面向空間應用的GaN功率器件及其輻射效應

畢津順,沈立志,梅 博,曹 爽,孫 毅,于慶奎

(1. 中國科學院大學 集成電路學院, 北京 100049; 2. 中國科學院微電子研究所, 北京 100029;3. 中國航天宇航元器件工程中心, 北京 100029)

隨著空間系統和衛星平臺等大功率電力推進技術的不斷發展,對于高頻率、大功率、耐高溫、耐高壓、輕質量以及耐輻射的功率器件的追求已經逐漸成為下一代高效功率電子器件的發展方向[1-3]。氮化鎵(GaN)材料作為第三代寬禁帶半導體材料的核心代表之一,與傳統的硅(Si)和砷化鎵(GaAs)材料相比,具有較高的品質因數,如圖1[2-3]所示。基于異質結形成的GaN高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor, HEMT)具有尺寸小、開關速度快、電流密度大以及散熱性好等卓越的性能,有望成為空間電源系統領域里最具有前景和吸引力的候選者[4]。

圖1 半導體材料的主要物理特性對比[2-3]Fig.1 Comparison of main physical properties of semiconductor materials[2-3]

在宇宙空間中,存在惡劣的輻射環境,其主要組成部分包括質子、電子及少量重離子[5]。輻射會在半導體器件中引入缺陷,導致器件性能退化甚至發生燒毀。根據高能粒子和半導體器件作用的方式不同,輻射效應可以分為電離效應和位移損傷效應,電離效應包括總劑量效應和單粒子效應[6-7]。總劑量效應是材料原子吸收高能粒子在器件內部電離的能量,長時間累積形成氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷,引起器件的電學參數變化,最終退化失效。單粒子效應是由單個高能粒子撞擊器件的敏感區,產生大量的電子-空穴對被器件內部電場收集,導致半導體器件出現軟錯誤或者硬錯誤[3]。軟錯誤可以通過斷電重啟恢復到正常狀態,通常出現在存儲器和邏輯器件中;硬錯誤是不可恢復的永久損傷,典型的包括單粒子燒毀(single event burnout, SEB)和單粒子柵擊穿(single event gate rupture, SEGR),它們是影響功率器件可靠性的重要威脅[7]。航天器在軌運行的高度和傾角不同,輻射環境也不同。對于長期在軌運行(超過5年)的航天型號,器件的抗總劑量指標要達到100 krad(Si)(注:1 rad=10-2Gy)。單粒子效應通常采用重離子的線性能量傳輸(linear energy transport, LET)值描述,根據歐洲航天局的相關規定,當器件抗單粒子LET閾值超過60 MeV·cm2/mg時,可忽略單粒子效應風險。

由于在GaN HEMT器件中,N—Ga鍵和N—Al鍵結合強度高,生成的GaN、AlN及AlGaN等化合物具有較高的穩定性,可以產生較高的位移損傷能量閾值(19～25 eV),并且二維電子氣(two-dimensional electron gas, 2DEG)對GaN中的缺陷不敏感,所以GaN功率器件具有較強的抗位移損傷能力[8-9]。GaN的禁帶寬度大,理論上也具有出色的抗電離輻射能力,但在實際中,GaN材料內部存在高密度的缺陷,而且目前GaN器件對工藝要求較高,這些因素給GaN功率器件的抗輻射特性帶來巨大的挑戰。本文圍繞國內外在GaN功率器件的研究情況,總結了GaN功率電子器件的典型結構,概述了GaN功率器件的總劑量效應和單粒子效應研究成果,并對GaN功率器件的輻射效應機理進行分析和討論。

1 GaN HEMT器件的典型結構和工作原理

早期的GaN HEMT器件為耗盡型(也稱常開型)器件,但在空間應用領域里,出于保障系統安全運行的考慮,并且為了簡化驅動電路,通常需要具備常關特性[10],逐漸發展了增強型器件。

1.1 耗盡型GaN HEMT器件

圖2[5]所示為耗盡型GaN HEMT器件剖面結構和能帶示意圖。圖中Ec為導帶能級,EF為費米能級,ΔEc為AlGaN勢壘層和GaN溝道層的導帶差,d為勢壘層厚度。AlGaN與GaN形成異質結,在自發極化和壓電極化作用下,體內會誘發指向AlGaN的極化電場,場強可達MV/cm量級[11],強電場可形成高密度的2DEG。器件的源極和漏極與勢壘層形成歐姆接觸,在源極和漏極之間施加橫向電壓VDS,控制2DEG在溝道中輸運形成電流;柵極與勢壘層之間沉積一層絕緣介質,避免柵極漏電過大,形成金屬-絕緣體-半導體高電子遷移率晶體(metal-insulator-semiconductor high-electron-mobility transistors, MIS-HEMT)結構,通過柵電壓VGS對2DEG的耗盡作用控制溝道的導通和關斷。

