Національна академія наук України

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

Куракін Андрій Михайлович

УДК 621.328.2

Радіаційні ефекти в польових транзисторах

на базі гетеропереходів AlGaN/GaN

05.27.06 – технологія, обладнання і виробництво електронної техніки

автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті фізикі напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України

Науковий керівник |

доктор технічних наук, професор

Конакова Раїса Василівна

провідний науковий спеціаліст

Офіційні опоненти

член.-корр. НАНУ, доктор фізико-математичних наук, професор

Лисенко Володимир Сергійович

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова,

Завідувач відділу

кандидат фізико-математичних наук, доцент

Шкавро Анатолій Григорович

Київський національний університет ім.. Т.Г. Шевченка, м. Київ

Провідна організація:

Національний технічний університет України “Київський Політехнічний Інститут” кафедра прикладної фізики, Київ

Захист відбудеться 17 лютого 2006 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників НАН України, за адресою: 03028, м. Київ, пр. Науки, 45

З дисертацією модна ознайомитися в бібліотеці Інститу фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова, НАНУ

Автореферат розісланий 16 січня 2006 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Охрименко О.Б.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми

Найбільш важливі з практичної точки зору властивості напівпровідників визначаються природою і властивостями дефектів кристалічної гратки матеріалу. Фактично, розвиток технології і успіхи в матеріалознавстві напівпровідникових матеріалів, напівпровідниковій електроніці є результатом невпинного вдосконалення мистецтва контролю і прогнозування впливу дефектів на властивості матеріалу і характеристики приладів. Виготовлення напівпровідникових приладів мікроелектроніки зазвичай пов’язано з формуванням контактних систем типу метал-напівпровідник, напівпровідник-напівпровідник. Утворення таких границь (гетерограниць) в приладній структурі можна розглядати, як утворення дефекту матеріалу, або дефектних шарів в околі яких відбувається різка зміна властивостей системи (матеріалу). Окрім утворення контрольованих дефектів матеріалу для надання необхідної функціональності приладу, на стадії проектування і апробації приладів суттєвим є аналіз взаємодії таких дефектів з неконтрольованими власними дефектами системи, а також ефектів еволюції дефектної структури у часі. Досить інформативними при вивченні еволюції дефектної структури приладних структур і її впливу на процеси струмопереносу є експрес дослідження радіаційної стійкості приладів (здатність приладів зберігати робочі параметри і характеристики протягом певного періоду часу під впливом іонізуючого опромінення). Широкий спектр явищ, до якого входять радіаційні ефекти в напівпровідникових матеріалах, радіаційні ефекти на поверхні, радіаційні ефекти в контактах метал-напівпровідник напівпровідник-напівпровідник, є предметом вивчення багатьох сучасних досліджень, спрямованих на визначення факторів, які впливають на швидкість радіаційного старіння і загальну надійність приладів.

Мініатюризація приладних структур (зменшення розмірів активних областей приладів), пошук і вивчення нових напівпровідникових матеріалів для застосування в майбутніх обчислювальних і телекомунікаційних системах є важливими напрямками розвитку напівпровідникової мікро і опто електроніки.

В останнє десятиліття досягнуто значних успіхів в матеріалознавстві тринітридів, що викликало підвищений інтерес до цієї групи напівпровідникових матеріалів у розробників мікрохвильових напівпровідникових приладів. В цій групі напівпровідників найбільш вдалими виявилися GaN і AlGaN, що пов’язано з значним досвідом роботи з ними технологів (такі роботи розпочалися понад 40 років тому) і особливими властивостями цих матеріалів, що обумовлюють їх високу термо- і радіаційну стійкість, в порівнянні з Si i GaAs, давно бажані й очікувані на практиці властивості напівпровідникових приладів НВЧ діапазону. Достатньо вказати області застосування таких приладів, щоб це стало зрозумілим (супутникові телекомунікаційні системи, високотемпературна електроніка).

Проблема надійності, а особливо радіаційної стійкості напівпровідникових приладів на базі GaN і AlGaN є досить новою і досить важливою при розширені сфер застосування електронних приладів на базі тринітридів. Не зважаючи на значний зріст в технології виготовлення три-нітридної електроніки, дані по надійності й радіаційній витривалості, що базуються на статистичних дослідженнях навряд можна назвати достатніми. Ця інформіція є важливою при визначені сфер застосування готових приладів і визначення їх загальної радіаційної витривалості.

В цій роботі основна увага приділена питанням радіаційної витривалості, що визначається еволюцією дефектів приладних структур на базі гетеропереходів AlGaN/GaN в процесі опромінення гамма-квантами 60Co. Детально розглянуто ефекти опромінення на процеси струмопереносу в польових транзисторах з високою рухливістю носіїв і тестових структурах типу довгої лінії, а також визначено основні особливості деградації контактної металізації (контактів метал-напівпровідник) під дією гамма-опромінення.

Зв’язок з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках наступних тем:

1. “Фізичні та фізико-технологічні основи створення напівпровідникових матеріалів і функціональних елементів для систем сенсорної техніки”, 2000-2002 рр. (Постанова ВФА НАН України №12 від 11.11.1999 р. номер держреєстрації 0100U000148).

2. “Розробка науково-технічних методів, засобів і автоматизованих систем контролю параметрів напівпровідникових матеріалів, структур і приладів”, 2004-2005 рр. (Розпорядження Президії НАН України від 02.02.04 р. № 72. Номер держреєстрації 0197U008669).

