摘 要：氮化镓(GaN)材料由于具有优良的电学特性而受到了广泛的关注，有望在航天工程中获得重要应用。本文首先对GaN材料的特性进行了简要阐述，进而对基于GaN的高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMTs)、空间太阳能电池、紫外探测器等的研究和应用现状进行了梳理及分析，最后从新型GaN器件的开发、空间环境适应性评价、GaN器件的加固等角度给出了航天器用GaN材料及器件的发展方向和建议。
关键词:氮化镓;电学特性;空间环境;辐射效应;加固技术;
Research Progress on Gallium Nitride Materials for Aerospace Applications
JI Qizheng WANG Yifan HU Xiaofeng LI Xingji YANG Jianqun LIU Shanghe
National Key Laboratory on Electromagnetic Environment Effects, Army Engineering University
Shijiazhuang Campus Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering School of
Materials science and Engineering, Harbin Institute of Technology
Abstract：Gallium nitride(GaN) materials have received extensive attention due to their excellent electrical properties and are expected to find important applications in aerospace engineering. In this paper, the characteristics of GaN materials are briefly expounded, and then the research status of GaN materials in high electron mobility transistors(AlGaN/GaN HEMTs), space solar cells, ultraviolet detectors(UV detectors) and other fields is reviewed and analyzed. Finally, the future development direction and suggestions are given from the perspectives of the development of new GaN devices, the evaluation of space environment adaptability, and the reinforcement of GaN devices.
Keyword：gallium nitride; electrical property; space environment; radiation effect; reinforcement technique;
0 引言
氮化镓(GaN)材料是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，具有六方纤锌矿的热力学稳态结构和立方闪锌矿亚稳态两种结构。在常温常压条件下，GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构，化学性质稳定，不溶于水、酸和碱。GaN材料由于具有大禁带宽度 (3.39 eV)、高击穿电压(4×106 V/cm)、高电子迁移率(室温1 000 cm2/(V·s))、高电荷密度(1×1013cm-2)、较高的热导率以及耐腐蚀和抗辐照等特性，被认为是制备短波长光电子器件以及高温、高频、高压、大功率电子器件的最优选材料，成为目前全世界半导体行业研究的热点，与SiC材料一同被称为第三代宽禁带半导体，其与第一代、第二代半导体材料的性能比较如表1所示。
