（微电子学与固体电子学专业论文）氮化镓基增强型hemt器件与集成电路研究.pdf

摘要 摘要 本文重点研究了蓝宝石衬底上的铝镓氮氮化镓( a i g a n g a n ) 增强型高电子 迁移率晶体管( h e m t ) 和集成电路。 首先，开展了不同f 等离子体处理条件对器件的影响研究，采用一种新的分 步光刻方法将不同条件f 等离子体处理的器件成功制备在同一圆片上，得到了优 化的工艺条件，并在1 5 0 w 的f 等离子体处理功率下，实现了栅长为0 5 1 a m 的增 强型h e m t 器件，器件的阈值电压为0 5 7 v ，最大电流为5 1 0 m m m m ，最大跨导 为2 1 0 m s m m ，特征频率和最大振荡频率分别为1 7 1 g h z 和2 8 4 g h z 。通过电导 频率法对器件的陷阱效应进行研究，计算出了常规耗尽型和f 等离子体处理增强 型器件中的陷阱浓度及时常数，从陷阱的角度解释了f 等离子体处理对器件肖特 基特性的改善作用。 系统地从电应力、热应力及辐照应力方面对增强型器件的可靠性进行了研究。 研究表明了材料中存在不稳定的f 离子，在电应力及热应力的作用下这些f 离子 将发生移动，使器件阈值电压退化。但是，可以通过长时间电应力及高温热应力 使材料中f 离子固化，从而使器件达到稳定。研究还表明f 等离子体处理增强型 器件在总剂量为1 6 m r a d ( s i ) 的6 0 c oy 射线辐照应力下阂值电压保持稳定，而最大 跨导及最大饱和电流增大，通过对器件进行电容电压测试及电导频率法测试，从 陷阱形成的相关机理解释了器件辐照后的退化情况。 发现了s i 3 n 4 钝化层对a i g a n a i n g a n 薄势垒沟道二维电子气的调制作用， 提出采用薄势垒异质结材料代替常规势垒厚度异质结材料制备增强型器件，提高 了器件的直流及频率特性。采用两种不同势垒层厚度的薄势垒异质结材料( 分别 为1 6 n m 和8 n m ) 制备了常规t 型栅器件及f 等离子体处理增强型器件。对不同势 垒层厚度异质结材料制备的器件特性进行了比较，发现薄势垒器件相对于常规势 垒器件直流及频率特性有明显提高。势垒层厚度为8 n m 的常规t 型栅器件阂值电 压为0 2 v ，器件最大跨导为4 3 0 m s m m ，最大饱和电流为1 a m m ，特征频率为 2 7 5 g h z ，最大振荡频率为5 8 g h z 。采用i o o w , 8 0 sf 等离子体处理的8 n mt 型栅 器件阈值电压为o 9 v ，器件最大跨导为3 6 0 m s m m ，最大饱和电流为7 6 0 m a m m ， 特征频率为2 5 g h z ，最大振荡频率为5 2 g h z 。势垒层厚度为8 n m 的器件呈现出极 高的直流和频率特性。 针对a i g a n a i n g a n 薄势垒材料，首次采用金属绝缘栅介质半导体( m i s ) 结 构实现高性能增强型器件。绝缘栅介质( 1 2 n m 的s i 3 n 4 ) 的插入减小了器件的栅 电流，增大了器件的工作范围，提高了器件阈值电压，使增强型器件特性得到进 氮化镓基增强型h e m t 器件与集成电路研究 一步的提高。势垒层厚度为8 n m 的常规t 型栅m i s h e m t 器件，阈值电压为0 8 v ， 最大跨导为2 1 0 m s m m ，栅压为6 v 时最大饱和电流为8 3 0 m s m m 。采用5 0 w ，8 0 s f 等离子体处理的8 n mt 型栅m i s h e m t 器件阈值电压为1 8 v ，最大跨导为 1 9 0 m s m m ，栅压为7 v 时最大饱和电流为8 1 0 m a m m 。器件特性超越了之前的增 强型器件，实现了高阈值电压、大饱和电流和宽工作范围的增强型h e m t 器件。 研究并实现了g a n 基e d m o d e 的数字集成电路。首次采用g a n 薄势垒结构 实现了e d 模式h e m t 集成电路，该集成电路包含了反相器、环振、与非门以及 触发器。在v 叻偏置为2 v 的情况下，反相器输出电压摆幅达1 7 v ，低噪声容限 和高噪声容限分别为0 4 6 v 和1 1 7 v ；1 9 级环振集成电路的振荡频率为8 3 m h z ， 每级反相器延时为3 1 7 p s 。为进一步研究g a n 基e d m o d e 集成电路的抗辐照特性， 将1 6 n m 势垒a i g a n g a n 耗尽型器件、f 等离子体处理增强型器件、e d m o d e 反 相器及环振置于总剂量为1 m r a d ( s i ) 的6 0 c o y 射线中辐照，器件和电路在辐照后 几乎没有退化，显示出a i g a n g a ne d m o d e 集成电路的高抗y 辐照特性，及在 高抗辐照数字电路中的巨大潜力。 