3. “Механізми впливу технології отримання і зовнішніх факторів на властивості напівпровідникових структур і функціональних елементів сенсорних систем на їх основі”, 2003-2005 рр. (Рішення Бюро ВФА НАНУ № 11 від 27.11.2002 р. Номер держреєстрації 0103U000364).

Мета роботи полягала в досліджені радіаційних ефектів в НЕМТ транзисторах на основі гетеропереходів AlGaN/GaN при опроміненні їх гамма-квантами 60Со в діапазоні доз 104-109 Рад.

Для досягнення мети було необхідно:

1. Розробити методику вимірювання параметрів потужних НЕМТ.

2. Вивчити фізичні процеси в НЕМТ на основі гетеропереходів AlGaN/GaN, що виникають при опроміненні їх г-квантами 60Со.

3. Визначити причини зміни параметрів ВАХ НЕМТ та шумових характеристик і можливості управління ними при опроміненні гамма-квантами 60Со.

Об’єктом дослідження є процес зміни параметрів НЕМТ під впливом г-радіації 60Со, а предметом дослідження обрано НЕМТ на основі гетеропереходів AlGaN/GaN. Досліджувались транзистори на пластині та тестові структури з омічними контактами.

В роботі використані наступні методи дослідження: метод вольт-амперних характеристик (ВАХ), що дозволяє отримати основні низькочастотні параметри транзисторів (крутизну, струм насичення, напругу відсічки). Метод атомно-силової мікроскопії для аналізу морфології поверхні, метод рентгенівської дифрактометрії та стріл прогину для досліджень радіусу кривизни та рівня деформації, яка викликана пружнім вигином тестових структур, методи вимірювань шумів транзисторів.

Наукова новизна

1. Встановлена стимульована радіацією при малих дозах опромінення (104-106 Рад) релаксація внутрішніх механічних напруг в гетероструктурах AlGaN/GaN, сформованих на сапфірових підкладинках.

2. Показано, що НЕМТ на основі AlGaN/GaN зберігають працездатність після великих доз іонізуючого опромінення г-радіації 60Со (2 108 Рад) але зі значною деградацією операційних параметрів (струмів насичення і крутизни)

3. Експериментально встановлено залежність змін параметрів і шумових характеристик НЕМТ на базі AlGaN/GaN від величини загальної дози, геометричних характеристик транзистору і робочого режиму приладу.

Практична цінність роботи:

1. На базі автоматизованої зондової установки “Зонд – 5А” розроблена та апробована на експерименті методика вимірювань параметрів потужних НЕМТ в діапазоні температур від 77 до 1000 К та вольтфарадних характеристик діодів та програмне забезпечення для ефективного управління комплексом вимірювання параметрів і характеристик транзисторів.

2. Запропоновано графоаналітичний метод оцінки опорів витоку та стоку НЕМТ за статичними вольт-амперними характеристиками.

3. Експериментально визначено діапазон доз, при опроміненні г-квантами 60Со, у якому покращуються параметри НЕМТ. Встановлено зв’язок між працездатністю НЕМТ в умовах неперервного опромінення гамма-радіацією 60Со та якістю контактів витоку і стоку.

4. Запропоновано і застосовано радіаційну обробку структур AlGaN/GaN з металізацією Au-ZrB2, як елемент технологічного процесу, що було використано в проекті „Елемент” (акт застосування держпідпрємства НДІ „Оріон”).

Апробація роботи

Основні результати роботи доповідались на:

10, 12 та 14 Міжнародній Кримській Конференції “НВЧ техніка і телекомунікаційні технології” (Севастополь, Україна, 2000, 2002, 2004); IX Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ Україна, 2003); 5-а Міжнародна конференція “Взаємодія випромінювання з твердим тілом” (Мінськ, Білорусія, 2003); 26, 27, 28, 29 Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits (Europe, 2002, 2003, 2004, 2005); 27 International Conference on the Physics of Semiconductors (USA, 2004); International Conference on Nanoscience and Technology (India, 2003); International Workshop on Nitride Semiconductors (San Diego, USA, 2004)

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано в 14 роботах: 5 статей в провідних наукових журналах та 9 тез конференцій.

Особистий науковий внесок дисертанта в працях, які виконано в співавторстві, полягає в проведенні: вимірювань електричних характеристик НЕМТ та обробці експериментальних результатів [3,4,6-10], розробки імпульсної методики вимірювання ВАХ транзисторів та програмного забезпечення [5], вимірювань шумових характеристик НЕМТ та обробки результатів вимірювань [2,11,13], вимірювань контактного опору тестових структур та обробки результатів вимірювань [12,14]. Дисертант брав участь в інтерпретації та узагальнені отриманих результатів.

Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, заключення і п’яти додатків. В роботі 127 сторінок машинописного тексту, з них 97 сторінок основної частини, 48 рисунків, 3 таблиці і перелік літератури з 106 найменувань, 23 сторінки додатку.

Зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, показано актуальність, сформульовані мета і задачі роботи, наукова новизна, практична цінність та апробація результатів досліджень, приведена кількість публікацій по матеріалам дисертації структура і об’єм роботи.

