石墨烯場效應晶體管的X 射線總劑量效應*

李濟芳 郭紅霞 馬武英 宋宏甲 鐘向麗 李洋帆 白如雪 盧小杰 張鳳祁

1) (湘潭大學材料科學與工程學院,湘潭 411105)

2) (西北核技術研究所,西安 710024)

本文針對不同結構、尺寸的石墨烯場效應晶體管(graphene field effect transistors,GFET)開展了基于10 keVX 射線的總劑量效應研究.結果表明,隨累積劑量的增大,不同結構GFET 的狄拉克電壓VDirac 和載流子遷移率μ 不斷退化;相比于背柵型GFET,頂柵型GFET 的輻射損傷更加嚴重;尺寸對GFET 器件的總劑量效應決定于器件結構;200 μm×200 μm 尺寸的頂柵型GFET 損傷最嚴重,而背柵型GFET 是50 μm×50 μm 尺寸的器件損傷最嚴重.研究表明:對于頂柵型GFET,輻照過程中在柵氧層中形成的氧化物陷阱電荷的積累是VDirac和μ 降低的主要原因.背柵型GFET 不僅受到輻射在柵氧化層中產生的陷阱電荷的影響,還受到石墨烯表面的氧吸附的影響.在此基礎上,結合TCAD 仿真工具實現了頂柵器件氧化層中輻射產生的氧化物陷阱電荷對器件輻射響應規律的仿真.相關研究結果對于石墨烯器件的抗輻照加固研究具有重大意義.

1 引言

石墨烯作為碳基材料的代表之一,以其高載流子遷移率、高飽和漂移速度、高熱導率等優異特性成為最有前景的二維材料之一[1,2].近年來,石墨烯器件的制備工藝技術逐漸成熟,已成功制備出性質卓越的寬帶射頻混頻器、光電探測器、化學傳感器等新型半導體器件[3-5],在航天領域具有重要應用前景.然而,工作在空間輻射環境中的電子元件不可避免受到空間輻射[6,7]的影響,造成性能退化甚至失效,嚴重影響了空間電子系統的可靠性.

作為新型半導體器件,石墨烯器件的空間輻射效應備受關注,尤其是制約其長壽命應用的空間總劑量效應.2017 年,Procházka等[8]對具有Al2O3鈍化層的背柵石墨烯場效應晶體管(graphene field effect transistors,GFET)開展了X 射線輻照實驗,指出X 射線輻射會使得器件柵極電介質中的固有缺陷俘獲空穴,從而引起石墨烯輸運特性的變化;2020 年,Jain等[9]對背柵GFET 器件開展了γ輻照實驗,采用拉曼光譜、X 射線光電子能譜(XPS)、以及I-V測試進行表征,指出γ輻射增加了氧在石墨烯表面的吸附,導致了六方碳晶格sp2向sp3的轉化,從而使得轉移特性退化;2022 年,Zhang等[10]對SiO2背柵結構的GFET 開展了3 MeV 的質子輻照實驗,輻照后狄拉克點負向偏移,指出質子輻照在器件氧化層中產生的缺陷是導致器件性能退化的主要因素.

綜上所述,石墨烯總劑量效應研究主要集中在背柵器件,且尚未進行尺寸對輻照效應的影響規律研究,相關研究并不能滿足石墨烯器件空間及加固設計的需求.因此本文利用10 keV-X 射線對不同器件結構、尺寸的GFET 器件的總劑量效應開展了研究工作,獲得了不同結構、尺寸下的GFET 的輻照響應規律,在此基礎上結合TCAD 數值模擬研究了其潛在損傷機制.

2 實驗描述

實驗樣品選用頂柵型GFET 及背柵型GFET,器件結構如圖1 所示.頂柵型GFET 及背柵型GFET 皆以p 型硅和SiO2為襯底,Al2O3為柵氧層,單層石墨烯均采用化學氣相沉積(CVD)和聚合物輔助轉印進行生長、轉移.頂柵型GFET 的Al2O3的等效氧化層厚度為20 nm,背柵型GFET的Al2O3的等效氧化層厚度為5 nm,兩種結構的石墨烯尺寸為50 μm×50 μm,100 μm×100 μm,200 μm×200 μm.

圖1 器件結構示意圖 (a)頂柵型GFET;(b)背柵型GFETFig.1.Device structure diagram:(a) Top-gate GFET;(b) back-gate GFET.

總劑量輻照實驗在10 keV-X 射線輻照平臺上進行,輻照時劑量率為200 rad (Si)/s,在輻照過程中對兩款器件施加正柵極偏置(VG=+1 V,VD=VS=0 V),在輻照過程中累積劑量至10 krad(Si),30 krad (Si),50 krad (Si),70 krad (Si)和100 krad (Si).輻照均在室溫、大氣環境下進行.輻照前后利用半導體參數分析儀B1500 對器件的轉移特性曲線和輸出特性曲線進行表征.頂柵型GFET 柵極電壓VG掃描范圍為-5 — +5 V,背柵型GFET 柵極電壓VG掃描范圍為-2 — +7 V,漏極電壓VD恒定為20 mV,源極電壓VS接地.輸出特性曲線漏極電壓VD掃描范圍為-1 — +1 V,柵極電壓VG恒定為0 V.樣品信息和偏置條件如表1 所示.