关键词：f 等离子体处理，增强型，高电子迁移率晶体管，薄势垒，e i ) m o d e 数 字电路抗辐照 a b s t r a c t a b s t r a c t e n h a n c e m e n t - m o d ea i g a n g a nh i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r s ( h e m t s ) a n d i n t e r g r a t e dc i r c u i t so ns a p p h i r es u b s t r a t e sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r d e v i c e sw i t hd i f f e r e n tf l u o d n ep l a s m ar fp o w e rt r e a t m e n tw e r ef a b r i c a t e do no n e w a f e rb yu s i n gan e ws t e pl i t h o g r a p h ym e t h o d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ff l u o r i n ep l a s m a t r e a t m e n tc o n d i t i o no nd e v i c e sw a ss t u d i e d t h ed e v i c e sw i t h 15 0 wf l u o d n ep l a s m a t r e a t m e n ts h o wb e t t e rc h a r a c t e r i s t i c s d e v i c e sw i t ho 5 p mg a t e l e n g t h e x h i b i t e da t h r e s h o l dv o l t a g eo f0 5 7 vam a x i m u md r a i nc u r r e n to f5 10 m a m m ，am a x i m u m t r a n s c o n d u c t a n c eo f210 m s m m ，ac u r r e n tg a i nc u t o f ff r e q u e n c yf ro f17 1g h z a n da m a x i m u mo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y 厂腑o f2 8 4 g h z t h ec o n d u c t a n c em e a s u r e m e n t si nt h e f r e q u e n c yw e r eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h et r a p p i n ge f f e c t si nd e v i c e s n et r a pd e n s i t y s a n dt i m ec o n s t a n t so fd e p l e t i o n - m o d ea n df l u o r i n ep l a s m at r e a t m e n te n h a n c e m e n t m o d e h e m t sw e r ec a l c u l a t e d ，a n de x p l a i nt h ei m p r o v e m e n to ff l u o r i n ep l a s m at r e a t m e n to n d e v i c e s s c h o t t k yc h a r a c t e r i s t i c s t h er e l i a b i l i t yo ff l u o r i n ep l a s m at r e a t m e n te n h a n c e m e n t m o d eh e m t sw e r e i n v e s t i g a t e df r o me l e c t r o n i cs t r e s s ，t h e r m a l s t r e s sa n dr a d i a t i o ns t r e s sa s p e c t i tw a s f o u n dt h a ts o m eu n s t a b l efi o ni nd e v i c e sm o v eu n d e re l e c t r o n i cs t r e s sa n dt h e r m a l s t r e s s a n dm a k et h et h r e s h o l dv o l t a g eo fd e v i c e sd e c r e a s e u n s t a b l ef i o nm o v e da n da t l a s tb ef i x e db yl o n gt i m ee l e c t r o n i cs t r e s so rh i i g ht e m p e r a t u r es t r e s s n od e g r a d a t i o n w a so b s e r v e di nt h r e s h o l dv o l t a g e so ff l u o r i n ep l a s m at r e a t m e n te n h a n c e m e n t 。