Перший розділ включає аналіз останніх публікацій з радіаційного дефектоутворення в GaN і нітридах. На основі проаналізованих джерел зроблена постановка задачі даної роботи:

Провести експрес дослідження впливу гамма-опромінення 60Co на важливі і цікаві сьогодні польові транзистори з високою рухливістю носіїв в каналі (HEMT), за отриманими даними зробити висновки, щодо загальної радіаційної витривалості приладів на базі три-нітридів, а також встановити особливості процесів зміни операційних параметрів транзисторів під дією гамма-радіації, і фізичні причини таких змін.

В першому параграфі розглянуто останні результати по особливостям радіаціностимульованого дефектоутворення в GaN. Другий параграф розкриває сучасний стан вивчення радіаційних ефектів в контактах метал-GaN, метал-AlGaN, у третьому параграфі подано інформацію на радіаційну витривалість приладів (діодів, транзисторів) на базі напівпровідникових матеріалів групи тринітридів. Четвертий параграф відображує сучасний стан технології виготовлення тринітридних матеріалів та приладів на їх базі.

Другий розділ методичний, в якому поруч з детальним описом зразків, техніки експерименту значне місце приділено оригінальній авторський розробці, яка дозволяє коректно проводити вимірювання потужних польових транзисторів. Суть її складається в перебудові вихідних каскадів джерела напруги і розробки оптимального програмного алгоритму вимірювання вольт-амперних характеристик транзисторів, а також запропонованого автором графоаналітичного методу визначення омічних опорів контакту стоку і джерела транзисторів за статичними вольт-амперними характеристиками. Все це робить другий розділ оригінальним, без вирішення задач якого не можливо було б отримання інших результатів.

В першому аграфі подано стислий огляд радіаційних випромінювань, полів та їх основних характеристик. З метою визначення ступеня впливу певних доз гамма-радіації на транзисторні структури, а також особливостей радіаційного старіння приладних структур і його фізичних причин, до досліджуваних зразків (транзистори і структури типу довгої лінії на базі гетеропеходу AlGaN/GaN, тестові структури з контактною металізацією: Au-Ni-GaN, Au-ZrB2-AlGaN/GaN) було застосовано методи вольт-амперних характеристик, методи дослідження шумових спектрів приладів, а також методи дослідження структури матеріалу. Досліджувані прилади - AlGaN/GaN HEMT - були виготовленні за методом металоорганічної газофазної епітаксії науково-дослідницькою групою Cornell University US [1]. Структура приладів зображена на рис. 1. На підкладинці з сапфіру спочатку було сформовано Al16Ga84N nucleation layer товщиною 40 нм, слідом за ним буферний шар номінально нелегованого GaN - 1.1 мкм, потім бар’єрний шар нелегованого Al33Ga67N -23 нм. Для омічних контактів транзисторних структур було використано Ti/Al/Ti/Au металізацію відпалену при 800 оС протягом 40 сек., для Шотткі контакту застосовано Ni/Au металізацію. На поверхню структури нанесено шар Si3N4 товщиною 320 нм. Прилади мали довжини затворів 0.15, 0.25, 0.30, 0.35 мкм, ширини каналів 200, 250, 300, 400 мкм, відстані затвор-стік і затвор-джерело складали 1 і 3 мкм відповідно. При кімнатній температурі концентрація і рухливість носіїв заряду в каналі становили 1.05·1013 см-2 і 1250 см2/Всек. Металізацію тестових структур Au-Ni-GaN, Au-ZrB2-AlGaN/GaN було сформовано методом магнетронного напилення на устаткуванні держпідприємства НДІ „Оріон”. Всі дослідження, окрім вимірювання шумових спектрів, проводилися через кілька годин після набору чергової дози. Опромінювались зразки при кімнатній температурі від стаціонарного джерела 60Со, швидкість набору дози складала 100 Рад/сек, максимальна доза для транзисторних структур складала 2·108 Рад, для тестових контактних металізацій 2·109 Рад. ВАХ транзисторів, а також зв’язок основних параметрів досліджуваних транзисторів з високою рухливістю носіїв в каналі (струм насичення, крутизна, напруга відсічки), отриманих за методом ВАХ, з параметрами матеріалу і приладних структур (концентрацію і рухливістю носіїв в каналі) детально розглянуто в другому параграфі. В ході роботи проводилося вимірювання імпульсних ВАХ транзисторів (довжина імпульса 15 мкс) за домогою стенду експрес контролю параметрів напівпровідникових приладів [2], напруги зміщення стік-джерело становили 010 В, напруга затвору змінювалась від 0 до -5 В. Похибка визначення параметрів тразисторів за такою методою не перевищувала 5% від виміряної величини. В другому параграфі також представлено опис запропонованого графоаналітичного методу визначення характеристичних опорів омічних контактів стоку і джерела транзисторів з високою рухливістю носіїв в каналі (НЕМТ) за статичними ВАХ приладів. При аналізі виразу, що пов’язує струм через транзистор з напругою зміщення і напругою затвору, встановлено, що за умови (Vg-Voff)>>Usd, де Vg - напруга затвору, Voff - напруга відсічки, Usd - напруга зміщення стік-джерело, загальний опір транзистору можна представити в наступному вигляді

(1)

