季啟政，劉 峻，楊 銘，胡小鋒，萬發(fā)雨，劉尚合*

（1. 中國人民解放軍陸軍工程大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)重點實驗室，石家莊 050003；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 3. 南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京 210044；4. 北京東方計量測試研究所，北京 100086）

0 引言

航天用元器件除需滿足體積小、重量輕、穩(wěn)定性好等要求外，還需滿足一定的耐高溫、高擊穿電壓以及抗輻射的條件。目前常見的半導(dǎo)體材料主要以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表，但這類材料較窄的禁帶寬度使其在高溫、高工作電壓、高輻射環(huán)境下性能不穩(wěn)定。新興的第三代寬禁帶半導(dǎo)體中的氮化鎵（GaN）逐漸成為研究熱點，其禁帶寬度是傳統(tǒng)Si 材料的3 倍，具備優(yōu)異的電學(xué)性能（電子遷移率高、介電常數(shù)小、飽和漂移速度快、擊穿電場強(qiáng)等）和化學(xué)穩(wěn)定性?；贕aN 材料制備的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（high electron mobility transistor,HEMT）不僅繼承了GaN 材料本身的優(yōu)點，并且無須摻雜就可獲得高濃度、高遷移率的二維電子氣（2DEG），解決了摻雜所帶來的散射問題，主要用作射頻和微波功率器件。AlGaN/GaN HEMT 從最初問世至今已經(jīng)發(fā)展了近30 年，其各方面性能都已得到極大的發(fā)展和提高，但其輻射效應(yīng)方面的研究還有待深入，特別是對該器件經(jīng)歷輻射后性能下降的原因尚未有完善的機(jī)理解釋。航天器在空間中所受輻射主要來自銀河宇宙線、太陽宇宙線和地球輻射帶，其中銀河宇宙線、太陽宇宙線中的質(zhì)子占比分別為85%和90%以上，地球輻射帶中的主要輻射源為質(zhì)子和電子。質(zhì)子能夠同時引起電離和位移效應(yīng)，影響器件性能，因此對器件的質(zhì)子輻射效應(yīng)研究十分必要。

本文總結(jié)近年來AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料與器件質(zhì)子輻射效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，歸納目前研究提出的輻射損傷機(jī)理以及質(zhì)子能量和注量參數(shù)對AlGaN/GaN HEMT 性能的影響，并針對目前研究中存在的不足提出未來研究方向建議。

1 AlGaN/GaN HEMT 輻射損傷機(jī)理與效應(yīng)研究

空間中的質(zhì)子、電子、離子等高能帶電粒子會影響航天器中半導(dǎo)體器件的工作狀態(tài)，使器件出現(xiàn)軟失效、性能下降甚至停止工作?？臻g粒子對器件的損傷已經(jīng)成為影響航天器正常運行的重要因素之一。

雖然理論上AlGaN/GaN HEMT 具有優(yōu)異的抗輻射能力，但在實際的制備中，由于異質(zhì)結(jié)外延生長過程中會出現(xiàn)外延層之間的熱失配，而且外延層之間晶格常數(shù)的不同也會導(dǎo)致晶格失配，使AlGaN/GaN HEMT 內(nèi)部出現(xiàn)高密度缺陷，加上熱退火等器件制備工藝帶來的晶格損傷，使AlGaN/GaN HEMT的可靠性在復(fù)雜的空間輻射環(huán)境，特別是質(zhì)子輻射下面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。器件的質(zhì)子輻射效應(yīng)包含電離效應(yīng)和位移效應(yīng)，這2 種效應(yīng)的區(qū)別在于入射粒子與器件的作用機(jī)理不同。

1.1 電離效應(yīng)

