InP基HEMT辐照效应研究

... Being the core device in various millimeter-wave systems, InP-based high electron mobility transistor (HEMT) has shown great potential for space applications, such as national defense, aerospace and satellite radar. On the basis of this problem, the project takes irradiation effect and irradiation equivalent model of InP-based HEMT as the research objects. The main research contents include: Firstly, exploring the irradiation damage mechanism by establishing the 2-D numerical simulation model, and thus providing theoretical basis for irradiation experiment. Secondly, carrying out the gamma rays and proton irradiation experiment and making a systematical analysis of degradation mechanism on different irradiation conditions with the help of ISE-TCAD and SRIM, and then putting forward effective radiation-hardened measures. Thirdly, SDD technique is proposed to describe the non-ideal irradiation effects with sensitive factors. Above these, a compact equivalent model is set up to reflect the irradiation effects on the AC and DC characteristics, and finally guiding the redundant design of integrated circuits for irradiation properties. The above researches could provide theoretical and experimental basis for the space applications of InP-based HEMT.

InP基高电子迁移率晶体管（HEMT）是高频毫米波技术的核心器件，对于国防航天和卫星雷达等空间应用极具潜力。针对InP基HEMT及集成电路在空间辐照环境中的广泛应用，本项目将以InP基HEMT辐照效应和辐照退化等效模型为研究对象。主要研究内容包括：通过建立器件二维数值仿真模型，从理论上探索InP基HEMT辐照损伤机理并为辐照实验提供理论依据；通过开展γ射线和质子两种粒子类型的辐照损伤实验，并结合ISE-TCAD和SRIM仿真软件，系统分析InP基HEMT在不同辐照条件下的损伤和退化机理，提出有效的抗辐照加固措施；本项目提出基于SDD技术引入辐照敏感因子来描述辐照引起的非理想效应，建立紧凑的器件等效模型，反映辐照对器件交直流特性的影响，从而指导集成电路抗辐照冗余性设计。本项目拟通过以上内容的研究，为推动InP基HEMT与电路模块在航空航天等空间领域的应用提供理论和试验基础。

InP基高电子迁移率晶体管（HEMT）是毫米波系统的核心器件，对于国防航天和卫星雷达等空间应用极具潜力。鉴于不可避免的空间辐照影响，资助项目进行了InP基HEMT辐照效应研究。主要研究内容包括：① 确定了位移效应诱生As受主空位的量子阱质子辐照损伤机制。随着质子能量增加，异质结构诱生空位浓度先增加后减少。随着质子剂量增加，诱生空位浓度线性增加。② 采用高斯解析掺杂模型和渐变网格策略建立了器件二维和三维结构，选取流体力学、密度梯度、高场迁移率退化等物理模型描述器件特性，仿真和实测数据拟合良好。③ 将表面态引入到载流子输运方程中分析了对器件特性的影响。对能带结构进行调控，增加了表面势，使得沟道电流、跨导和频率特性降低。④ 基于解析模型和仿真法计算了InAlAs和InGaAs材料中不同能量质子的非电离能量损失（NIEL）。随着质子能量增加，NIEL先增加后减小，与诱生缺陷密度的变化趋势一致。⑤ 基于泊松方程、电位移矢量连续性方程和高斯定理建立了器件电荷控制模型，并引入辐照诱生受主缺陷，计算了器件特性随辐照剂量的变化关系。通过载流子去除效应使得沟道电子浓度下降，最终引起跨导和频率特性的退化。⑥ 研究了不同角度质子对器件特性的影响。随着入射角度增加，空位数和空位能损先缓慢增加而后急剧下降，跨导、截止电压和沟道电流在30o时衰退最严重。⑦ 建立了器件小信号等效模型。引入输出电导和漏端延迟因子来描述漏端电压对沟道电流的影响。引入栅漏电阻描述栅漏电流。基于SDD模块建立了大信号模型，直流和交流特性拟合良好。⑧ 研究了Si3N4钝化层厚度对器件性能的影响。随着介质层厚度增加，输出电导减小、截止电压正向移动、跨导和沟道电流先增加后减小、频率特性下降。开发了InGaAs高选择性腐蚀和1.2 nm/次的InAlAs低速数字腐蚀相结合的栅槽腐蚀工艺，使得器件跨导和频率特性大幅度提升。⑨ 制备了用于缺陷表征的肖特基样品；⑩ 提出多掺杂外延结构、BCB钝化和微波退火三种抗质子辐照加固方法，从而提高InP基HEMT抗质子辐照能力。