де RD, RS - опори стоку і джерела відповідно, м - рухливість носіїв, A - стала, що залежить лише від геометричних розмірів приладної структури. Згідно цього можна проводити оцінку величини опорів контактів стоку і джерела НЕМТ транзистору за анлізом залежності опору приладу в області малих зміщень стік-джерело від напруги затвору. Похибка визначення величини характеристичних опорів таким методом не перевищує десяти відсотків. Особливості застосування методу ВАХ до тестових структур типу довгої лінії, які було використано для аналізу дії гамма-опромінювання на шумові характеристики приладів на базі гетеропереходу AlGaN/GaN, розглянуто в третьому параграфі. Дослідження шумових характеристик приладів проводилося з використанням обладнання і експериментальних ресурсів науководослідницького центру Forschungszentrum Juelich в Німеччині, в рамках програми наукового співробітництва. Дослідження шумових спектрів приладних структур проводилося через декілька тижнів після набору певних доз опромінення (неопромінений, 106 Рад, 108 Рад) при кімнатній температурі в діапазоні частот від 1 Гц до 100 кГц з використанням аналізатора динамічного сигналу HP 35670A. Особливості шумових спектрів в напівпровідникових приладах, а також опис експериментальної методики і устаткування використаного в таких експериментах подано в четвертому параграфі. Параграф п’ять висвітлює методи, дослідження структури матеріалу, що було застосовано в роботі: ретгеноструктурні методи дослідження, Оже-спектрометрія, мікроскопія атомних сил. Проведення всього комплексу досліджень електрофізичних параметрів і характеристик експериментальних зразків було б не можливим без вирішення задач поставлених при автоматизації експерименту. Особливості побудови високоефективних автоматизованих комплексів контролю параметрів напівпровідникових приладів, а також важливі моменти написання гнучкого і надійного програмного забезбечення для таких комплексів відображено в парграфі шість.

В третьому розділі розглянуто ефекти радіаційно-стимульованої зміни статичних ВАХ транзисторів і тестових структур, а також операційних параметрів транзисторів під дією гамма-квантів 60Co. Встановлена можливість покращення основних параметрів транзисторів під впливом малих доз (до 106 Рад), а також за даними рентгеноструктурних досліджень виявлено структурно-домішкове впорядкування в бар’єрному шарі AlGaN гетероструктури. Важливим результатом є те, що за експериментальними даними досліджувані структури зберігають працездатність після великих доз опромінення, хоча зі значною (до 40 відсотків) деградацію параметрів після загальної дози 2·108 Рад. Запропонований графоаналітичний метод і його застосування до отриманих результатів виявив себе як вдалий і зручний метод оцінки величини опорів омічних контактів польового транзистору. Встановлена суттєва деградація (в 4-8 разів в порівнянні з неопроміненими зразками) омічних контактів під дією гамма-квантів, звідки безпосередньо випливає те, що основним фактором, який обмежує радіаційну стійкість готових приладів на базі гетероструктур AlGaN/GaN, на теперішній момент є слабка радіаційна витривалість контактів метал-GaN, метал-AlGaN.

В першому параграфі висвітлено ефекти малих доз гамма-опромінення (до 106 Рад) на параметри і характеристики матеріалу і приладів. При вивчені ефектів опромінення на ВАХ НЕМТ встановлено покращення параметрів транзисторів при опроміненні гамма-квантами до загальних доз 106 Рад. При порівнянні вольт-амперних характеристик НЕМТ транзисторів окрім покращення основних параметрів (струмів насичення, крутизни) спостерігається зменшення розкиду в величні основних параметрів (рис. 2). Таке впорядкування і більш рівномірний розподіл величин параметрів по площі пластини є позитивним ефектом впливу радіації на НЕМТ на базі гетероструктури AlGaN/GaN, і може бути використаний ще на стадії виготовлення приладів, в якості необхідного технологічного кроку, що сприяє оптимізації і підвищенню якості готових структур.

Для аналізу ефекту необхідно зауважити, що щільність носіїв заряду в квантовій ямі на гетероструктурі AlGaN/GaN пропорційна до щільності поляризаційних зарядів на границі, величина поляризаційного заряду на границі складається з заряду спонтанної поляризації і п’єзоелектричного заряду [3]. Додаток, що пов’язаний з п’єзоелектричним зарядом залежить від величини механічних напруг бар’єрного (AlGaN) і буферного (GaN) шарів. Гетероструктури типу AlGaN/GaN сформовані гетероепітаксією є дуже напруженими через значну розбіжність параметрів кристалічних граток підкладки (Al2O3) і матеріалу (GaN).

За результатами проведеного рентгеноструктурного дослідження тестових структур виявлено протікання процесів релаксації механічних напруг і структурно-домішкового впорядкування під дією малих доз гамма-радіації в гетероструктурах AlGaN/GaN. Для дослідження еволюції дефектної структури при опроміненні тестових зразків гамма-квантами до загальної дози 107 Рад проведено вимірювання інтегральної кривизни. На рисунку 3 відображено діаграму що пов’язує величину пластичної деформації структури, що визначена за значеннями інтегральної кривизни поверхні, з величиною дози опромінення.

Величина пластичною деформації експоненційно зменшується майже в чотири рази при зростанні дози опромінення від неопроміненого стану до сумарної дози опромінення 106 Рад, після цього має місце зростання пластичної деформації структур. Задля визначення причин, які визначають зменшення пластичної деформації в тестових структурах при опроміненні до доз в 106 Рад були експериментально визначені рентгенівські спектри зразків до та після опромінення до загальної дози в 106 Рад (рис. 4).