電離效應(yīng)主要表現(xiàn)為總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)，其所需能量較小，表現(xiàn)為通過破壞半導(dǎo)體內(nèi)部能帶平衡產(chǎn)生能夠自由移動的電子-空穴對，在工作電場的作用下，空穴和電子沿著電場線分別向相反方向漂移，形成附加電流，改變器件性能甚至使器件損毀。總劑量效應(yīng)為累積的輻射損傷效應(yīng)，即隨著輻射劑量的增加，半導(dǎo)體內(nèi)部因能量吸收產(chǎn)生的缺陷逐漸累積，該效應(yīng)也愈發(fā)顯著。與總劑量效應(yīng)不同，單粒子效應(yīng)為由單個高能粒子引起的輻射效應(yīng)。當(dāng)高能粒子穿過半導(dǎo)體器件的敏感區(qū)域時，在其行經(jīng)軌跡上會產(chǎn)生大量的電子-空穴對，形成附加電流對器件造成不同程度的影響。單粒子效應(yīng)包含單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)、單粒子燒毀和單粒子?xùn)艙舸┑?，其中單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)會引發(fā)軟失效，對器件造成的損傷可恢復(fù)；而單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯﹦t會引發(fā)硬失效，對器件造成不可逆的永久性損傷。早先研究表明，AlGaN/GaN HEMT 對于質(zhì)子引發(fā)的單粒子效應(yīng)并不敏感，因為質(zhì)子在GaN 中的線性能量傳輸（linear energy transfer, LET）不足以直接引起單粒子效應(yīng)。但高能質(zhì)子通過彈性散射和非彈性散射產(chǎn)生的原子序數(shù)較高的重離子具有較高LET 值，能夠間接誘發(fā)單粒子效應(yīng)。因此，目前國際上許多關(guān)于AlGaN/GaN HEMT 單粒子效應(yīng)的研究都直接采用重離子進(jìn)行。

1.2 位移效應(yīng)

位移效應(yīng)是指粒子撞擊使原子產(chǎn)生位移，遠(yuǎn)離原本的晶格位置并留下空位。質(zhì)子造成的位移效應(yīng)是GaN 基器件性能退化的主要原因，但只有粒子傳遞給Ga、N 原子的能量大于兩者所需最小位移能量時，才能產(chǎn)生位移損傷。位移效應(yīng)在器件內(nèi)部不同位置產(chǎn)生的缺陷對器件的影響有所不同。這些缺陷主要分為GaN 體缺陷、AlGaN 體缺陷、異質(zhì)結(jié)界面缺陷以及AlGaN 表面態(tài)，對于擁有鈍化層的器件還包括AlGaN/鈍化層界面缺陷。2DEG 被束縛在AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面處，距AlGaN、GaN體缺陷較遠(yuǎn)，體缺陷主要通過附近帶電缺陷中心利用庫侖作用縮短載流子壽命而降低遷移率；異質(zhì)結(jié)界面處缺陷除了降低載流子遷移率外，受主型缺陷會俘獲電子降低2DEG 濃度；AlGaN 表面態(tài)和AlGaN/鈍化層界面缺陷可起到“虛柵”的作用，影響2DEG溝道處的2DEG 濃度，減小漏極電流從而影響器件輸出性能。

當(dāng)前大部分研究僅對輻照后器件的性能變化做出描述，也有部分研究聚焦于粒子進(jìn)入器件內(nèi)部后的作用機(jī)理。2004 年，Hu 等利用1.8 MeV 的質(zhì)子照射AlGaN/GaN HEMT，發(fā)現(xiàn)注量為10cm的情況下其輸出特性曲線中漏極飽和電流下降了10.6%，而漏極飽和電流與載流子遷移率、2DEG 濃度密切相關(guān)。質(zhì)子通過撞擊晶格中的原子造成位移損傷，類似摻雜過程生成大量陷阱，包括施主型和受主型。在Kalavagunta 等2008 年的研究中發(fā)現(xiàn)，施主型陷阱對2DEG 濃度幾乎沒有影響，導(dǎo)致2DEG 濃度下降的原因是受主型陷阱通過電荷復(fù)合俘獲載流子；不同能級缺陷對器件直流特性的影響也不相同，其中深能級缺陷比淺能級缺陷對直流特性的影響更大（見圖1）；他們還發(fā)現(xiàn)AlN 插層中的缺陷并不會對2DEG 濃度產(chǎn)生影響，輻照生成的帶電缺陷中心會通過增強(qiáng)2DEG 溝道中的庫侖散射強(qiáng)度縮短載流子壽命以降低載流子的飽和遷移率。2011 年，呂玲等利用3 MeV 的質(zhì)子照射AlGaN/GaN HEMT，推斷器件的性能退化由位移損傷引起，并認(rèn)為Ga 空位屬于類受主型缺陷，而N 空位屬于類施主型缺陷，在將空位模型導(dǎo)入Slivaco 仿真軟件后發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果間的數(shù)據(jù)符合度較好。2015 年，Ives 等在對GaN HEMT 中由質(zhì)子輻照引起位移損傷的研究中發(fā)現(xiàn)，器件中產(chǎn)生的施主型和受主型缺陷在不同質(zhì)子注量水平下所占比重不同：施主型缺陷在低注量時占主導(dǎo)地位，受主型缺陷在高注量時占主導(dǎo)地位。