对GaN材料的研究虽然开展很早，但是在20世纪80年代中期以前获得的材料性能不能令人满意。其原因不仅是GaN体材料合成极其困难，而且也是没有与晶格匹配的合适外延衬底。日本的Amano等[1]研究发现，在低温生长的缓冲层上可获得高质量的GaN外延薄膜，这一突破性结果为GaN材料器件的应用开启了大门。目前，在蓝宝石衬底上生长GaN外延薄膜几乎都采用了先低温生长缓冲层、再高温生长外延膜的两步工艺。低温缓冲层解决了晶格失配问题，为外延生长提供了成核中心和应力释放中心。纤锌矿结构的GaN主要的生长方法在薄膜外延方面有氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE),其中，MOCVD技术由于材料质量和成本等方面的优势，具有最广泛的应用。外延GaN薄膜的衬底主要有蓝宝石、SiC和Si。闪锌矿结构的GaN晶体的性质在理论上虽然有一定的研究工作开展，但是在材料生长上尚存在问题。目前，GaN缺少同质外延材料，一般都是采用MOCVD法进行异质外延生长。
表1 半导体材料性能比较
电子元器件是航天装备的基本单元，电子元器件的可靠性是保证航天装备可靠性的基础。已有的公开报道表明，现有GaN器件的抗辐射能力远未达到其理论预期值，尚难以直接在航天领域开展大规模的应用。针对上述问题，美国、欧空局、日本及我国的相关研究机构在近几年开展了大量辐射损伤效应评估及失效分析等工作，但是对GaN器件辐射损伤、性能退化和失效机理的认识还不清晰，缺少有效的辐射加固手段，这严重制约GaN器件在空间环境的应用。同时，由于空间带电粒子辐射环境极其复杂，如何正确评价GaN器件的在轨服役行为将十分必要。在空间带电粒子辐射作用下，GaN材料和器件受到损伤，给航天器的在轨安全可靠运行造成很大隐患和威胁[2]。因此，深入研究GaN基器件的辐射效应与损伤机理具有重要的理论和实际意义。
本文将对基于GaN的高电子迁移率晶体管、空间太阳能电池和紫外探测器的研究进展进行系统梳理和分析，并进一步给出GaN材料的空间应用发展方向。
1 GaN基高电子迁移率晶体管研究进展
GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高跨导、高饱和电流、高截止频率、高击穿电压等优良特性，已成为微波和毫米波范围内固态功率放大的极佳的候选器件之一[3,4]。例如，二维电子气(2DEG)中的大击穿电压和高电子饱和速度使得GaN基器件在民用或军事领域中的功率密度特性方面具有非常大的优势[5,6]。
1994年，Khan研究小组报道了世界上第一个AlGaN/GaN HEMT,如图1所示，器件的栅长为0.25 μm, 饱和电流密度达到60 mA/mm, 跨导为27 mS/mm, 截止频率fT和最大振荡频率fmax分别达到11 GHz、25 GHz[7]。经过长期的研究和发展，器件电学特性和可靠性已经有了瞩目的进步。2019年，Geens 等[8]在200 mm多晶AlN和单晶硅组成的特制基板上成功制备了650 V p-GaN栅HEMT,其VTH高达3.6 V,Ron低至15 Ω·mm, 关断状态下150 ℃击穿电压高达650 V时，漏极泄漏电流只有1 μA,如图2所示。由于晶圆尺寸和缓冲区厚度都能得到满足，这种互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的技术非常适用于600 V以上的电机驱动等。
2015年，Wang等[9]采用多层氟化栅堆叠制备的MIS-HEMT的阈值电压高达6.5 V。考虑到大尺寸晶圆工艺一致性带来的良率问题， Huang等[10] 于2018年提出了超薄势垒层无嵌入技术，基于该技术设计的器件结构如图3所示。以5 nm厚的超薄AlGaN势垒层来形成栅极沟道的常关特性，再通过低压化学气相沉积钝化层介质来恢复栅源和栅漏区域的2DEG,从而大幅降低导通电阻。由于去掉了嵌入刻蚀工艺，器件的生产良率可以得到明显改善。2020年，Liu等[11]制作的含高阻GaN盖帽层的p-GaN栅HEMT漏极泄漏电流很低；同年，Yu等[12]报道了一种新型E型 MIS-HEMT结构，在p-GaN栅周围沉积绝缘层和栅金属，构成MIS结构，栅极泄漏电流相比肖特基栅HEMT下降了八个数量级。