Детальний аналіз спектрів вказує на відмінність в положенні піка, що відповідає AlGaN (004) (в оклі 74о) до та після опромінення. Очевидно його зміщення до менших кутів після опромінення. Така поведінка може бути пов’язана з релаксацією вбудованих напруг шару AlGaN.

Для встановлення впливу малих доз гамма-радіації на характеристики контактів було проведено дослідження морфології поверхні тестових структур Au-Ni-GaN. Результати AFM сканування поверхні GaN (після травлення металізації Au-Ni) після опромінення до дози 106 Рад в порівнянні з неопроміненим станом виявили зменшення неоднорідності поверхні GaN вздовж вертикальної осі після опромінення, що узгоджується з упорядкуванням параметрів вольт-амперних характеристик описаних вище.

В другому параграфі розкрито особливості радіаційного старіння приладних структур на базі гетероперходу AlGaN/GaN під впливом доз гамма-опромінення 1062·109 Рад.

При розгляді ефектів великих доз гамма-опромінення на параметри і характеристики НЕМТ на гетероструктурі AlGaN/GaN (рис. 5) необхідно одразу звернути увагу на сильну залежність ступеня деградації від довжини затвора транзистора: знайдено, що транзистори з коротшим затвором схильні до деградації значно сильніше ніж транзистори з затворами більшої довжини.

Радіаційно стимульована деградація характеристик носить складний характер. Так має місце залежність знаку стимульованої зміни струму насичення від напруги на затворі транзистора. Існує деяка порогова напруга, яка прикладена до затворного контакту, така, що при напругах більших за неї струм насичення зменшується зі збільшенням загальної дози опромінення, а при менших напругах струм зростає. Порогова напруга при, якій відбувається зміна знаку ефекту описаного вище фактично не залежить від геометричних розмірів транзисторів, довжини затвора (для більшості зразків її величина попадає в інтервал напруг від -4.0 В до -3.9 В).

З метою аналізу радіаційних ефектів в досліджуваних структурах, що відносяться до радіаційного старіння омічних контактів стоку і джерела, було застосовано запропонований графоаналітичний метод визначення характеристичних опорів НЕМТ. На рисунках 6, 7 зображено залежності сумарного опору транзистора за малих зміщень стік-джерело, до та після опромінення до дози 2·108 Рад, від параметру (). Лінійний характер цих залежностей вказує на те, що вираз (1) досить задовільно описує залежність опору транзистору від напруги на затворі, й може бути застосованим для оцінки якості омічних контактів до НЕМТ структур.

На рис. 8 подано дозові залежності сумарного опору контактів стоку і джерела досліджуваних НЕМТ транзисторів отриманих з застосуванням графоаналітичного методу до експериментальних ВАХ транзисторів.

Перше, що необхідно зауважити при аналізі цих залежностей це значна деградація величини опору контактів, майже на пів порядку, при збільшенні дози опромінення від 105 до 108 Рад. Друге це те, що як і передбачалося ефект є незалежним від геометричних розмірів транзисторів, і цілковито залежить лише від властивостей і процесів, що перебігають в контактній металізації під дією випромінювання.

Дія радіаційних і електромагнітних полів, так само як високих температур спричиняє, здебільшого, значну деградацію контактної металізації через стимульовану дифузію її компонент. Відносно готових приладів такі стимульовані процеси можуть викликати, як позитивні так і негативні зміни в роботі приладу, але здебільшого великі дози опромінення і часи експозиції призводять до незворотних катастрофічних відмов приладів і цілковитої втрати функціональних можливостей. Задля перевірки радіаційної витривалості не тільки стандартної металізації затворів приладів, що досліджувалися, були виготовленні тестові структури з урахуванням сьогоденних тенденцій щодо оптимізації структури шарів металізації для підвищення її надійності.

Основною проблемою надійності приладних структур на базі гетеропереходу AlGaN/GaN є слабка стійкість стандандартних контактних металізацій, що застосовуються в таких структурах, до високих теператур і радіаційних полів [4]. На ступінь деградації суттєво впливають процеси зернограничної дифузії в структурі, зменшити які можна використовуючи аморфні й квазіаморфні шари нітридів (боридів) тугоплавких металів. Важливим фактором відбору аморфних шарів для застосування в електроніці є їх електропровідність. Саме тому в якості металізації для вивчення ефектів гамма-радіації в Шотткі контактах до гетероструктури AlGaN/GaN було обрано Au-ZrB2 з квазіаморфним шаром бориду цирконію. З метою встановлення процесів відповідальних за радіаційне старіння металізації на кожному кроці опромінення було проведено Оже аналіз структур.

На рис. 9 приведено Оже профіль контактної металізації до опромінення. Шари металізації в виготовлених тестових структурах до опромінення мають чіткі і різкі технологічні границі. При детальному аналізі ефектів старіння в контактній металізації під дією гамма-квантів виявлено, що структура є стійкою до опромінення до загальної дози в 108 Рад. Після цієї дози відбувається суттєва деградація квазіаморфного шару бориду цирконію, пов’язана зі збагаченням шару киснем з можливим утворенням оксиду цирконію. Починаючи з дози в 109 Рад має місце дифузія компонент контактної металізації в бар’єрний шар AlGaN, і його збагачення атомами цирконію і бору (Рис. 10). Такий процес може свідчити про релаксацію вбудованих напруг в бар’єрному шарі в приладній структурі. Формування шару оксиду цирконію починаючи з дози опромінення в 108 Рад, який має меншу тепло і електропровідності ніж вихідні компоненти металізації без сумніву призводить до погіршення характеристик і параметрів, як контакту, так і приладу в цілому.