圖1 AlGaN 中2DEG 濃度隨不同類型缺陷能級的變化[29]Fig. 1 2DEG density as a function of defect energy and defect type in AlGaN[29]

關(guān)于質(zhì)子輻照引起的位移效應(yīng)，目前絕大部分研究人員比較認(rèn)可的是空位產(chǎn)生缺陷俘獲載流子和縮短載流子壽命這2 種機(jī)理，也有少部分研究者將目光聚集到AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料比較獨特的性質(zhì)——壓電極化上，以期探尋更合理的解釋。與AlGaAs/GaAs 異質(zhì)結(jié)依靠摻雜形成高濃度載流子不同，AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)中的高濃度2DEG 十分依賴于2 種材料間的壓電極化，由于異質(zhì)結(jié)外延過程中帶來的晶格失配以及熱退火損傷使得異質(zhì)結(jié)界面處十分敏感，輻照引起的位移損傷改變內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)，發(fā)生應(yīng)力弛豫，進(jìn)而影響材料間的壓電極化。目前已有研究證實質(zhì)子輻照下的AlGaN/GaN HEMT 存在應(yīng)力弛豫現(xiàn)象。范隆等于2007 年建立了輻射感生應(yīng)力弛豫模型（圖2），因輻射感生應(yīng)力弛豫導(dǎo)致的極化電荷密度減小是輻射感生應(yīng)力弛豫度()的函數(shù)，其中表示輻射劑量且()∝D（與粒子類型以及能量相關(guān)，取值在0～1之間）。根據(jù)這個模型，隨著()的增加，2DEG 濃度呈線性下降，從而導(dǎo)致漏極飽和電流的降低。除了對輸出特性曲線的影響，()的增大還導(dǎo)致閾值電壓正向漂移，造成漏源電流-柵源電壓（-）的平移，但跨導(dǎo)峰值不受影響，其原因可能是模型只考慮了()對電荷密度的影響，并沒有將缺陷對肖特基勢壘高度的影響納入。除此以外，對于Al組分較高的AlGaN/GaN HEMT，輻射感生應(yīng)力弛豫的影響更加明顯，而Al 組分在一定程度上增加有利于增強(qiáng)壓電極化，進(jìn)而增加2DEG濃度。這種現(xiàn)象對于如何在增加Al 組分提高2DEG 濃度和提升器件抗輻射性能之間尋找平衡點具有一定指導(dǎo)意義。

圖2 2DEG 濃度ns 在不同Al 組分m 下隨輻射感生應(yīng)力弛豫度r 的變化[33]Fig. 2 2DEG density as a function of Al content and strain relaxation degree[33]

2 質(zhì)子輻照對AlGaN/GaN HEMT 性能的影響

范·艾倫輻射帶是由地球磁場捕獲的高能電子和質(zhì)子組成的，分為內(nèi)外2 層，對運行中的航天器有一定危害。質(zhì)子作為內(nèi)輻射帶的主要成分之一，能量分布區(qū)間廣泛，其作用包含電離損傷和位移損傷，前者是瞬時效應(yīng)，后者在半導(dǎo)體器件內(nèi)部形成缺陷造成永久性損傷。研究表明AlGaN/GaN HEMT 具有很強(qiáng)的抗電離輻射特性，故將質(zhì)子輻照后AlGaN/GaN HEMT 性能下降歸因于質(zhì)子在器件內(nèi)部產(chǎn)生的位移損傷。質(zhì)子能量和注量作為質(zhì)子輻照的主要參數(shù)，對質(zhì)子的輻射效應(yīng)有著不同程度的影響。

