辐射诱导缺陷的非均匀分布对AlGaN/GaN HEMT电性能的影响

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：The Impact of Non-Uniform Distribution of Radiation-Induced Defects on the Electrical Performance of AlGaN/GaN HEMTs

氯离子辐照AlGaN/GaN HEMTs导致深度非均匀缺陷，引发阈值电压正移、漏极电流饱和及跨导率崩溃。缺陷工程分析表明FeGa-VN（-0.5eV）缺陷主导阈值漂移，而AlGaN层VN缺陷（-0.77eV）在门压临界值后激活电子捕获机制，造成门压依赖的非均匀载流子陷阱效应。

　　

摘要：

本研究探讨了在不同能量下受到氯离子辐照的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs），这种辐照会在栅电极下方产生深度依赖性的非均匀缺陷。通过结合实验和仿真方法，我们系统地分析了三种不同的退化现象：传输特性的非均匀退化、阈值电压（Vth）的变化以及峰值跨导（GM）的下降。通过电流深能级瞬态谱（I-DLTS）测量、电性能测试、技术计算机辅助设计（TCAD）器件仿真以及能带理论分析，发现高剂量的氯离子辐照会在GaN层中产生FeGa–VN缺陷（Ec ≈ -0.5 eV），这些缺陷会导致费米能级在这些陷阱态中被固定。缺陷浓度的增加会导致界面能带弯曲，并降低二维电子气（2DEG）的密度。位于AlGaN/GaN界面附近的施主缺陷E1被认为是导致阈值电压变化的主要因素。此外，当栅电压超过某个临界值时，AlGaN势垒层中的VN (+1/+2) 缺陷（Ec ≈ -0.77 eV）会被激活，这会显著增强电子从导带中的捕获。这种空间非均匀的陷阱过程会导致漏电流（Id）随栅电压的变化而变化，最终导致峰值跨导（GM）的下降。

引言

第三代半导体器件，特别是AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管（HEMTs）[1]、[2]的快速发展，凭借其优异的电性能和微型化能力[3]、[4]，彻底改变了太空级电子系统。这些优势使它们成为航天器电源管理和射频（RF）应用中的理想候选者。然而，AlGaN/GaN HEMTs在轨道环境中的辐射可靠性仍然是一个关键问题[5]、[6]、[7]。在辐射环境中[8]、[9]、[10]、[11]，高能入射粒子会对AlGaN/GaN HEMTs造成辐射损伤，从而导致性能下降[12]、[13]、[14]。这种损伤的主要原因是辐射诱导的位移缺陷[15]、[16]、[17]、[18]、[19]的产生。这些缺陷会导致载流子浓度和迁移率的降低，表现为阈值电压（Vth）向正方向偏移、漏电流（Id）减少以及器件峰值跨导（GM）下降。这些缺陷通常形成在器件表面[20]和内部[21]，可能导致器件性能下降甚至失效。