(a) 耗盡型GaN HEMT剖面結構(a) Schematic diagram of cross-section structure of depletion-mode GaN HEMT

(b) 耗盡型GaN HEMT能帶示意圖(b) Energy band diagram of depletion-mode GaN HEMT

1.2 增強型GaN HEMT器件

目前,圍繞GaN基功率電子器件的增強型技術主要有以下4種。

1.2.1 共源共柵結構

將高壓耗盡型GaN HEMT與低壓增強型Si金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)級聯,形成共源共柵(Cascode)結構[4],如圖3[4]所示。

圖3 Cascode結構示意圖[4]Fig.3 Schematic diagram of the Cascode structure[4]

由于現代工藝技術的進步,低壓增強型Si MOSFET高度成熟且成本較低,它們的擊穿電壓、工作速度、導通電阻和電流水平能夠與高于600 V的GaN器件高度匹配[12]。從結構上看,利用低壓增強型Si MOSFET的柵極控制器件的開啟和關閉,既繼承了 Si MOSFET 的高閾值電壓和大跨導,同時又保持了耗盡型 GaN HEMT高擊穿電壓特性。但是這種結構引入了Si器件,對封裝要求高,還會引入寄生電感,影響器件的高頻性能[13]。

1.2.2 槽柵刻蝕形成的MIS-HEMT結構

通過刻蝕AlGaN的厚度從而局部削弱極化強度,耗盡柵極下方的2DEG,提高器件的閾值電壓Vth,實現器件的增強型[4,13]。該技術通常將槽柵刻蝕與柵極電介質淀積相結合,引入一層絕緣介質,來抑制柵極漏電流[10],從而形成MIS-HEMT或MOS-HEMT結構,如圖4[4,13]所示。

圖4 MIS-HEMT結構示意圖[4,13]Fig.4 Schematic diagram of MIS-HEMT structure[4,13]

盡管這種結構可以大幅度減小器件的柵極漏電流,但也引入了電介質和氮化物之間的界面態,界面上陷阱會在器件開關轉換中充放電從而導致Vth的不穩定[4]。另外,在刻蝕的過程中,均勻性控制和刻蝕損傷也是面臨的主要挑戰,這些都制約著MIS-HEMT商業化的進程。

1.2.3 p-GaN蓋帽層結構

該技術是在耗盡型GaN HEMT柵極下引入一層p型材料,如圖5[14]所示。p-GaN可與AlGaN勢壘層形成異質結,由于p型摻雜具有提高能帶的作用,AlGaN的導帶被抬升,溝道中的2DEG被耗盡,從而獲得器件的常關特性[14]。p-GaN蓋帽層僅在柵下抬高AlGaN/GaN異質結的能帶,不影響其他區域的2DEG密度,因此這種增強型器件的導通電阻低,輸出電流密度大,這也是目前唯一可以商購的真正的增強型GaN HEMT器件[12]。

(a) p-GaN蓋帽層結構示意圖(a) Schematic diagram of the structure with p-GaN capping layer

(b) p-GaN蓋帽層能帶示意圖(b) Energy band diagram with p-GaN capping layer

1.2.4 F離子注入

F離子具有很強的電負性,注入緊密晶格的異質結后易俘獲自由電子并成為固定的負電荷[15],這些負電荷可提高肖特基柵的勢壘高度,并耗盡柵極下方溝道中的2DEG,從而形成增強型結構,如圖6[15]所示(圖中ΦB為F離子注入前的表面能帶高度,ΦF為注入后能帶提高的高度)。然而,注入的F離子熱穩定性較差,注入深度也不易控制,在高溫下會影響器件的可靠性。該技術在商業化領域基本上已經不再采用。

圖6 F離子注入形成的增強型HEMT及其能帶圖[15]Fig.6 Schematic diagram of normally-off HEMT and its energy band formed by F ion implantation[15]

2 GaN HEMT器件總劑量效應

2.1 總劑量輻照試驗結果

對于GaN功率器件,由于采用異質結代替了柵氧化層工藝,電離產生的電荷不會在器件內部累積,理論上具有較強的抗電離輻射特性[16]。從21世紀開始,國內外的科研機構對GaN基HEMT器件進行了抗輻照研究,早期輻照試驗的典型結果匯總如表1所示。