2.1 質(zhì)子能量對AlGaN/GaN HEMT 性能的影響

質(zhì)子在AlGaN/GaN HEMT 中造成的位移損傷可以利用非電離能量損失（non-ionizing energy loss,NIEL）進(jìn)行衡量，NIEL 越大對應(yīng)的位移損傷越嚴(yán)重，不同的質(zhì)子能量對NIEL 有很大影響。2004 年，Hu 等測試了4 組不同能量（1.8、15、40、105 MeV）質(zhì)子輻照下AlGaN/GaN HEMT 的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線，發(fā)現(xiàn)15、40、105 MeV 質(zhì)子輻照下，器件的性能幾乎沒有受到影響，且器件損傷在室溫退火后完全恢復(fù)；而在相同注量（10cm）下，1.8 MeV質(zhì)子輻照下器件性能的退化比105 MeV 質(zhì)子輻照下的更加嚴(yán)重——漏極飽和電流降低10.6%，跨導(dǎo)峰值降低6.1%。從而認(rèn)為，1.8 MeV 的質(zhì)子具有更大的非電離能量損失，將導(dǎo)致器件更為嚴(yán)重的位移損傷。2018 年，Keum 等通過1 MeV 和2 MeV 質(zhì)子輻照實驗（質(zhì)子注量均為5×10cm）得到了增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT 的一系列電學(xué)參數(shù)并分析其退化規(guī)律，結(jié)果顯示，無論是在1 MeV 還是2 MeV輻照下，器件的閾值電壓和漏極電流均有所衰退，但1 MeV 質(zhì)子輻照后器件的漏源電流比2 MeV質(zhì)子輻照后的多下降了13.4%，閾值電壓正向漂移的幅度也從1.1 V 增大到2.68 V。這表明隨著質(zhì)子能量的降低，器件的漏源輸出電流和閾值電壓等性能下降更為嚴(yán)重。呂玲等也于2021 年研究了質(zhì)子能量在增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT 性能下降中的作用，其研究結(jié)果與Keum 等的研究結(jié)果一致；此外，他們發(fā)現(xiàn)即使在140 keV 質(zhì)子的注量（10cm）比70 keV 質(zhì)子的注量（10cm）高1 個數(shù)量級的情況下，70 keV質(zhì)子輻照后器件的最大跨導(dǎo)線密度仍比140 keV質(zhì)子輻照后的多下降了14.2%。為了探究質(zhì)子能量越低器件性能下降幅度越大的原因，他們利用SRIM 仿真軟件計算質(zhì)子引起的非電離能量損失及其在外延層中的深度分布（圖3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)：NIEL 在器件中的主要分布與質(zhì)子的入射深度呈正相關(guān)，能量越大的質(zhì)子在器件中的入射越深，2DEG 溝道處晶格損傷反而得到了緩解；隨著質(zhì)子入射能量的減小，NIEL 在器件中的主要分布深度變小，由其引起的位移損傷主要在溝道附近，導(dǎo)致低能質(zhì)子對器件造成的損傷更為嚴(yán)重。

圖3 不同能量質(zhì)子在器件中的非電離能量損失隨入射深度的分布[36]Fig. 3 NIEL as a function of protons of different energy and incident depth[36]

何歡等于2019 年運用分子動力學(xué)研究方法分析了GaN 在低能質(zhì)子輻照下的損傷，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子在與GaN 發(fā)生碰撞后產(chǎn)生一系列的初級離位原子（PKA），這些離位原子會繼續(xù)在內(nèi)部發(fā)生碰撞形成不同種類的點缺陷（空位、間隙原子、反位原子）。模擬發(fā)現(xiàn)：初級離位原子的能量與其產(chǎn)生的點缺陷數(shù)量呈較好的線性關(guān)系（見圖4）；而且不同種類的點缺陷數(shù)量都是先隨時間推移而上升，達(dá)到頂峰后又快速衰減（見圖5），這主要是因為輻照后器件內(nèi)部缺陷發(fā)生復(fù)合，其復(fù)合率達(dá)到90%。除利用仿真軟件模擬不同能量質(zhì)子對器件的影響程度，有研究者通過直接觀察器件內(nèi)部損傷來評價不同能量質(zhì)子對器件的影響。2006 年，Sonia 等通過聚焦離子束刻蝕法制備了AlGaN/GaN HEMT柵區(qū)截面樣品，用透射電鏡分別觀察未輻照、2 MeV以及68 MeV 質(zhì)子輻照（質(zhì)子注量均為10cm）后的截面樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相較于68 MeV 質(zhì)子，2 MeV質(zhì)子在柵區(qū)的沉積數(shù)目更大，金屬柵下截面損傷程度更為嚴(yán)重；器件的轉(zhuǎn)移特性曲線顯示，2 MeV 質(zhì)子輻照后的器件跨導(dǎo)性能略有下降。