m o d e h e m t sa f t e r6 0 c o 丫r a d i a t i o nw i t ht h ed o s eo f1 6m r a d ( s i ) h o w e v e r , t h em a x i m u m t r a n s c o n d u c t a n e ea n dt h em a x i m u md r a i nc u r r e n to fe - h e m t si n c r e a s e d a f t e rr a d i a t i o n t h ec a p a c i t a n c e v o l t a g em e a s u r e m e n t sa n dc o n d u c t a n c e f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t sw e r e t a k e nt o e x p l a i nt h ed e g r a d a t i o no ff l u o r i n ep l a s m a t r e a t m e n te n h a n c e m e n t 。m o d e h e m t sa f t e rr a d i a t i o nf r o mt h et r a p p i n ge f f e c t t h em e c h a n i s mo ft r a pf o r m a t i o nw a s a n a l y z e da n di n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i tw a sf o u n dt h a tt h ef o r m a t i o no ft w od i m e n t i o n a le l e c t r o ng a s ( 2 d e s ) i n a l g a n _ a l n g a nt h i nb a r r i e rh e t e r o s t r u c t u r ec a nb ec o n t r o l l e db yt h ep r e s e n c eo ft h e p e c v ds i3 n 4o nt h eb a r r i e rl a y e r t h i nb a r r i e rh e t e r o s t r u c t u r ei n s t e a do fn o r m a lb a r r i e r h e t e r o s t r u c t u r ew a su s e dt om a k ee n h a n c e m e n t m o d eh e m t sf o ri m p r o v i n gd ca n d r fc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e s t w od i f f e r e n tb a r r i e rt h i c k n e s s0 6 n ma n d8 n m ) h e t e r o s t r u c t u r ew e r eu s e dt of a b r i c a t ec o n v e n t i o n a lt - g a t ed e v i c e sa n df l u o r i n ep l a s m a 氮化镓基增强型h e m t 器件与集成电路研究 t r e a t m e n te n h a n c e m e n t 。m o d eh e m t s t h ep e r f o r m a n c e so fd e v i c e sw i t hd i f f e r e n t b a r r i e rl a y e rw e r ec o m p a r e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i nb a r r i e rd e v i c e si m p r o v e dal o t c o m p a r ew i t ht h i c kb a r r i e rd e v i c e s 8 n mb a r r i e rc o n v e n t i o n a lt - g a t ed e v i c e sw i t h o u t f l u o r i n ep l a s m at r e a t m e n te x h i b i tat h r e s h o l dv o l t a g eo f0 2 v am a x i m u md r a i nc u r r e n t o f1a m m ，am a x i m u mt r a n s c o n d u c t a n c eo f4 3 0 m s m m ，ac u r r e n tc u t o f ff r e q u e n c y f r o f2 7 5g h z ，a n daf r e q u e n c y 钿o f5 8g h z 8 n mb a r r i e rt - g a t ed e v i c e sw i t hf l u o r i n e p l a s m at r e a t m e n to f10 0 w , 8 0 se x h i b i tat h r e s h o l dv o l t a g eo f0 9 v , am a x i m u md r a i n c u r r e n to f7 6 0 m a m m ，am a x i m u mt r a n s c o n d u c t a n c eo f3 6 0 m s m m ，ac u r r e n tc u t o f f f r e q u e n c y 办o f2 5g h z ，a n dam a x i m u mo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y o f5 2g h z t h e d e v i c e sw i t h8 n mb a r r i e rl a y e rw i t ha n dw i t h o u tf l u o r i n ep l a s m at r e a t m e n tb o t he x h i b i t e x c e l l e n td ca n dr fc h a r a c t e r i s t i c s m e t a l i n s u l a t o r - s e m i c o n d u c t o rs t r u c t u r ew a su s e dt od e m o n s t r a t eh i g hp e r f o r m a n c e e n h a n c e m e n t - m o d ed e v i c e so na l g a n a i n g a nt h i nb a r r i e rh e t e r o s t r u c t u r ef o rt h ef i r s t t i m e t h ei n s e r to fi n s u l a t o r ( 12 n ms i 3 n 4 ) s u p p r e s s e dt h eg a t ec u r r e n ta n di m p r o v et h e o p e r a t i o nr a n g eo fd e v i c e s t h ei n s u l a t o ra l s oi n c r e a s e dt h et h r e s h o l dv o l t a g e so f d e v i c e sa n dm a d et h ed e v i c e s p e r f o r m a n c eb e t t e r t h e8 n mb a r r i e rm i s h e m tw i t h o u t f l u o r i n ep l a s m at r e a t m e n te x h i b i t e dat h r e s h o l dv o l t a g eo f0 8 v t h em a x i m u md r a i n c u r r e n t ( m a x ) a n dm a x i m u mt r a n s c o n d u c t a n c ew e r e8 3 0 m a m ma tg a t ev o l t a g eo f6 v , a n d210 m s m m ，r e s p e c t i v e l y t h e8 n mb a r r i e rm i s h e m tw i t hf l u o r i n ep l a s m a t r e a t m e n te x h i b i t e dah i g ht h r e s h o l dv o l t a g eo f1 8 v t h em a x i m u md r a i nc u r r e n t ( m a x ) a n dm a x i m u mt r a n s c o n d u c t a n c ew e r e810 m a m ma t g a t ev o l t a g e o f7 v , a n d 19 0 m s m m ，r e s p e c t i v e l y t h ed e v i c ep e r f o r m a n c ee x c e e d e da l ld e v i c e sm a d eb e f o r e ， w h i c hs h o wh i 曲t h r e s h o l