表1 總劑量輻照試驗典型結果匯總

根據表1中文獻報道,輻照試驗的總劑量達到幾十甚至上百Mrad(Si),試驗結果顯示輻照對AlGaN/GaN HEMT器件的影響幾乎可以忽略,GaN器件具有卓越的抗總劑量能力。

同時,也有不少學者研究了在不超過1 Mrad(Si)的低劑量下GaN HEMT器件的輻照響應。Bhuiyan等研究了X射線輻射和電場應力的組合效應對于MOS-HEMT的影響[21],試驗結果如圖7[21]所示。漏極偏壓會導致Vth正向偏移,零偏壓輻照會導致Vth負向偏移,而在正偏壓輻照下,Vth的變化則處于二者之間。

圖7 漏極偏壓、零偏壓輻照和正偏壓輻照對 MOS-HEMT閾值電壓的影響[21]Fig.7 Effects of drain bias, 0 V bias irradiation and positive-bias irradiation on the threshold voltage of MOS-HEMT[21]

對于MOS-HEMT器件,通過交流跨導測量發現,當只加電應力時,在漏極偏壓的驅動下,介質層中可以俘獲來自柵極泄漏的電子,形成虛柵耗盡2DEG從而導致Vth的正向偏移。當只加X射線時,輻射會在柵絕緣層中誘導出空穴,從而引入了氧化層固定電荷和界面態電荷,導致Vth負向偏移。而在輻射和電場應力的組合作用下,輻射誘導的空穴陷阱和偏壓誘導的負電荷相互補償,Vth偏移值的大小取決于二者的相對競爭效率,這與Sun等研究的結果一致[22]。

Jiang等對Cree公司和Qorvo公司生產以及實驗室研發的三種耗盡型GaN功率器件進行了高低不同劑量率X射線輻照[23],發現耗盡型GaN器件沒有低劑量率損傷增強效應(enhanced low dose rate sensitivity, ELDRS)。作為對比,陳思遠等對兩種不同結構的增強型GaN功率器件進行了高、低劑量率60Co γ輻照試驗,結果表明 p-GaN和Cascode結構的GaN功率器件都不具有ELDRS效應[24]。另外,對于p-GaN結構,在100 krad(Si)輻照后,器件參數特性曲線無明顯變化;對于Cascode結構,當輻照劑量達到35 krad(Si)時,Vth偏移就已經超過限值,如圖8[24]所示。

圖8 高、低劑量率輻照下Cascode器件的 Vth退化曲線[24]Fig.8 Vth degradation curve of Cascode devices under high and low dose rate irradiation[24]

從試驗結果來看,p-GaN結構的器件具有較強的抗總劑量特性。由于柵和溝道之間沒有氧化層,總劑量輻照主要在AlGaN勢壘層和GaN溝道層界面產生界面態陷阱,從而引起器件的性能退化。勢壘層的厚度較薄,輻照產生的陷阱電荷遷移率較低,從而大大減少了界面態電荷數量,這或許是p-GaN結構的器件抗總劑量能力強的原因。另外,對于p-GaN結構的器件,材料本身存在高密度的缺陷,輻照即使產生更多的缺陷也不會影響它的性能[25]。陳睿等的研究表明,p-GaN結構的器件抗總劑量效應水平高達1 Mrad(Si)[26]。

Cascode結構的器件性能退化較為明顯,這可能是由于Si基MOS管對總劑量效應敏感,輻照在二氧化硅層產生氧化物陷阱電荷引起的。

2.2 總劑量效應機理分析

受制于材料質量、工藝水平和器件結構等多種因素的影響,總劑量輻照導致GaN功率器件性能退化的物理機制尚未形成明確的共識,不同課題組下的研究結果也會存在矛盾之處,對比多數研究者的試驗結果,可做如下討論:

1)對于不加電狀態下的輻照,可以認為是 X或γ 射線在 AlGaN 勢壘層中引入了受主型缺陷所致。Emtesv 等利用拉曼光譜研究了GaN HEMT器件中γ輻照產生的缺陷,發現輻照會同時引入相互補償的缺陷——氮空位和間隙氮原子,并且這兩種缺陷產生率相同,取決于樣品的摻雜水平[27-28]。氮空位呈現施主態,能級很淺、靠近導帶,而間隙氮原子呈現受主態,能級接近禁帶中線[29]。以耗盡型的AlGaN/GaN HEMT器件異質結能帶圖為例,如圖9[19]所示(圖中EV為價帶能級)。由于采用肖特基柵,柵極下的AlGaN層能帶傾斜度更大。柵極零偏壓下,靠近柵極的部分受主缺陷能級位于費米能級EF上方,失去電子變為中性,同時將電子貢獻給溝道,使得溝道2DEG密度增加,Vth負向偏移[19,30]。AlGaN勢壘層缺陷的電荷不守恒,呈現施主態,即空穴陷阱。但是由于受主缺陷數量較少,貢獻的電荷數量有限,漏極電流IDS和Vth變化不明顯。

圖9 鈍化層和柵極下的能帶結構示意圖[19]Fig.9 Schematic of the band structure under the passivation layer and gate[19]

2)對于加電狀態下的輻照,由于γ射線能量高,具有較強的穿透力。通常情況下,γ射線與柵極作用產生大量的電子-空穴對會迅速復合[7],但在電應力下,由于柵極邊緣處存在強電場,更多的電子會從柵極隧穿到柵漏之間的勢壘層,如圖10[30]所示。勢壘層中俘獲電子的陷阱表現為負電荷,形成虛柵,對溝道中的2DEG有耗盡作用,導致漏串聯電阻增加,漏極電流IDS下降,Vth正向偏移。但是輻射本身會在AlGaN層引入施主態陷阱,器件的最終退化程度取決于電應力和輻照的共同作用結果。

(a) 無電應力(a) Without electrical stress

(b) 有電應力(b) Under electrical stress

總結國內外研究結果可以得出,GaN HEMT器件的抗電離總劑量能力較強,特別是對于p-GaN結構的器件,對總劑量輻照不敏感,有望用于空間電源系統。

3 GaN HEMT器件單粒子效應

3.1 重離子輻照試驗結果

關于GaN HEMT器件的單粒子效應,國內外開展了廣泛的試驗研究,多數結果表明GaN功率器件的抗單粒子能力偏弱,對SEB較為敏感。

在單粒子試驗中,采用不同LET值的重離子對四家主流廠商生產的商業增強型GaN HEMT器件進行輻照,結果匯總如表2所示。

表2 不同LET值和偏壓下GaN HEMT 器件的重離子試驗結果Tab.2 Heavy ion test results of GaN HEMT devices with different LET values and bias voltages

續表

從試驗結果匯總的數據可以看出:

1) 工作在低于額定電壓下的器件不易發生SEB,表明低電壓下的GaN HEMT器件具有較強的抗單粒子燒毀能力。Lidow等證明了40 V p-GaN結構的器件在LET值高達89 MeV·cm2/mg的重離子輻照下,沒有出現任何故障[35]。

2) 較低LET離子輻射作用下,不易發生SEB,甚至不會出現性能退化。陳睿等的研究結果顯示在LET值為37 MeV·cm2/mg的重離子輻照下,650 V p-GaN結構的器件的電學參數沒有明顯變化[26]。隨著LET值的增加,發生SEB的閾值電壓越低,大幅度降低了器件的性能。LET值越高,電離注入的電荷越多[36],因此器件抗單粒子能力越差。對于不同重離子的輻照,Mizuta等的研究發現SEB的發生僅取決于離子的LET值和漏極偏壓,而與離子種類、能量和射程無關,且最惡劣的柵極偏置條件是柵偏壓為0 V或更低[37],這一點與Scheick等[32]的發現一致。

3) 重離子輻照會對器件造成累積損傷,導致泄漏電流增加。Abbate等研究表明,當偏置電壓以10 V的步長從20 V到90 V變化時,每次輻照后,漏極泄漏電流都有增加[33]。這種輻照損傷是由于重離子在入射軌跡非常小的區域內釋放出大量的能量,這導致溫度大幅上升,造成器件的永久性損傷,從而導致關態漏電流增加。研究發現關態漏電流隨入射離子注量和漏極偏置電壓的增加而增大。關于漏極電流的增加,存在兩種解釋。一種是在源極和漏極之間漏電:Scheick等分析最靠近柵極邊緣的漏側經受最大的電場應力,對該區域的離子撞擊可能會損壞柵極結構,使得器件的柵極局部開啟[32]。柵極損傷降低了局部區域的Vth,在漏極和源極之間引入了泄漏路徑,漏電增大,但這種機制只會影響柵極區域的AlGaN勢壘層的結構,不會導致柵極電流增加。另外一種是在柵極和漏極之間漏電:Kuboyama等在試驗中發現柵極和漏極泄漏電流同時增加,并且它們的數量級和變化幅度也相同[38]。這表明重離子輻照在肖特基柵極接觸處引入了漏電路徑,電流從漏極流向柵極,導致二者的泄漏電流同時增大。