Аналіз радіаційних ефектів стандартної металізації (Au-Ni) проводився лише на трьох етапах: до опромінення та після доз в 106 і 2·108 Рад. Деградація такої системи під дією гамма-радіації є незначною і при детальному розляді профілів можна говорити про збагачення шару напівпровідника безпосередньо в околі контакту метал-напівпровідник атомами азоту і його збіднення атомами галію. Можна припустити, що таке збагачення приконтактного шару азотом призводить до утворення області більш високоомного нітриду галію, через те, що згідно існуючих на сьогодні експериментальних даних вакансії азоту виступають в ролі ефективних донорних центрів і відповідальні за так зване фонове легування нітриду галію [5]. Наявність такого шару для діодної структури призводить до перерозподілу потенціалу при прикладені напруги змущення до діоду – частина напруги падає на високоомномній області. Також через ймовірну високу щільність дефектів в таких перехідних шарах можливе суттєве збільшення струмів втрат за рахунок струмопереносу через дефектні стани в області збіднення і зменшення ефективної висоти бар’єру Шотткі. З огляду на вище сказане можна впевнено говорити, що гамма-випромінювання деструктивно впливає на металізацію затворів Шотткі до гетероструктури AlGaN/GaN.

В четвертому розділі подано результати вимірювання шумів транзисторів і описано радіаційно стимульовані зміни спектральних характеристик шумів приладів. Експериментально встановлено, що у вихідних НЕМТ спостерігається дві ділянки в частотній залежності спектральної густини шуму: з частотною залежністю близькою до f-1 та більш протяжна з f-3/2, зумовлена переважно вкладом дифузії вільних носіїв і флуктуації заселеності мілких рівнів в забороненій зоні (швидкі пастки), опромінення НЕМТ в діапазоні доз 104-106 Рад приводить до домінування f-3/2 області і зменшення повної інтенсивності шуму, що визначається зменшенням концентрації швидких пасток, а при опроміненні в діапазоні 106-109 Рад домінує f-1 і має місце збільшення інтенсивності, що обумовлено формуванням глибоких рівнів радіаційного походження.

В першому параграфі подано результати дослідження шумових спектрів неопромінених зразків. Виявлено залежність форми спектру шумів струму через прилад від напруги зміщення, збільшення напруги призводить до зростання протяжності низькочастотної ділянки 1/f спектру, і збільшення рівня низькочастотного шуму. Вираженою відмінністю від 1/f є поява перехідної області спектру від низькочастотної до високочастотної ділянки 1/f шуму. Детальний аналіз спектрів виявив, що існує деяка критична частота, яка залежить від напруги зміщення, при якій відбувається поява перехідної області спектру.

Наведена зміна спектральної щільності шумів струму зі зміною напруги зміщення, може свідчити про появу (активацію) додаткового механізму струмопереносу.

Спостережено, що на відміну від випадку статичних і імпульсних експериментальних характеристик приладу, шумові характеристики досліджуваних зразків залежать від стану поверхні над каналом (непасивована, пасивована Si3N4). Характеристики вимірювалися за умов коли ефектами саморозігріву можна знехтувати, усі досліджувані зразки проявили в такому режимі шум типу 1/f, протягом дослідження виявлено залежність рівня 1/f шуму від довжини каналу. При аналізі спектральних щільностей від пасивованих зразків встановлено не тільки зменшення рівня шумів в порівнянні з непасивованим зразком, але й іншу залежність рівня шуму від довжини каналу. Для непасивованого зразка має місце залежність рівня шуму від довжини каналу (L), як 1/L, у той час коли для пасивованого зразку маємо 1/L2. Як було показано в [7] залежність типу 1/L характерна для випадкуу флуктуацій провідності каналу, у той час коли 1/L2 має місце в випадку домінування контактних шумів в приладі.

В другому парграфі проведено аналіз дії гамма-опромінення на шумові характеристики приладів за експериментальними даними. Спектральна щільність шумів струму до та після опроміненних структур має вигляд типу 1/fг, з параметром г близьким до одиниці. На відміну від опромінених структур спектральна щільність неопромінених структур має протяжну ділянку з параметром г близьким до 3/2, після опромінення до 106 Рад ця область зникає. Згідно існуючих експериментальних даних [7] спектр типу f-3/2 відповідає випадку генераційно-рекомбінаційних процесів в умовах значної дифузії носіїв заряду. Згідно цього низькочастотна границя ділянки f-3/2 залежить від концентрації швидких пасток і їх заселеності. Можна припустити, що спостереженний після опромінення зсув низько частотної границі зміщується в область нижчих частот, викликаний збільшенням кількості повільних (глибоких) пасток, що призводить до послаблення дифузії носіїв і саме тому дифузійна компонента не спостерігається в спектрі шуму опромінених зразків. Розрахунок параметра Хуга для спектра неопромінених і опромінених зразків вказує на збільшення рівня шумів в опромінених зразках в 3-5 разів в порівнянні з неопроміненими.

Рисунок 11 відображує порівняння спектральних щільностей струмів втрат до та після опромінення, цікавим є той факт, що не дивлячись на збільшення рівня шуму струмів втрат після опромінення його збільшення при збільшенні напруги затвору є більш повільним, ніж для неопроміненого зразка.