dv o l t a g e ，h i 曲m a x i m u md r a i nc u r r e n ta n dh i g ho p e r a t i o n r a n g e g a n b a s e de d m o d ei n v e r t e r , r i n go s c i l l a t o r , n a n dg a t ea n dd f l i p f l o pw e r e d e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e di ng a nt h i nb a r r i e rs y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e a tas u p p l y v o l t a g e ( v d d ) o f2 v , t h ei n v e r t e rs h o w sa no u t p u tl o g i cs w i n g o f1 7 vl o g i c l o wn o i s e m a r g i no f0 4 9 va n dl o g i c - h i g hn o i s em a r g i no f0 8 3 v t h e19 一s t a g er i n go s c i l l a t o r e x h i b i tao s c i l l a t i o nf r e q u e n c yo f8 3 m h z ，a n d r p d w a sc a l c u l a t e dt ob e317p s s t a g e t h e n a n dg a t ea n ddf l i p - f l o ps h o w e dc o r r e c t l o g i c f u n c t i o nd e m o n s t r a t i n gt h e r e a l i z a b i l i t yf o rg a n - b a s e dd i g i t a li c s i no r d e rt os t u d yt h er e l i a b i l i t yo fg a n - b a s e d e d m o d ei n t e r g r a t e dc i r c u i t su n d e rr a d i a t i o nc o n d i t i o n ，16 n mb a r r i e ra 1 g a n g a n d e p l e t i o nm o d e ，fp l a s m at r e a t m e n te n h a n c e m e n tm o d eh e m t s ，e d m o d ei n v e r t e r a n dr i n go s c i l l a t o rw e r ee x p o s e dt o 删c o 丫r a d i a t i o nw i t ht h ed o s eo f1m r a d ( s i ) ，s m a l l d e g r a d a t i o nw a so b s e r v e di nt h ep e r f o r m a n c eo fb o t hd e v i c e sa n dc i r c u i t s t h e16 r i m a b s t r a c t b a r r i e ra i g a n g a ne d m o d e i n t e r g r a t e dc i r c u i t se x h i b i th i g hs t a b i l i t yu n d e ry r a d i a t i o n ，d e m o n s t r a t i n gp r o m i s i n gp o t e n t i a lf o rg a n b a s e dh i g h r a d i a t i o nr e s i s t a n t d i g i t a li c s k e yw o r d s ：f l u o r i n ep l a s m at r e a t m e n t , e n h a n c e m e n t - m o d e ，h i g he l e c t r o n m o b i l i t yt r a n s i s t o r , t h i nb a r r i e rl a y e r , e d - m o d ei c s ，r a d i a t i o n r e s i s t 氮化镓基增强型h e m t 器件与集成电路研究 作者简介 全思，江西抚州人，生于1 9 8 6 年。2 0 0 6 年毕业于西安电 子科技大学、获学士学位。2 0 0 6 年9 月就读西安电子科技大学 攻读硕士，2 0 0 8 年3 月提前攻博，2 0 1 1 年1 2 月获西安电子科 技大获工学博士学位。导师：郝跃教授。 