4) 在相同輻射條件下,不同廠家生產的GaN器件發生SEB的閾值電壓不同,表明GaN器件的單粒子效應敏感性與器件的結構和工藝參數有關,這為GaN器件的抗輻射加固提供了可行性。

由于SEB的機制尚未完全開發,對GaN功率器件的單粒子效應研究結果也各不相同。通過失效分析發現,柵極區域的毀壞會引起漏極電流增大,從而導致器件的災難性損壞,這是GaN器件發生SEB的典型特征,即多數故障發生在柵極邊緣的漏側,如圖11[26,36]所示。

圖11 顯微鏡下GaN器件SEB故障點(柵極邊緣) [26,36]Fig.11 SEB failure points (located at the gate edge) of GaN device under microscope [26,36]

Liang等利用金相顯微鏡對Cascode結構器件的損傷部位進行分析,發現高壓耗盡型GaN HEMT的柵區和漏區之間有明顯燒毀現象[39],分析認為重離子入射誘發的電子在柵極邊緣高電場的作用下不斷向AlGaN勢壘層注入并形成積累,最終隧穿柵勢壘,形成了一條柵漏導電路徑,導致器件的源漏端出現大電流,引發SEB。

Martinez等通過對燒毀器件進行失效分析發現,始終存在一個隨機位于柵極和漏極之間的區域,將柵極和漏極短接[40]。通過捕捉示波器的波形發現,SEB發生時,漏極電壓同時下降,柵極電壓急劇上升。其分析認為是由于重離子撞擊柵極和漏極之間的高電場區域,電離的電荷在空間電荷區雪崩,促使柵極和漏極短暫連接。當柵極電壓升高后,發生一系列不可逆過程,如柵控溝道的強開啟、柵源之間電介質的擊穿、泄漏電流瞬間產生大量熱量等,導致器件發生SEB。對這一假設還需要進一步分析驗證。

仿真研究發現,在高漏極偏壓下,器件的峰值電場集中在柵極邊緣的漏側,當重離子入射到這一區域時,高電場可以加速載流子碰撞電離產生更多的載流子,觸發背溝道效應和雙極晶體管效應[41],發生SEB。Zerarka等通過對p-GaN結構的GaN器件進行仿真分析,提出單粒子燒毀機制:重離子在高電場下誘發雪崩現象,短時間集聚大量能量,產生較大的位移電流,造成器件發生SEB[42]。這種機制與Scheick等的推論一致。Zhen等通過仿真在p-GaN結構的基礎上提出一種具有柵漏雙場板的抗輻照加固結構[43],場板的引入不僅可以提高器件的擊穿電壓,而且可以優化電場分布,緩解原有的電場峰值[44],降低載流子的碰撞產生率,有效地降低了觸發SEB的可能性。王穎團隊仿真發現柵場板區域存在的強電場是器件的敏感區域,并提出多種抗輻射加固結構[45-48]。

3.2 單粒子效應機理分析

目前,國際上還未形成權威的GaN HEMT器件單粒子損傷機理。結合國內外對GaN HEMT器件的重離子試驗及仿真結果,單粒子損傷機理可能與兩種機制有關,如圖12[41]所示。

(a) 重離子入射瞬間(a) The moment of heavy ion impact

(b) 雙極晶體管效應示意圖(b) Schematic diagram of the bipolar effect

(c) 背溝道效應示意圖(c) Schematic diagram of the back-channel effect

1) 雙極晶體管效應:當重離子穿過器件的有源區時,沿著離子軌跡會產生大量的電子-空穴對。電子在漏極處被快速收集,在GaN緩沖層中留下多余的空穴,降低了源極和緩沖層的勢壘。因此電子開始由源極(寄生雙極晶體管的發射極)注入基極(離子碰撞后剩余的過量空穴),并在漏極(寄生雙極晶體管的集電極)被收集,導致寄生雙極晶體管的導通[33,41]。