高能粒子会在器件中产生连续分布的各种类型的缺陷，不同的粒子入射可能产生不同的缺陷状态和结构。但是并非所有位置的缺陷都会对器件性能产生影响。GaN HEMT器件的主要结构为AlGaN/GaN异质结，器件的载流子沟道是由极化效应形成的2DEG,通过调节栅极电压来控制载流子沟道的开通和关断。通常，AlGaN的厚度在几十纳米范围内，GaN层在几微米范围内。当空间高能辐射粒子穿过器件时，在器件垂直方向上各区域均会产生损伤。但是，由于器件结构和工作原理，不同位置的辐射损伤对器件性能退化的贡献并不相同。根据已有文献报道，GaN HEMT器件受到辐射后会发生阈值电压漂移、载流子迁移率下降和关态漏电流变化等现象，这些现象都与位移损伤相关，而缺陷存在的位置对这些性能退化的贡献会有所不同。GaN HEMT中受到位移损伤的区域大致可以分为三个部分：AlGaN势垒层、GaN层靠近2DEG区域和GaN层相对远离2DEG区域。但是，关于辐射损伤敏感区域的问题目前国际上还存在争论，尚无统一结论。在分析器件性能辐射退化或者抗辐射加固时，明确辐射损伤敏感区域和器件性能核心区域内的主要缺陷状态是关键问题。基于器件的辐射损伤机制，从半导体材料、器件结构、制备工艺和版图设计等途径出发进行的正向加固才更高效和具有普适性。因此，对器件辐射损伤规律、器件缺陷演化和器件辐射损伤敏感区域的研究尤为重要。
2018年，Kim等[13]报道了台面刻蚀和氮离子注入两种隔离工艺的GaN-HEMTs质子辐射效应。基于两种隔离工艺的器件结构如图4所示。图4a中采用台面隔离，台面刻蚀通过感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺实现，刻蚀深度约为200 nm; 图4b中采用氮离子注入隔离，利用离子注入机实现。在氮离子注入过程中，器件的有源区采用SiO2掩膜层进行保护，氮离子注入的能量和注量分别为10 keV、5×1015 cm-2。器件的欧姆接触采用Si/Ti/Al/Ni/Au(1 nm/25 nm/160 nm/40 nm/100 nm)、肖特基接触采用Ni/Au(50 nm/100 nm)多层金属实现，栅长、栅宽、栅漏间距分别为2 μm、100 μm和10 μm。室温条件下，利用质子线性加速器对器件开展了辐照试验，采用的质子能量为5 MeV,辐照注量为1×1014 cm-2,评估了两种隔离工艺制得的器件的参数退化情况，器件的漏极电流和跨导在辐照前后均发生了明显变化。采用台面刻蚀工艺隔离的GaN器件在辐照后的漏极饱和电流(IDsat)和最大跨导(Gmmax)相比辐照前均降低了约50%,而采用氮离子注入隔离的GaN器件的漏极饱和电流和最大跨导仅降低了10%～20%。
同年，Bhuiyan等[14]报道了不同GaN沟道层厚度的GaN HEMT 器件的总剂量效应。作为研究对象的Al0.24Ga0.76N/GaN HEMT器件采用台面刻蚀工艺，刻蚀深度为150 nm, 器件源/漏和栅极分别采用Ti/Al、 Ni/Au金属化结构，欧姆接触采用Ti/Al/Au(厚度分别为15 nm/60 nm/50 nm)叠层金属结构，并在 N2气氛、温度为 775 ℃的环境中进行退火处理。表面采用SiO2作为钝化层，栅源间距为5 μm, 栅漏间距为10 μm, Al0.24Ga0.76N 层厚度为 24 nm, GaN沟道层厚度分别为 0.5 μm、2 μm、3.5 μm和6.3 μm。室温条件下，采用能量为 10 keV、剂量率为31.5 krad(SiO2)/min的X射线对不同GaN沟道层厚度的器件开展辐照试验，在试验过程中器件所有管脚均进行接地处理。当总剂量累积至 3 krad(SiO2)时，器件的阈值电压发生明显的漂移，但随着总剂量的进一步累积，阈值电压漂移速率逐渐减缓。在整个辐照试验过程中，GaN HEMT 阈值电压(Vth)的漂移与GaN沟道层厚度呈负相关，沟道层越薄，辐照引起的器件阈值电压漂移就越明显。辐照引起GaN HEMT的阈值电压漂移主要与如下因素相关：(1)AlGaN势垒层中浅能级空穴陷阱的产生；(2)器件制造过程中产生的带电电子陷阱的中和；(3)利用氢气钝化处理的缺陷发生了脱氢作用。这三种因素均会引起器件辐照后I-V曲线的负向漂移，且均与器件在生长过程中的初始缺陷密度相关。
2 GaN空间太阳能电池的研究进展