主要研究方向：氮化镓基增强型h e m t 器件及集成电路的 研究。代表性成果及经历：已在c h d m s ep h y s i c sb 、 ( ( j o u r i l a lo f s e m i c o n d u c t o r s ) ) 、i c n s 9 等权威、核心刊物和国 际重要学术会议发表学术论文9 篇，其中第一作者5 篇。参与国家重大科技专项 等四项项目的研究。 s iq u a n ，w a sb o r ni nf u z h o u ，j i a n g x ip r o v i n c e ，c h i n a , i n19 8 6 s h er e c e i v e dh e r b a i nm i e r o e l e e t r o n i c sf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a l l ，c h i n a , i n2 0 0 6 ，s t u d y i n gf o r m a s t e r sd e g r e ef r o ms e p t e m b e r2 0 0 6a n dp h 。d d e g r e ef r o mm a r c h2 0 0 8i nx i d i a n u n i v e r s i t yu n d e rt h et u t e l a g eo fp r o f e s s o rh a oy u e s h er e c e i v e dh e rp h d d e g r e ei n m i c r o e l c c t r o n i c sf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a , i n2 0 11 ， h e rr e s e a r c hi n t e r e s t si n c l u d eg a n - b a s e de n h a n c e m e n t - m o d eh e m td e v i c e sa n d i n t e g r a t e dc i r t u i t s s h eh a sp u b l i s h e d9p a p e r si nj o u r n a l sa n di n t e n a t i o n a lc o n f e r e n c e s e s u c ha s ， a n di c n s 一9 s h eh a s p a r t i c i p a t e di nf o u rm a j o rs t a t es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t s 第一章绪论 第一章绪论 1 1g a n 基材料及器件的研究进展及意义 1 1 1g a n 基材料及器件的优势及发展 g a n 材料作为第三代半导体，由于其突出的材料特性，己成为现代国际上研 究的热点。g a n 材料特有的极化效应以及g a n 材料的高电子饱和速度，使得g a n 基h e m t 器件成为良好的微波功率器件。而随着无线通信市场的快速发展以及传 统军事应用的持续发展，微波器件在人类生活及工作的许多方面扮演着重要的角 色。卫星通信和电视广播的发展需要高频及高功率来减小终端用户的天线尺寸。 宽带无线网络连接同样需要高速数据传送率。微波晶体管及放大器是微波技术发 展中的一个重要组成部分，现有的微波材料有s i s i g e ，g a a s ，s i c 及g a n 。表1 1 中列出了这些材料的主要参数及计算出的j o h n s o n 品质因素。 表1 1 不同材料的特征参数 s ig a a s4 h s i cg a nd i a m o n d e 1 11 4 23 2 63 - 3 95 4 5 n , ( c m 3 ) 1 5 e 1 01 5 e 68 。2 e 91 9 e 1 01 6 e 2 7 1 1 8 1 3 1 1 09 05 5 g r u 。( c m 2 m s ) 1 3 5 0 8 5 0 0 7 0 0 15 0 0 ( 2 d e g ) 1 9 0 0 v , + c ( 10 7 c m s ) 1 o 2 o 2 o2 52 7 e “m w c m ) o 30 43 o 3 3 5 6 盯l2 72 02 7 55 0 j o h n s o n 品质因素定义为1 f ， j m = 三业 ( 1 1 ) 2 ；r j m 因素给出了基于材料特性的功率频率限度，根据此参数可对比不同材料在高频 及高功率中的应用潜质。由于击穿电场即带带碰撞电离所需要的电场，因此宽禁 带材料具有较大的击穿电压。同时，高电子饱和速度使其能工作在高频下。g a n 材料的击穿电场及电子饱和速度虽然没有s i c 高，但由于它能制备异质结而s i c 不能，所以g a n 材料能制备h e m t 器件而s i c 只能制备m e s f e t 器件。h e m t 器件的电子迁移率很高，因为h e m t 器件的沟道为二维电子气，其高电子浓度对 各种散射有较强的屏蔽作用，同时沟道载流子在空间上与母体施主分离1 1 。