В заключенні сформульовано основні результати дисертації.

1. Встановлено і показано переваги вимірювання імпульсних ВАХ потужних приладів на базі гетеропеерходу AlGaN/GaN в порівнянні зі статичною методою. Встановлено межі застосування статичного методу, коли само розігрівом приладної структури можна знехтувати.

2. Встановлена радіаційно-стимульована релаксація внутрішніх механічних напруг в гетеро переходах AlGaN/GaN в діапазоні доз гамма-радіації 60Со 104-106 Рад.

3. Вперше встановлено і обґрунтовано можливість покращення параметрів і характеристик НЕМТ транзисторів під дією доз гамма-омінення до 106 Рад.

4. Виявлено суттєву деградацію транзисторних структур, їх параметрів і характеристик після опромінення до загальних доз в 108 Рад. Величина радіаційностимульованих змін сягала 40 відсодків від значень параметрів для неопроміненого стану.

5. Вперше встановлено і досліджено залежність знаку радіаційностимульованої зміни струмів насичення від напруги на затворі транзистору.

6. При аналізі ступеня деградації параметрів транзисторів на базі гетеропереходу AlGaN/GaN від геометричних розмірів транзистора вперше виявлено його сильну залежність від довжини затвору транзистору: транзистори с коротшим затвором деградують сильніше.

7. Встановлено і досліджено процеси, що проходять в металізації Шотткі контактів тестових структур Au-Ni-GaN, Au-ZrB2-AlGaN/GaN під впливом гамма-квантів. Виявлено формування приповехневого (приграничного) шару GaN збагаченого атомами азоту при наборі дози опромінення.

8. При застосуванні квазіаморфних шарів ZrB2 в контактній металізації для сповільнення процессів дифузії компонент встановлено суттєве збагачення цього шару киснем протягом опромінення.

9. При аналізі шумових спектрів струмів через тестові прилади типу довгої лінії на базі AlGaN/GaN виявлено іх сильну залежність від умов саморізігріву приладу і стану поверхні. Встановлено можливість активації додаткового механізму струмопереносу.

10. За зміною в спектральній щільності струмів під дією гамма-квантів виявлено зростання загально рівня шумів, аткож зміна їх спектру з набором дози. Встановлено збільшення концентрації глибоких пасток в бар’єрному шарі AlGaN під впливом опромінення.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. А.М. Куракин. Влияние гамма-радиации на характеристические сопротивления нитридгаллиевых транзисторов с высокой подвижностью электронов // Письма в ЖТФ, 2003, том. 29, вып. 18. – с. 2-5.

2. S.A. Vitusevich, M.V. Petrychuk, S.V. Danylyuk, A.M. Kurakin, N. Klein, A.E. Belyaev. Influence of surface passivation on low-frequency noise properties of AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures // physica status solidi (a). – 2005. – vol/ 202, N5, pp. 816 – 819.

3. S.A. Vitusevich, N. Klein, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk, M.V. Petrychuk, R.V. Konakova, A.M. Kurakin, A.E. Rengevich, A.Yu. Avksentyev, B.A. Danilchenko, V. Tilak, J. Smart, A. Vertiatchikh, L.F. Eastman. Effects of г-irradiation on AlGaN/GaN-based HEMTs // physica status solidi (a). – 2003. – vol. 195, N1, pp. 101 – 105.

4. S.A. Vitusevich, S.V. Danylyuk, A.M. Kurakin, N. Klein, H. Lьth, M.V. Petrychuk, A.E. Belyaev. Dynamic redistribution of the electric field of the channel in AlGaN/GaN high electron mobility transistor with nanometer-scale gate length // Appl. Phys. Lett. - 2005. - vol. 87, 192110.

5. R.V. Konakova, O.E. Rengevych, A.M. Kurakin, Ya.Ya. Kudryk. A Universal automatized complex for control and diagnostics of semiconductor devices and structures // SPQEO. – 2002. – vol. 5, N4, pp. 449-452.

6. S.A. Vitusevich, N. Klein, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk, M.V. Petrychuk, R.V. Konakova, A.M. Kurakin, A.E. Rengevich, A.Yu. Avksentyev, B.A. Danilchenko, V. Tilak, J. Smart, A. Vertiatchikh, L.F. Eastman. Radiation hardness of AlGaN/GaN based HEMTs. // Mat.Res.Soc.Symp.Proc. – 2002. - Vol. 719, pp.133-138.

7. S.A. Vitusevich, N. Klein, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk, M.V. Petrychuk, R.V. Konakova, A.M. Kurakin, P.M. Lytvyn, A.Yu. Avksentyev, B.A. Danilchenko, V. Tilak, J. Smart, A. Vertiatchikh, L.F. Eastman. Barrier material improvement in AlGaN/GaN microwave transistors under gamma irradiation treatment. // Mat.Res.Soc.Symp.Proc. – 2003. - Vol. 764, pp. 183-188.

8. Беляев А.Е., Конакова Р.В., Петричук М.В., Авксентьев А.Ю., Куракин А.М. Влияние гамма-облучения на операционные параметры полевых транзисторов на основе группы III-нитридов. // Материалы 12ой Международной Конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. – Севастополь: Вебер. - 2002. – с.484-485.

