| 题名 | Ⅲ-Ⅴ族半导体材料及AlGaN/GaN HEMT器件辐照效应研究 |
| 作者 | 胡培培 |
| 答辩日期 | 2019-06-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) |
| 授予地点 | 中国科学院大学 |
| 英文摘要 | 随着半导体技术的发展,芯片集成度越来越高,硅器件尺寸已逼近物理极限。同时,高集成度带来了新的问题,即微纳米器件在辐射环境下工作的长期可靠性,这些问题导致器件发展面临巨大的挑战。目前,随着航天事业的崛起,新型半导体材料广泛应用于卫星、空间站等航天领域。宇宙射线中的高能重离子,会引起宇航器件单粒子效应,还会在器件材料内部产生永久性的结构损伤,从而影响器件稳定性。因此,InP和GaN等Ⅲ-Ⅴ族半导体材料及器件快重离子辐照效应的研究对宇航器件的应用及抗辐射加固具有指导意义。本论文利用兰州重离子加速器提供的多种快重离子(Ar、Fe、Kr、Xe、Ta和Bi)辐照Ⅲ-Ⅴ族半导体InP及GaN晶体。辐照实验在真空和室温条件下进行,实验中通过增加不同厚度的降能片,改变入射离子的能量从而调节入射离子在材料中的电子能损,满足实验设计的需求。我们采用透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)对辐照前后的样品进行表征,系统研究了快重离子辐照在两种材料中产生的缺陷及潜径迹的形貌和尺寸。采用Xe、Ta和Bi离子在真空条件下静态辐照AlGaN/GaN HEMT器件。利用半导体参数测试仪对辐照前后的器件进行电学参数测试,研究重离子辐照对器件电学性能的影响。利用聚焦离子束系统制备器件剖面样品,然后利用TEM观测器件不同区域潜径迹的形貌和尺寸,通过研究辐照产生的缺陷和潜径迹,探索器件结构损伤的根本原因。快重离子辐照引起InP晶体结构损伤。(a)Fe、Ar、Kr和Xe四种离子辐照后,拉曼谱中LO’模式被激发,根据InP晶体的能带结构判定LO’模式属于X点声子散射引起的二级拉曼散射,参与一级拉曼散射的声子不再局限于Γ点而是扩展到整个布里渊区,说明辐照引起晶体无序化,晶格畸变导致拉曼声子模式被修正。LO’模式与LO模式的强度比I_(LO’)/I_(LO)存在峰值且随辐照参数变化。辐照注量逐渐增大时晶体的无序化程度逐渐增大,I_(LO’)/I_(LO)增大;随辐照注量不断升高,出现退火效应,I_(LO’)/I_(LO)减小。(b)Bi离子辐照实验中发现TO模式受激发,I_(TO)/I_(LO)随着辐照注量的增大逐渐增大。TO模式受激发说明辐照引起晶体结晶度的改变,TEM实验结果验证了这一结论。因此,I_(TO)/I_(LO)比值能够定量描述晶体的结晶度。(c)Ta离子和Bi离子辐照在InP晶体中产生了潜径迹。随着电子能损不断增大,潜径迹的尺寸逐渐增大,连续性增强。电子能损的波动性以及Rayleigh不稳定性导致非连续径迹的形成。TEM和拉曼实验结果直接和间接的表明辐照导致InP晶体结构损伤。利用不同能量的Ar、Xe和Ta离子辐照GaN晶体,拉曼光谱的变化不明显。Fe离子辐照后在较高的注量下,不同频率的拉曼散射模式被激发,相关研究表明新模式的激发是由Ga原子或N原子相关缺陷态的作用引起的。此外,不同能量的Bi离子辐照后,晶体中产生压应力随辐照注量的增大逐渐增大,导致E_2(high)模式蓝移。拉曼实验结果表明在高电子能损、高注量等极端条件下,快重离子辐照同样会引起GaN材料晶体结构损伤。Xe、Ta和Bi离子在辐照后GaN晶体中发现了大小不同的潜径迹,潜径迹半径随电子能损的增大而增大。实验结果及理论分析得出结论,GaN晶体中潜径迹形成的电子能损阈值约为23 keV/nm。快重离子辐照引起AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)电学参数退化,器件材料结构损伤。测量转移特性曲线发现辐照后器件阈值电压正向漂移,饱和漏电流减小。输出特性曲线比较分析发现辐照后饱和漏电流大幅度降低,并且在高注量下器件性能失效,晶体管不导通,无外加偏压下有漏电现象。采用TCAD软件模拟离子辐照引起器件中电场分布的变化,发现离子入射3 ns后电场分布恢复到初始状态,说明辐照后器件电学参数的退化与电场分布的变化没有关系。我们利用聚焦离子束制备器件的剖面样品,在TEM下观察到异质结及缓冲层区域形成了潜径迹,径迹形貌和尺寸随入射深度变化而变化。通过实验和仿真结果综合分析得出结论,重离子辐照在器件材料中沿离子路径形成潜径迹,晶格结构被破坏,导致二维电子气(2DEG)面密度减小,迁移率下降,引起AlGaN/GaN HEMT器件阈值电压正向漂移,饱和漏电流急剧减小,最终导致器件电学性能退化,在这一过程中潜径迹起到至关重要的作用。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 97 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://119.78.100.186/handle/113462/134959]  |
| 专题 | 近代物理研究所_加速器总体室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 胡培培. Ⅲ-Ⅴ族半导体材料及AlGaN/GaN HEMT器件辐照效应研究[D]. 中国科学院大学. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所). 2019. |
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