2) 背溝道效應:柵極下方聚集的正電荷降低了源極和溝道間的勢壘,從而允許電子通過溝道從源極注入漏極,形成大電流[45]。

仿真研究發現,當GaN HEMT器件處于高漏極偏壓下,在柵極邊緣的漏側或柵場板的末端存在峰值電場,當重離子入射到這一區域時,會碰撞電離產生大量的電子-空穴對。由于柵極下可移動載流子數量增加,柵極下方區域的電阻和承受的電壓減小,電場隨時間向漏極轉移,漏端的電場逐漸增大,如圖13[43,47]所示。漏極附近的高電場使流入漏極的電子碰撞電離率更大,集聚的載流子密度高,觸發瞬態大電流導致器件發生SEB。

圖13 重離子撞擊后GaN溝道層電場的變化[43,47]Fig.13 Variation of electric field in GaN channel layer after heavy ion′s striking[43,47]

國內外對GaN功率器件的單粒子效應的研究取得了一定的成果,但已有的數據和仿真模型還不能清晰、完整地解釋GaN功率器件發生SEB的機制。不同結構的GaN器件的單粒子敏感區域是否相同?溫度對單粒子試驗是否有影響?重離子輻照引起的漏電與SEB是否有聯系?上述一系列問題需要進一步探索。目前的仿真實驗未涉及GaN功率器件的性能退化,離子入射角度等因素對于器件的影響也缺乏充分的數據,需要繼續開展試驗研究,結合微觀物理分析和仿真驗證手段,探索GaN功率器件發生單粒子效應的內在機理,并為器件加固提供理論支撐。

4 宇航級GaN功率器件的應用與展望

目前圍繞著GaN功率電子器件的研發工作主要分為兩種方案:一種是制作垂直結構的GaN器件,另一種是在Si襯底上制作平面結構的GaN器件。相比于平面結構而言,垂直結構的GaN功率器件可以減緩表面態引起的電流崩塌效應、獲得更高的擊穿電壓和提高功率密度,但發展相對緩慢,而基于HEMT結構的平面型GaN器件是目前的主流技術方案。圖14[49]是法國原子能委員會電子與信息技術實驗室規劃的GaN功率器件技術路線圖[49]。對于中低功率GaN器件,由GaN晶體管逐漸向單片集成的片上系統發展;對于高功率GaN器件,朝著超緊湊型智能功率模塊發展。因此,減小器件的尺寸和質量、提高器件的可靠性和系統的功率密度、降低成本是GaN功率器件的發展趨勢。

圖14 GaN功率器件技術路線圖[49]Fig.14 Technology road map of GaN power devices[49]

對于宇航級GaN功率器件,國外已經推出部分產品,但也還處于探索階段。美國Intersil公司在2018年發布了第一款100 V宇航級GaN功率器件的產品。2020年,美國Teledyne e2v HiRel公司與加拿大GaN Systems公司合作推出100 V/90 A GaN HEMT器件,滿足軍事和宇航應用。日本瑞薩電子公司在2018年成功研制了航天工業級GaN HEMT驅動器,同年松下公司發布了 MIS-HEMT型GaN功率器件[50],滿足日本宇航局的抗輻射要求。為了滿足空間應用,國內外針對GaN功率器件提出了多種抗輻照加固方案。從工藝角度,提高GaN溝道層的厚度可以降低異質結中位錯和缺陷的密度,改善器件的抗輻射特性;在器件表面淀積鈍化層可以抑制界面態密度[51],提高GaN器件的抗輻射能力。從結構角度,除了緩存層引入摻雜塞[45]、嵌入肖特基接觸[48]、引入背勢壘層和場板結構等技術之外,Liu等提出了AlGaN溝道層結構的GaN功率器件,不僅將關態泄漏電流降低了兩個數量級,仿真發現還提高了器件的SEB閾值[52]。這些研究成果有助于推動宇航級GaN功率器件在新一代航天器中的應用,促進我國第三代半導體器件的發展。

5 總結

本文介紹了目前GaN功率電子器件的主要結構,綜述了近年來國內外對GaN功率器件的總劑量效應和單粒子效應的研究成果,并對GaN功率器件的總劑量效應和單粒子效應的機理進行了分析和討論。試驗數據表明,GaN功率器件具有較強的抗總劑量能力,但是抗單粒子能力較弱,易發生漏電和單粒子燒毀。雖然目前對于單粒子輻照下GaN功率器件損傷機理有不少研究,但缺乏權威結論。為了滿足空間應用需求、促進新一代航天器發展,需要繼續針對GaN功率器件的輻照效應開展試驗,進一步研究GaN功率器件的輻照損傷機理,建立輻射缺陷演化的物理模型,并為器件加固提供理論支撐,這也將是未來一段時間內GaN功率器件的研究熱點。