表1 樣品信息及偏置條件Table 1.Sample information and bias conditions.

3 結果與分析

圖2 給出了50 μm×50 μm 尺寸的頂柵型GFET 輻照前后的轉移特性曲線和輸出特性曲線變化趨勢,累積總劑量為100 krad (Si).由圖2 可知,輻照后的VDirac負向偏移,VDirac代表了石墨烯的導帶和價帶相交的狄拉克點的電壓值,當VG＞VDirac時石墨烯中的載流子為電子,當VG＜VDirac時石墨烯中的載流子為空穴.頂柵型GFET 在輻照前VDirac為-1.05 V,輻照后VDirac為-3.10 V,變化量為2.05 V.對于GFET,其載流子遷移率與漏極電流ID和VG的關系如(1)式所示[11,12],可以從轉移特性曲線提取出GFET 的載流子遷移率μ:

圖2 輻照前后頂柵型GFET 的轉移特性曲線和輸出特性曲線Fig.2.Transfer characteristic curve and output characteristic curve of top-gate GFET before and after irradiation.

其中μ為載流子遷移率,L/W為石墨烯的長寬比,CG為柵介質的電容,?ID/?VG是轉移特性曲線的斜率.

頂柵型GFET 在輻照前的空穴遷移率μh和電子遷移率μe分別為788.9 和693.3 cm2/(V·s),空穴遷移率高于電子遷移率,這是由于金屬電極與石墨烯接觸導致的[13-15].在輻照后空穴遷移率為594.7 cm2/(V·s),電子遷移率為525.2 cm2/(V·s),空穴遷移率變化量為194.2 cm2/(V·s),電子遷移率變化量為168.1 cm2/(V·s),載流子遷移率退化較為嚴重.

3.1 結構對GFET 的總劑量響應的影響

圖3 為50 μm×50 μm 尺寸下的頂柵型GFET和背柵型GFET 器件VDirac隨輻射累積劑量的變化趨勢.從圖3 中可以看出,兩個器件的VDirac都發生不同程度的退化,背柵型GFET 的退化程度較頂柵型GFET 的小,變化量為0.46 V,VDirac正向偏移,這與頂柵GFET的VDirac偏移方向不同,這可能與背柵型GFET 存在氧吸附現象有關[16,17].

圖3 VDirac 隨輻射累積劑量的變化趨勢 (a) 頂柵型GFET;(b) 背柵型GFETFig.3.The variations of VDirac with cumulative dose:(a) Top-gate GFET;(b) back-gate GFET.

圖4 為50 μm×50 μm 尺寸下頂柵型GFET 和背柵型GFET 器件載流子遷移率隨輻射累積劑量的變化趨勢.由圖4 可知,兩種器件的載流子遷移率在輻照后均下降,頂柵型GFET 的空穴遷移率退化了約33.2%,電子遷移率退化了約29.9%,而背柵型GFET 的空穴遷移率退化了約8.3%,電子遷移率退化了約17.3%.在輻照過程中,頂柵型GFET 的空穴遷移率退化更明顯,而背柵型GFET的電子遷移率退化更嚴重,與背柵型GFET 相比,頂柵型的GFET 的載流子遷移率退化更嚴重.

圖4 載流子遷移率隨輻射累積劑量的變化趨勢 (a)頂柵型GFET;(b)背柵型GFETFig.4.The variations of μ with cumulative dose:(a) Top-gate GFET;(b) back-gate GFET.

載流子遷移率與氧化物陷阱電荷的關系如(2)式和(3)式所示[18],載流子遷移率的退化則是在輻照過程中產生的空穴被陷阱電荷俘獲,形成氧化物陷阱電荷,氧化物陷阱電荷增加了散射位點,導致庫侖散射增強,載流子遷移率降低[10,15,16,18-20]:

其中,Not是氧化物陷阱電荷,μc是受庫侖散射影響的載流子遷移率,μSR是受短程散射影響的載流子遷移率,Qgc是電荷密度,Eeff是有效電場強度,α,β,N0及Q0是擬合參數.