圖4 弗蘭克爾點缺陷對數(shù)隨PKA 能量的變化[39]Fig. 4 Logrithmic number of Frenkel point defect as the function of PKA energy[39]

圖5 10 keV 的PKA 產(chǎn)生的點缺陷數(shù)量隨時間的變化[39]Fig. 5 Number of point defect produced by 10 keV PKA as a function of time[39]

2.2 質(zhì)子注量對AlGaN/GaN HEMT 性能的影響

高能質(zhì)子與晶格中的原子（主要是Ga 原子）相互碰撞迫使晶格位移產(chǎn)生帶電缺陷中心，其中帶電缺陷產(chǎn)生的庫侖散射的變化與帶電缺陷中心的數(shù)目成正比，并從降低載流子遷移率和降低載流子濃度兩方面導(dǎo)致器件性能退化。由于2DEG 溝道屬于二維系統(tǒng)，溝道外層的帶電缺陷產(chǎn)生的庫侖散射可縮短載流子壽命，降低載流子遷移率，但不會俘獲載流子；溝道內(nèi)部的缺陷可以俘獲載流子，降低2DEG 濃度，但溝道太薄以至于質(zhì)子在溝道處產(chǎn)生缺陷的概率很小。當(dāng)質(zhì)子注量增加時，溝道外層缺陷的貢獻(xiàn)越來越重要，由其引起的載流子遷移率變化會較2DEG 濃度變化對器件性能影響更占據(jù)主導(dǎo)地位。2002 年，Gaudreau 等發(fā)現(xiàn)AlGaN/GaN HEMT 的2DEG 濃度以及載流子遷移率都會受到質(zhì)子輻照損傷的影響，但后者所受影響大于前者；在2 MeV 質(zhì)子輻照下，隨著質(zhì)子注量的增加，在達(dá)到3.3×10cm和5×10cm時載流子遷移率會呈斷崖式下跌（參見圖6）。2003 年，Hu 等在室溫下利用能量為1.8 MeV 的質(zhì)子輻照AlGaN /GaN HEMT，結(jié)果當(dāng)質(zhì)子注量低于1×10cm時，器件性能幾乎不發(fā)生變化，閾值電壓在-6 V 處波動幅度不大；當(dāng)注量達(dá)到3×10cm時，器件性能急劇下降，漏極電流下降80%，閾值電壓也正向漂移至-3.5 V。同年，White 等利用同樣能量的質(zhì)子輻照對AlGaN/GaN HEMT 進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)在較低質(zhì)子注量（≤1×10cm）下主要是接觸電阻受到影響（參見圖7），溝道的傳輸特性，如漏極飽和電流及跨導(dǎo)沒有顯著變化；在較高質(zhì)子注量（＞1×10cm）下溝道處載流子的遷移率迅速降低從而影響器件性能，載流子濃度在質(zhì)子注量＞2×10cm前并無明顯變化（參見圖8）。

圖6 25 K 溫度下載流子遷移率隨質(zhì)子注量的變化[41]Fig. 6 Mobility as a function of proton fluence at 25 K[41]

圖7 方塊電阻與接觸電阻隨質(zhì)子注量的變化[43]Fig. 7 Sheet resistance and specific contact resistivity as the function of proton fluence[43]

圖8 歸一化載流子遷移率與載流子濃度隨質(zhì)子注量的變化[43]Fig. 8 Normalized mobility and 2DEG sheet density as the functions of proton fluence[43]