2 1 。高载 2 氮化镓基增强型h e m t 器件与集成电路研究 流子浓度和高电子迁移率的结合导致低导通电阻k ，这对功率开关是尤为重要 的。从表1 1 中可以看出金刚石各方面特性都很好，但是由于金刚石掺杂技术的不 成熟，尤其是缺乏一种浅施主，所以制备微波晶体管很困难。由此可见，g a n 材 料，由于高电子饱和速度和高击穿电压，在微波功率应用方面有很大的前景。 在上世纪九十年代初期，随着采用先进金属有机物化学汽相淀积( m o c v d ) 技术成功生长高质量的i i l 族氮化物外延层，a i g a n g a n 异质结于1 9 9 1 年首次实 现i l 。】。由于其独特的性质，如宽禁带、高击穿电场及好的电子传输特性，g a n 基 h e m t 在高压、大功率及高频方面引起了广泛的关注1 1 4 】。在近2 0 年来，大量关于 g a n 基h e m t 器件的研究相继开展，取得了很多重要的成果【1 5 卜【1 2 5 】。 a i g a n g a nh e m t 器件的直流特性于1 9 9 3 年首次被k h a n 等人报道i i s ，器件 最大饱和漏电流为4 0 m a m m 。1 9 9 4 年，k h a n 等人又报道了a i g a n g a nh e m t 器件的小信号特性【1 6 】，器件栅长为0 2 5 1 a m ，其特征频率和最大振荡频率分别为 l1 g h z 和3 5 g h z 。a i g a n g a nh e m t 器件的功率特性于1 9 9 6 年首次被w u 等人 报道i l ，2 g h z 频率下器件功率密度为1 1 w m m 。之后，被报道的器件输出功率 密度稳步提升，器件性能的提升主要是由于生长技术的进步、材料特性的提高以 及器件研制工艺的改进。s i n 钝化层及场板技术的出现大大提高了器件的性能，s i n 钝化层有效地抑制了表面态陷阱，减小电流崩塌，提高了器件的频率特性。而场 板技术的应用大大提高了器件的基础电压，同时也进一步抑制了电流崩塌。w u 等 人2 0 0 3 年报道的器件在3 0 g h z 频率下输出功率密度为3 5 w m m 川】，2 0 0 4 年报 道了器件8 g h z 下输出功率密度为3 2 w m m ，漏电压偏置大于1 0 0 v 1 1 l2 1 。2 0 0 8 年 c h u 等人【1 2 4 】制备的v 型栅h e m t 器件在8 g h z 频率下实现了1 2 2 w m m 的功率 密度和6 5 的功率附加效率；2 0 0 9 年，c h u 等人【1 2 5 】又采用a i g a n 缓冲层结构制 备h e m t 器件，在4 g h z 频率下实现了1 3 1 w m m 的功率密度和7 2 的功率附加 效率。 1 1 2g a n 基材料及器件在抗辐照方面的优势及发展 g a n 材料作为宽禁带半导体，原子键能很强，g a n 中g a 原子的位移阈能 ( e d ( g a ) = 2 0 5 e v ；e d ( n ) = 1 0 8 e v ) 高于g a a s 中的值( e d ( g a ) - - 9 8 e v ) - 2 6 1 。而g a a s 基半 导体器件的抗辐照能力又明显高于s i 器件，普遍达到了1 m r a d ( 标准国际单位为 戈瑞；i g y = 1 0 2 r a d ) 1 1 2 7 1 。因此g a n 基h e m t 器件具有出色的抗辐射特性。 国际上越来越多的人对g a n 基h e m t 器件的辐射损伤研究进行关注，美国加 利弗尼亚大学圣巴巴拉分校( u c s b ) 和伯克利分校( u c b ) 的研究人员纷纷开展了这 方面的部分实验研究工作，美国知名半导体公司c r e e 也将g a n 基h e m t 器件加 入到材料国际空间站实验( m i s s e ) 中。目前国际上对g a n 基h e m t 器件辐射效应 第一章绪论 3 的研究主要针对质子辐射和丫射线辐射，这主要是模拟近地轨道的空间环境，评 估该器件在未来卫星设备中的应用前景。g a n 基h e m t 器件抗质子辐照的能力较 弱，而抗y 射线辐射辐照能力却很强。现有的g a n 基h e m t 器件辐射效应的研究 成果如下： l u o 等人对a l g a n g a nh e m t 器件的y 辐照进行了研究1 1 2 8 ，在总剂量为 6 0 0 m r a d 的辐照下，对于不同栅长和栅宽的器件，其跨导变化量达到4 5 。而在 3 0 0m r a d 的总剂量辐照后，器件特性退化较小。 l o o k 等人进行了a i g a n g a nh e m t 器件的电子辐照实验【1 2 9 ，o 7 m e v 到 1 m e v 的能量被用来使氮原子或镓原子产生位移。他们得出结论氮f r e n k e l 对在辐 照过程中产生了，引起了相同比例的浅施主、浅受主及深受主。同时他们还得出 结论退火引起f r e n k e l 对的再结合。 