目前研究较多的GaN基空间太阳能电池是基于InN禁带宽度的修正，实现InGaN带隙从InN的0.64 eV到GaN的3.4 eV的连续可调[15,16,17,18,19,20,21],这使得InGaN的带隙可以扩展到可见光区域。另外，InGaN材料由于具有较强的吸收系数[22,23],理论上可以被开发成高效的光伏体系[23],因此该材料受到太阳能电池研究人员越来越多的关注。InGaN太阳能电池主要分为同质结太阳能电池和异质结太阳能电池两类。
(1)InGaN异质结太阳能电池
2003年，采用InGaN材料制备太阳能电池的方法首次被提出。2005年，美国乔治亚理工学院的Jani等首先利用InGaN材料制备了p-i-n型异质结的太阳能电池(如图5所示)[24]。2007年，该课题组进一步制备p-i-n型In0.05Ga0.95N/GaN异质结太阳能电池，其开路电压可达2.4 V,内量子效率为60%[25],他们指出InGaN材料的相分离和较大的电极接触电阻会对电池性能产生不利影响[26]。
2016 年，Bae等制造了一种生长在Si 基GaN衬底上的插入lnGaN/GaN超晶格结构(Superlattice structure, SLS)的非极性InGaN太阳能电池[27]。通过平衡双轴应力，采用这种SLS结构的太阳能电池的转换效率可以提高到1.6%,如图6所示，中间层A、B、C和D分别对应于无中间层、2 步SLS(12 对/步)、4 步SLS(6 对/步)和8 步SLS(3 对/步);除结构A外，所有中间层均由24 对SLS组成。
2017年，Adaine 等仿真了双结InGaN太阳能电池(如图7所示),通过引入晶格极化和结构缺陷效应后，在标准条件下优化后的电池效率可达24.4%,其中，短路电流密度可达12.92 mA/cm2,开路电压可达2.29 V[28]。
(2)InGaN同质结太阳能电池
在研究InGaN/GaN异质结电池时，学者们也相继对InGaN同质结太阳能电池进行了研究。2007年，Yang等制作了In组分约为0.18的p-n型InGaN同质结电池[29],但受p型InGaN层掺杂困难和质量较差的影响，在紫外辐照下该电池的开路电压仅为0.43 V。2008年，Chen等制备了第一个In组分达到0.3的p-i-n型InGaN同质结电池[30],如图8所示，在紫外激光辐照下，该电池的开路电压为2.5 V,但In组分增大引起材料质量下降，影响了电池的性能。2017年，Valdueza等报道了p-i-n结构的InGaN同质结太阳能电池，如图9所示，与p-GaN帽层相比，p-InGaN帽层改善了同质结电池的外量子效率[31]。
2018年，Wu 等通过求解泊松方程和稳态连续性方程，从理论上研究了背景载流子浓度、铟成分和缺陷密度对InGaNp-i-n同质结太阳能电池光伏性能的影响，提出了制备高In成分、高结晶质量的InGaN材料是提高Ⅲ族氮化物基太阳能电池器件性能的关键因素[32]。
不管是同质结还是异质结InGaN太阳能电池结构，以InGaN作为吸收层的太阳能电池的光谱响应吸收大约在420 nm, 限制了电池的转换效率；而提高电池效率需要扩展电池的光谱响应来与太阳光谱更加匹配，这就要求增加InGaN吸收层的In组分。然而，增加In组分会增大In与GaN之间的晶格失配，在材料中引入大量缺陷，对电池性能产生负面影响。
3 GaN紫外探测器的研究进展
纤锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族材料是直接带隙材料，随着合金组分的改变，其禁带宽度可以连续变化。例如，AlGaN材料的禁带宽度可以从GaN的 3.4 eV 连续变化到AlN的 6.2 eV。从理论上讲，利用这种材料研制的本征型紫外探测器的截止波长可以连续地从365 nm变化到200 nm。因此，研究GaN基紫外探测器(UVPD)的意义重大。
从文献报道来看，Ⅲ族氮化物光电探测器大致有光导型和光伏型两类，其中光伏型包括金属-半导体-金属(Metal-semiconductor-metal, MSM)、肖特基结型及光电二极管型等多种器件芯片结构。
光导型探测器结构简单，内部增益高，但是宽禁带材料容易存在的持续光电导现象给应用带来一系列问题，主要表现在响应速度慢、响应时间是光照强度的函数、暗电流高、长波波段会出现假信号现象等，不满足直流、高速的工作要求。最近对持续光电导的研究表明，大偏置下GaN光导器件的持续光电导可以得到极大的消退。这一现象可为GaN光导器件的应用带来新的机会。