9. A.E. Belyaev, R.V. Konakova, A.Yu. Avksentyev, A.M. Kurakin, P.M. Lytvyn, S.A. Vitusevich, N. Klein, S.V. Danylyuk, M.V. Petrychuk B.A. Danilchenko, V. Tilak, J. Smart, A. Vertiatchikh, L.F. Eastman. Small dose effects on electrical characteristics of AlGaN/GaN microwave transistors. // Proc. 13th International Conf. “Microwave & Telecom. Technology”. – Sevastopol: Veber. -2003. - pp. 96-98.

10. Kurakin A.M. Strain relaxation in HEMT structures based on AlGaN/GaN during gamma irradiation // Materials of IX International Conf. “Physics and technology of Thin Films”. – Ivano-Francivsk: Misto HB. – 2003. – pp. 246-247.

11. Vitusevich S.A., Petrychuk M.V., Sokolov V.N., Danylyuk S.V., Kurkain A.M., Klein N., Avksentyev A.Yu., Kochelap V.A., Belyaev A.E., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L. F. The study of low-frequency noise peculiarities in HEMT structures under self-heating conditions. // Proceedings of the 27th Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Curcuits. – Fьrigen (Switzerland). -2003. - pp. 25 – 26

12. Boltovets, N.S.; Lvanov, V.N.; Sveshnikov, Y.N.; Belyaev, A.E.; Avksentiev, A.Y.; Konakova, R.V.; Kudryk, Y.Y.; Kurakin, A.M.; Milenin, V.V. Ohmic and barrier contacts to SiC- and GaN-based microwave diodes // Proc. 14th International Conf. “Microwave & Telecom. Technology”. – Sevastopol: Veber. -2004. - pp. 526-527.

13. S. A. Vitusevich, M. V. Petrychuk, A. S. V. Danylyuk, M. Kurakin, A. E. Belyaev, N. Klein. High-frequency noise in AlGaN/GaN heterostuctures // Proc. AIP conf. “Unsolved problems of noise and fluctuations” - 2005. – vol. 800, pp. 131-136.

14. S. A. Vitusevich, N. Klein, А.Е. Беляев, Р.В. Конакова, А.М. Куракин, В.В. Миленин, V. Tilak, J. Smart, A. Vertiatchikh, L.F. Eastman, Н.С. Болтовец, В.Н. Иванов. Радиационная стойкость затворной металлизации Au-ZrB2 HEMT структур на основе AlGaN/GaN // Труды 5ой Международной Научно-технической конференции “Микроэлетронные преобразователи и приборы на их основе”. – Баку: Мутарджим. - 2005. - с. 152-153.

Перелік посилань

[1] http://www.iiiv.cornell.edu/

[2] R.V. Konakova, O.E. Rengevych, A.M. Kurakin, Ya.Ya. Kudryk. A Universal automatized complex for control and diagnostics of semiconductor devices and structures // SPQEO 2002, V5, N4, pp. 449-452.

[3] O. Ambacher, B. Foutz, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, A. J. Sierakowski, W. J. Schaff, L. F. Eastman, R. Dimitrov, A. Mitchell, M. Stutzmann. Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures // Journal of Applied Physics - January 1, 2000 - Volume 87, Issue 1, pp. 334-344

[4] Болтовец Н.С., Иванов В.Н., Свешников Ю.Н., Беляев А.Е., Авксентьев А.Ю., Конакова Р.В., Кудрик Я.Я., Куракин А.М., Миленин В.В. Омические и барьерные контакты к микроволновым диодам на основе SiC и GaN // Труды 14ой Международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии". – Севастополь: Вебер. - 2004, с.526-527.

[5] Morkoc H. Nitride Semiconductors and Devices. // Springer, 1999. – 488p.

[6] S. L. Rumyantsev, N. Pala, M. S. Shur, R. Gaska, M. E. Levinshtein, V. Adivarahan, J. Yang, G. Simin, M. Asif Khan. Low-frequency noise in Al0.4Ga0.6N-based Schottky barrier photodetectors // Applied Physics Letters - August 6, 2001 - Volume 79, Issue 6, pp. 866-868

[7] E. V. Kalinina, N. I. Kuznetsov, A. I. Babanin, V. A. Dmitriev, A. V. Shchukarev. Structural and electrical properties of Schottky barriers on n-GaN // Diamond and Related Materials Volume 6, Issue 10 , 1997, Pages 1528-1531

Анотація

Куракін А.М. Радіаційні ефекти в польових транзисторах на базі гетеропереходів AlGaN/GaN. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 – технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН Україна, Київ, 2005.

В роботі представлено результати дослідження дії гамма-радіації на параметри і характеристики приладних структур на базі гетеропеходу AlGaN/GaN. За експериментальними вольт-амперними характеристиками детально проаналізовано деградацію основних операційних параметрів (струмів насичення, напруги відсічки, крутизни) тразисторів з високою рухливістю носіїв в каналі (НЕМТ), з широною каналу від 100 до 400 мкм і довжиною затвору від 0.15 до 0.35 мкм, під впливом доз опромінення до 2·108 Рад. Розглянуто процеси, що перебігать під впливом радіації до зальної дози 2·109 Рад в контактній металізації Шотткі контактів Au-Ni-GaN і Au-ZrB2-AlGaN/GaN за даними проведених структурних досліджень. Не дивлячись на прогнозовану високу