Kim 等于2008 年研究了17 MeV 質(zhì)子在3 種不同注量 （7.2×10cm、2×10cm、2×10cm）下輻照AlGaN /GaN HEMT 后器件性能的變化（見圖9），結(jié)果表明：在7.2×10cm注量下器件的輸出特性曲線并無變化，2×10cm和2×10cm注量下漏極電流分別下降16%和43%；在最大注量下，器件跨導(dǎo)下降約29%，主要是因為帶電缺陷中心降低了肖特基勢壘高度，削弱了柵極對電流的控制能力。通過對器件最大注量下輻照前后的陰極熒光（CL）光譜（圖10）進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，光譜強(qiáng)度最大下降了76%。光譜強(qiáng)度表征的是半導(dǎo)體內(nèi)部缺陷程度，光譜強(qiáng)度下降76%表明器件內(nèi)部有大量缺陷，但光譜下降程度與漏極電流下降43%的程度相差較大，其原因主要是器件內(nèi)部導(dǎo)電溝道極薄以至于與入射質(zhì)子發(fā)生碰撞的概率很小，這也與前文所述溝道外層缺陷貢獻(xiàn)占主導(dǎo)的理論相契合。

圖9 AlGaN/GaN HEMT 在不同質(zhì)子注量下的輸出特性曲線[44]Fig. 9 The IDS-VDS of AlGaN /GaN HEMT at various VGS before and after proton irradiation of various fluence[44]

圖10 AlGaN/GaN HEMT 在不同質(zhì)子注量下的CL 光譜[44]Fig. 10 The CL spectra of AlGaN /GaN HEMT before and after proton irradiation of different doses[44]

隨著質(zhì)子注量增加，器件中俘獲載流子的輻照缺陷中心增多使材料逐漸呈現(xiàn)半絕緣特性，導(dǎo)致方塊電阻增大。同時，由于所俘獲的載流子更容易被激發(fā)，降低了器件的擊穿電壓，在達(dá)到一定電壓后缺陷中大量電子被激發(fā)，漏電流迅速增加導(dǎo)致器件被擊穿。Karmarkar 等于2004 年的研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照除了會俘獲電子降低2DEG 濃度，以及增強(qiáng)庫侖散射降低載流子遷移率外，還通過對AlGaN/GaN HEMT 肖特基二極管特性的研究發(fā)現(xiàn)，1.8 MeV 質(zhì)子輻照下二極管串聯(lián)電阻隨著質(zhì)子注量的增加逐漸升高，在3×10cm質(zhì)子注量下增加了約53%，并且肖特基勢壘在1×10cm質(zhì)子注量下增加了0.1 eV。嚴(yán)肖瑤對70 keV 和140 keV 質(zhì)子輻照下器件TLM（Transmission Line Model）特性進(jìn)行對比（見圖11(a)）后發(fā)現(xiàn)，對于相同能量的質(zhì)子輻照，在達(dá)到一定注量后，器件的方塊電阻會隨著注量增加而急劇增加，質(zhì)子能量相對較低的情況下，該注量閾值會有所降低；根據(jù)不同質(zhì)子注量下的臺面漏電情況（圖11(b)）分析發(fā)現(xiàn)，器件擊穿電壓隨著質(zhì)子注量的增加而下降。

圖11 不同能量及注量質(zhì)子輻照對AlGaN/GaN HEMT 的TLM 特性影響對比[46]Fig. 11 Comparison of proton irradiation with different energy and dosage on TLM characteristics of AlGaN/GaN HEMT[46]

2.3 小結(jié)

低能質(zhì)子在進(jìn)入器件內(nèi)部時通過非彈性碰撞損失能量引入位移損傷并最終沉積在器件內(nèi)部，形成的缺陷除了通過常見的俘獲電子和增強(qiáng)載流子散射這2 種方式降低器件性能外，還通過壓電極化特性影響器件性能，改變晶格結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)界面應(yīng)力進(jìn)而減少降低溝道處載流子濃度。

較低能量的質(zhì)子只有在較高注量的情況下才會使器件出現(xiàn)較為嚴(yán)重的性能下降，并且降低器件的擊穿電壓，削弱器件的可靠性。

3 分析討論

本文通過典型代表性文獻(xiàn)的調(diào)研分析，總結(jié)了質(zhì)子對AlGaN/GaN HEMT 的輻射效應(yīng)和作用機(jī)理，并且列舉了不同能量和注量參數(shù)的質(zhì)子對器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性產(chǎn)生的影響。

