稿，数据管理，概念化。Soo Bean Song：验证。Kyeong Min Lim：验证。Sang Ho Lee：数据管理。Young Jun Yoon：写作 – 审阅与编辑，验证，概念化。In Man Kang：写作 – 审阅与编辑，验证，数据管理。利益冲突声明作者声明，他们不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文所报告的工作。致谢本研究由韩国教育部资助的BK21 FOUR项目支持（4199990113966）。本研究由庆北大学2025年研究基金资助。EDA工具由韩国IC设计教育中心（IDEC）支持。本研究还由庆国国立大学研究基金资助。Jin Park|Soo Bean Song|Kyeong Min Lim|Sang Ho Lee|Young Jun Yoon|In Man Kang