3.2 尺寸對GFET 的總劑量響應的影響

對50 μm×50 μm,100 μm×100 μm,200 μm×200 μm 三種尺寸下的頂柵型GFET 和背柵型GFET 進行輻照,圖5 為頂柵型GFET 和背柵型GFET 器件輻照前后轉移特性曲線的變化趨勢.從圖5 可知,尺寸是影響GFET 輻照響應的關鍵因素.表2 為輻照前后不同尺寸GFET的VDirac偏移量ΔVDirac和載流子遷移率偏移量Δμ,可以看到頂柵型GFET 尺寸為200 μm×200 μm 時偏移量最大,損傷也最明顯,整體上尺寸越大,輻照損傷程度越明顯,這是由于受輻照的面積越大,產生的電子空穴對越多,在正柵極偏置下形成的氧化物陷阱電荷越多,導致了更嚴重的輻射損傷.而50 μm×50 μm 尺寸的背柵型GFET 輻射損傷最嚴重,整體上尺寸越小,輻照損傷程度越明顯,這可能是由于大尺寸器件的石墨烯與氧氣的接觸面積較大,受氧吸附的影響也越明顯,輻射損傷與氧吸附的作用相互抵消[21,22],反而大尺寸器件損傷較小.

表2 輻照前后不同尺寸GFET的VDirac 偏移量ΔVDirac 和載流子遷移率偏移量ΔμTable 2.VDirac offsets ΔVDirac and carrier mobility offsets Δμ of GFETs of different sizes before and after irradiation.

圖5 輻照前后轉移特性曲線的變化趨勢 (a)頂柵型GFET;(b)背柵型GFETFig.5.Transfer characteristic curve of GFET before and after irradiation:(a) Top-gate GFET;(b) back-gate GFET.

3.3 損傷機理及模擬仿真

對頂柵型GFET 而言,輻射在柵氧層Al2O3和襯底SiO2中產生了大量的電子空穴對,由于施加了正柵極偏置,電子和空穴在偏置電場中復合及移動,由于電子的移動速度要遠大于空穴的移動速度,Al2O3層中的電子被掃出柵極,空穴則向Al2O3與石墨烯的界面處移動,在移動中被Al2O3中的缺陷俘獲成為帶正電的氧化物陷阱電荷,而襯底SiO2中未復合的電子向石墨烯與SiO2的界面處移動,在石墨烯與SiO2的界面處形成界面陷阱電荷.通過實驗結果可知氧化物陷阱電荷是導致VDirac負向偏移的主要原因[23-27].

根據空穴產額模型[28],電場是影響空穴產額的主要因素.由于頂柵型GFET 的Al2O3的等效氧化層厚度為20 nm,背柵型GFET 的Al2O3的等效氧化層厚度為5 nm,在施加相同偏置時,背柵型GFET 柵氧層中的電場強度強于頂柵型GFET柵氧層中的電場強度,背柵型GFET 的空穴產額更大,將導致更嚴重的輻射損傷.

對于背柵型GFET,還會受到氧吸附的影響.背柵型GFET 中的石墨烯暴露在大氣中,O2和H2O 在石墨烯表面發生如下反應:

反應生成OH-,在反應過程中增加了電荷轉移,石墨烯中的電子流出,這導致了n 型摻雜的降低,最終VDirac正向偏移,這與氧化物陷阱電荷的作用相反,一定程度上抵消了輻射損傷[16].當氧吸附強于陷阱電荷的作用時,VDirac將正向偏移.因此背柵型GFET 的輻射損傷程度弱于頂柵型GFET.

為更好地解釋VDirac的負向偏移,結合TCAD仿真工具研究了氧化物陷阱電荷對GFET 的影響,在TCAD 工具中建立頂柵結構的GFET 的二維模型,該模型中石墨烯的溝道長為50 μm,通過改變多晶硅的參數來替代石墨烯[29].在仿真過程中添加氧化層固定電荷來模擬氧化物陷阱電荷的作用.圖6 為固定不同數目的陷阱缺陷的轉移特性曲線,從圖6 可以看出,隨著固定陷阱電荷數目的增加,轉移特性曲線負向移動,同時在界面處的固定陷阱電荷數目越高,轉移特性曲線的偏移量越大.這與實驗結果相符,也證明了正的氧化物陷阱電荷是造成VDirac的負向偏移的主要原因.

圖6 固定不同數目的陷阱缺陷的轉移特性曲線Fig.6.Transfer characteristic curve after fixing different number of trap defects.

4 結論

本文研究了不同結構、尺寸的石墨烯場效應晶體管(GFET)的總劑量效應,發現頂柵型GFET和背柵型GFET的VDirac和載流子遷移率隨著總劑量的增大而退化,頂柵型GFET 的抗輻照能力弱于背柵型GFET,GFET 總劑量效應響應規律與器件結構和器件尺寸均有很強的依賴性.對于頂柵型GFET,尺寸越大的GFET 由于受輻照面積更大,對輻照損傷更加敏感,而背柵型GFET,尺寸越小的GFET 對輻照損傷越敏感.輻照在柵氧層中產生的氧化物陷阱電荷是頂柵型GFET 的退化的主要原因,而背柵型GFET,氧吸附一定程度上抵消了氧化物陷阱電荷的作用,在背柵型GFET的輻照過程中發揮一定作用.通過TCAD 仿真模擬,表明氧化物陷阱電荷是頂柵型GFET的VDirac退化的主要原因.這對GFET 的抗輻射加固設計具有重要參考價值.