由前文知，質(zhì)子輻射引起的AlGaN/GaN HEMT性能下降，主要應(yīng)歸因于質(zhì)子在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的位移效應(yīng)。關(guān)于位移效應(yīng)，目前絕大多數(shù)研究都聚焦于空位形成的缺陷，以及缺陷作為復(fù)合中心或庫侖散射中心能夠俘獲載流子、降低載流子濃度，或增強(qiáng)載流子所受散射強(qiáng)度從而縮短載流子壽命。這種機(jī)理解釋對于AlGaN/GaN HEMT 和常規(guī)半導(dǎo)體器件（Si 基或GaAs 基）是共通的，然而不足以完整解釋位移效應(yīng)在AlGaN/GaN HEMT 中的作用。相比于常規(guī)半導(dǎo)體器件，AlGaN/GaN HEMT 具有載流子的形成依賴于異質(zhì)結(jié)界面處的壓電極化的特點。位移效應(yīng)在異質(zhì)結(jié)附近引起的空位勢必會影響AlGaN/GaN 之間的應(yīng)力分布，改變壓電極化，進(jìn)而影響溝道中的載流子濃度以及輸運。然而，目前從壓電極化角度分析AlGaN/GaN HEMT 的質(zhì)子輻照效應(yīng)的研究仍有欠缺。

對AlGaN/GaN HEMT 進(jìn)行輻照研究，主要目的是使該器件能夠更好地應(yīng)用于航天等領(lǐng)域。就空間環(huán)境而言，不同航天器軌道上的質(zhì)子能量和注量率有所不同，結(jié)合第2 章分析，不同能量和注量的質(zhì)子對器件的影響也不同。目前大多數(shù)研究是基于其具備的實驗條件對質(zhì)子輻照參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實驗條件相對籠統(tǒng)，并沒有考慮航天器在軌所受的實際輻射環(huán)境。另外，現(xiàn)有研究更多地通過質(zhì)子輻照前后器件的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性以及方塊電阻等參數(shù)的變化分析AlGaN/GaN HEMT 的質(zhì)子輻射效應(yīng)，更傾向于分析質(zhì)子在器件內(nèi)部的微觀作用機(jī)理，而較少關(guān)注質(zhì)子輻照對器件頻率特性、功率特性、耐壓特性等宏觀性能和特征的影響。然而，AlGaN/GaN HEMT 的優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域恰恰是微波功率領(lǐng)域，因此器件的上述宏觀特性是直接面向應(yīng)用的關(guān)鍵特性，是當(dāng)前研究必須補(bǔ)齊的短板。

4 未來研究方向建議

航天事業(yè)的發(fā)展對半導(dǎo)體器件提出了更高要求。相較于傳統(tǒng)Si、GaAs 器件，AlGaN/GaN HEMT因其各項優(yōu)異特性成為了當(dāng)前研究熱點之一。雖然國內(nèi)外已在AlGaN/GaN HEMT 本身特性方面開展較多研究，但針對器件輻射特性的研究尚有欠缺。作者在前文分析的基礎(chǔ)上，對AlGaN/GaN HEMT質(zhì)子輻射效應(yīng)的未來研究方向提出以下建議：

1）開展AlGaN/GaN HEMT 輻射損傷機(jī)制研究。從壓電極化角度出發(fā)，完善AlGaN/GaN HEMT輻射損傷機(jī)制，有利于對當(dāng)前輻射效應(yīng)機(jī)理解釋理論體系形成有效補(bǔ)充，更好地闡明微觀機(jī)制并針對性地提出器件抗輻射性能優(yōu)化方案。

2）開展不同軌道環(huán)境下的AlGaN/GaN HEMT質(zhì)子輻射效應(yīng)研究。模擬不同軌道處相應(yīng)的質(zhì)子輻射環(huán)境，深入全面掌握器件的輻射效應(yīng)，有助采取更適合的屏蔽和/或加固措施。

3）開展質(zhì)子輻照對AlGaN/GaN HEMT 宏觀特性影響研究。面向AlGaN/GaN HEMT 實際應(yīng)用需求，開展質(zhì)子輻照對器件頻率特性、功率特性及耐壓特性等宏觀特性的影響研究，有利于促進(jìn)AlGaN/GaN HEMT 的實際應(yīng)用。