【Gd2O3】Gd2O3栅极电介质增强GaN器件的可靠性

【Effects of Gd2O3 Gate Dielectric on Proton-Irradiated AlGaN/GaN HEMTs】

概括总结：

该研究探讨了质子辐射对使用Gd2O3作为栅极电介质的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的影响。通过对比肖特基栅极HEMTs和MOS-HEMTs在2 MeV质子辐射下的电气性能变化，研究发现Gd2O3栅极电介质层能有效减轻质子辐射引起的性能退化。

研究背景：

AlGaN/GaN HEMTs因其在高频和高功率应用中的优异性能而备受关注，尤其是在航空航天领域，这些器件需要承受极端的温度和辐射环境。然而，高栅极漏电流是限制这些器件性能和可靠性的主要问题之一。为了解决这一问题，研究人员转向使用MOS-HEMTs结构，其中在栅极和阻挡层之间引入了一层绝缘材料。

研究目的：

本研究旨在评估质子辐射对AlGaN/GaN HEMTs和MOS-HEMTs的影响，并特别关注Gd2O3作为栅极电介质层的保护作用。研究的目的是确定Gd2O3层是否能够有效减轻质子辐射引起的性能退化，并探索其潜在的辐射硬化机制。

实验方法：

实验中使用了高压溅射技术沉积Gd2O3薄膜，并在同一晶片上同时制作了肖特基栅极和MOS栅极的HEMTs。这些器件随后被暴露在2 MeV质子辐射下，辐射剂量分别为1×10^13 cm^−2和1×10^15 cm^−2。辐射前后，研究人员使用了一系列电气测试方法，包括传输线法（TLM）、霍尔测量、电流-电压（I-V）和电容-电压-频率（C-V-f）特性测试，以及扫描透射电子显微镜（STEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析。

研究结果：

结果表明，质子辐射导致肖特基栅极器件的严重性能退化，包括反向漏电流的三个数量级的增加、最大漏电流的30%减少和ON电阻的同等百分比增加。而使用Gd2O3栅极电介质的MOS-HEMTs在质子辐射下的性能退化程度较肖特基栅极HEMTs轻50%。STEM分析显示，辐射诱导了Ni在Au栅极中的扩散和空洞形成，而Gd2O3栅极电介质层阻止了这种扩散和空洞的形成。

机理解释：

Gd2O3栅极电介质层阻止了Ni的扩散和空洞的形成，从而减轻了质子辐射对器件特性的负面影响。辐射引起的缺陷可能导致载流子密度和电子迁移率的降低，从而引起阈值电压的正向偏移和电流密度的降低。

创新点和亮点：

本研究的创新之处在于首次展示了Gd2O3栅极电介质层在质子辐射环境下对AlGaN/GaN HEMTs的保护效果。此外，通过实验观察到了辐射引起的金属栅极中的扩散和空洞形成，为理解辐射对器件性能影响的机制提供了新的见解。

研究意义和应用前景：

该研究的意义在于为提高AlGaN/GaN HEMTs在辐射环境下的应用可靠性提供了一种有效的解决方案。通过使用Gd2O3栅极电介质层，可以显著提高器件的辐射耐受性，这对于航空航天和其他需要在高辐射环境下运行的应用领域具有重要的实际应用前景。此外，这项研究还为未来设计和制造更可靠的辐射硬化HEMTs提供了重要的科学依据。

图1 (a) 能量能带图和 (b) Gd2O3/AlGaN/GaN基MOS-HEMTs的示意图

图2 常规HEMTs和MOS-HEMTs的 (a) ID,max, RON, 和 (b) gm,max, IG,off随质子流量变化的情况

图3 肖特基和MOS二极管在质子辐射前后的 (a) 电流-电压和 (b) 电容-电压特性

图4 AlGaN/GaN HEMTs和Gd2O3-AlGaN/GaN MOS-HEMTs在质子辐射前后的 (a) ID-VDS特性和 (b) ID-VGS特性

图5 质子辐射前后的脉冲I-V曲线

• 图5(a) 展示了质子辐射前后，HEMTs的脉冲I-V曲线，可以用来分析辐射对器件瞬态响应的影响。
• 图5(b) 进一步展示了辐射对MOS-HEMTs脉冲响应的影响，有助于理解辐射对器件开关速度和稳定性的影响。

图6 质子辐射前后Ni/Au栅极的STEM横截面图像

• 图6(a) 和 (c) 展示了常规HEMTs在质子辐射前后栅极区域的STEM横截面图像，可以观察到辐射引起的栅极边缘倾斜和栅极下空洞的形成。
• 图6(b) 和 (d) 展示了MOS-HEMTs在质子辐射前后栅极区域的STEM横截面图像，显示出Gd2O3栅极电介质层有效地防止了辐射引起的损伤。