o s i n s k i 等人报道了质子辐照对a i g a n i n g a n g a nl e d 的影响【l 删，质子束能 量为2 m e v ，注量为1 6 8x 1 0 坦c m 之，器件的i v 曲线变化很小，但是输出功率降 低了4 0 。当温度降到1 5 k 时，器件的光学特性几乎恢复正常。他们认为质子辐 照不会使l e d 的单量子阱退化，器件光学特性保持不变。k h a n n a 等人还采用光致 发光谱来研究g a n 材料的抗辐照特性。2 0 0 1 年美国佛罗利达大学的l u 0 【1 3 1 等人 研究了质子辐射对g a n 基h e m t 器件直流和r f 特性的影响。能量4 0 m e v 注量 5 x 1 0 1 0 c m 五的质子辐射引起该器件漏源电流下降了1 5 5 02 0 ，非本征跨导下降了 约3 0 。质子辐射同时还引起小栅宽g a n 基h e m t 器件的最高振荡频率下降 了2 0 ，大栅宽器件的下降了5 0 。辐射后8 0 0 ( 2 退火可使器件的d c 和r f 性能参数恢复到原始值的9 0 以上。 2 0 0 3 年，我们课题组开始对a i g a n g a n 异质结材料进行6 0 c o1 ，射线辐射研究。 而随着a i g a n g a nh e m t 器件研制工艺的完善，2 0 0 4 年至2 0 1 0 年我们利用自主 研制的性能较为稳定的g a n 基h e m t 器件也开展了h e m t 器件的质子、中子、 电子及1 ，射线辐射效应研究。实验结果显示我们的g a n 基h e m t 器件具有较高的 抗辐照能力。 1 2g a n 基增强型器件的研究进展及其在数字集成电路中的应用 1 2 1g a n 基增强型器件的研究进展 g a nh e m t 器件由于其宽禁带特性，具有良好的高温特性及抗辐照特性，在 恶劣环境下的g a b 基高速数字电路中具有很好的应用前景。但是由于g a n 中p 型 掺杂的难度很大，所以国际上主要把注意力放在n 型增强型器件的研制上，实现 增强耗尽( e d ) 模式的数字集成电路。传统的a i g a n g a n 异质结在形成后会在 4 氮化镓基增强型h e m t 器件与集成电路研究 异质结界面产生大量的二维电子气( 2 d e g ) ，形成导电沟道，所以在不加电时器 件处于导通状态，在栅极加负偏压时器件才能处于关断状态，因而传统器件都为 耗尽型( d m o d e ) 器件，阈值电压在4 v 左右。需要采用一些新的结构来实现增 强型器件【1 。3 1 】【1 6 0 ，现有的增强型器件的实现有以下几种方式： 薄势垒结构 国际上第一支g a n 基增强型h e m t 器件是k h a n 等人1 9 9 6 年报道的采用薄势 垒结构实现的1 1 3 2 】。薄势垒材料结构如图1 1 所示，采用较薄o o n m ) 的势垒层材料， 同时通过栅金属对沟道的耗尽作用实现增强。但是由于势垒层较薄，沟道载流子 浓度较低，器件的饱和电流较小，最大跨导仅为2 3 m s m m ，且阈值电压也很小， 为0 0 5 v 。2 0 0 4 年e n d o h 等人采用薄势垒( a i g a n l o n m g a n ) 异质结及n i l p t a u 做栅金属研制增强型器件【13 3 】，器件栅长为1 2 0 n m ，阈值电压0 v ，最大跨导 2 3 0 m s m m ，f r 为5 8 g h z ，缸为1 0 9 g h z 。薄势垒结构增强型器件阈值电压较低， 且由于势垒层较薄，沟道载流子浓度较低，器件的饱和电流较小，所以这种方法 没有得到广泛的研究。 s i n 磷。l i _ g a n2 岬 j a i o z s g a o 7 5 n 10n m ( 0 0 0 1 ) s a p p h i r es u b s t r a t e 图1 1薄势垒结构增强型器件剖面图 刻蚀槽栅结构 2 0 0 2 年m o o n 等人采用刻槽栅结构实现增强型器件【i3 4 】，将栅下a i g a n 势垒 层刻薄，当势垒层薄到一定程度时，栅下载流子浓度几乎为零，实现器件的增强。 通过理论计算发现当a i g a n 势垒层厚度小于8 n m 时，阈值电压为正。由于刻槽栅 只将栅下区域势垒层减薄，栅以外的有源区势垒层厚度不变，沟道载流子浓度很 大，所以器件的饱和电流及跨导比薄势垒结构增强型器件有所提高。栅长为0 2 1 m a 的器件最大饱和电流为l o o m a m m ，最大跨导为8 5 m s r a m 。2 0 0 5 年w b l a n f o r d 等人采用未掺杂的a i g a n 隔离层及槽栅刻蚀结构在s i c 衬底的异质结上研制栅宽 为l l a m 增强型器件1 1 3 5 ，得到器件阈值电压为0 4 7 v ，饱和电流为4 5 5 m a m m ，最 大跨导为3 1 0 m s m m 。2 0 0 6 年s a i t o 等人采用槽栅及源场板结构( 图1 2 ) 研制增 强型器件【1 3 6 】，阈值电压为0 1 v ，导通电阻为4 m q c m 2 ，击穿电压为4 3 5 v 。槽栅 结构的器件特性较薄势垒结构有所提高，但是在生产过程中，研制增强型器