MSM结构AlGaN基 UVPD因为制造工艺简单、暗电流水平低，也得到了广泛的研究。Monroy等[33]报道了在310～365 nm范围内有陡峭截止波长的MSM结构AlGaN光电二极管的紫外/可见抑制比高达四个数量级，如图10所示。Li等[34]通过对金属电极进行改性，提高了MSM 结构AlGaN基UVPD的光电响应。他们将十六烷硫醇有机分子化学吸附在高Al组分的Al0.6Ga0.4N基 MSM日盲UVPD的电极上，降低了金属电极的功函数并改变肖特基势垒的高度，显著提高了器件的光电流和响应度，且有效地降低了由AlGaN材料的表面状态和极化引起的不利影响。
由于受势垒高度的限制，肖特基器件耗尽层窄，暗电流一般比PIN探测器高。为了降低暗电流，可以优化退火条件及提高肖特基势垒。Lee等[35]采用低温GaN帽层，发现有GaN帽层的样品暗电流得到改善，但相较没有帽层的样品响应速度慢，分析可能是LT-GaN层的电阻较高导致时间常数RC值增大。同时，肖特基二极管的最大响应率被顶部半透明接触反射所限制，因此，可采用更加透明的ITO材料作肖特基接触。Biyikli等[36]的研究表明采用ITO肖特基接触的GaN RCE-AlGaN探测器的峰值量子效率为47%(324 nm)和56%(337 nm),均比采用Au肖特基接触的器件高，但在日盲范围，由于ITO材料吸收较强，其器件量子效率比采用Au肖特基接触的器件低，响应度为44 mA/W(270 nm左右)。2006年，游达等[37]报道了p-GaN/Al0.35Ga0.65 N/GaN应变量子阱结构的肖特基紫外探测器，如图11所示。零偏压下器件在280 nm时的峰值响应为0.022 A/W,在反向偏压为1 V时，峰值响应增加到0.19 A/W。在正向偏压下器件则呈平带状态，在283 nm和355 nm处分别出现了两个小峰，研究表明极化效应对器件响应特性的影响很大。
光电二极管型探测器一般采用p-n和 p-i-n结的形式。Kalra等[38]报道了一种零偏压下外量子效率高达 92%的背照式蓝宝石衬底Al0.4Ga0.6N p-i-n紫外探测器，如图12所示。零偏压下，289 nm处器件的响应率为211 mA/W,这是通过外延生长宽禁带半导体制备日盲p-i-n探测器的报道中最高的响应率。这也是第一次报道使用分级极化Mg掺杂的AlGaN层作p型接触制备p-i-n 探测器。器件显示出10个数量级的放大整流特性，光暗电流比和紫外/可见抑制比超过六个数量级，探测器优异的性能得益于使用AlN/AIGaN超晶格缓冲层和分级极化改善的p接触获得的高质量的AlGaN外延吸收层。
4 结语与展望
虽然已经针对GaN材料的航天应用开展了大量研究，但是要实现GaN材料及其器件的高可靠、长寿命的在轨工程应用，仍需要进一步开展以下工作：(1)基于Si衬底的GaN材料的研制。目前，蓝宝石是应用最广泛、技术最成熟的制备商用GaN材料的衬底，但是与蓝宝石等衬底相比，Si衬底具有尺寸大、成本低、工艺技术成熟、热导率高、未来可与Si基微电子器件集成等优点，可作为GaN材料外延生长的衬底材料，需进一步开展利用Si衬底制备GaN材料的研究。(2)p型GaN的制备及工艺技术。与n型GaN材料相比，p型GaN的研制比较困难，原生掺Mg的GaN由于被氢原子钝化，不能表现出受主的本性。因此，解决好p型GaN的制备及其工艺问题，是未来的发展方向。(3)高Al组分AlGaN材料的制备及工艺技术。目前，制备高Al组分AlGaN材料还有一定的难度，特别是制备具有器件结构的材料难度较大，其原因不仅在于传统的 MOCVD 生长方法中晶格失配大、各种反应过程复杂且难以控制，而且在于材料禁带宽度变宽、掺杂的激活效率变低等。因此，进一步优化高Al组分AlGaN材料的制备及其工艺技术是重要发展方向。(4)GaN器件的空间环境适应性评价技术。基于GaN的航天用元器件将受到空间高能带电粒子以及温度、真空等多物理场的考验，如何对GaN材料及其器件在复杂、严酷的在轨服役环境下的耐受性进行评价，是需要解决的关键问题。(5)GaN器件的辐射加固技术。GaN基器件在轨服役过程中将受到空间高能粒子的作用，可能发生单粒子效应、电离总剂量效应、位移总剂量效应等，如何提高GaN器件的抗辐射性能，是航天工程应用需要关注的方向。
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