半导体产业网获悉：近日，电子科技大学功率集成技术实验室罗小蓉教授团队联合华润微电子(重庆)有限公司，在学术期刊IEEE Electron Device Letters发表了一篇名为Experimental Study of Heavy Ion Irradiation Hardness for p-GaN HEMTs Under Off-state with Negative Gate Voltage的学术论文。
氮化镓（GaN）材料的禁带宽度大，临界击穿电场高达3 MV/cm，这使得在相同的击穿电压等级下，GaN功率器件的尺寸更小，功率密度更高。同时，对于基于AlGaN/GaN异质结的GaN HEMT而言，AlGaN/GaN界面处高浓度的二维电子气（2DEG）具有较高的电子迁移率，极大地降低了GaN HEMT的导通损耗，这也意味着在规格相同的条件下，GaN HEMT的输出电流密度将高于其它材料的器件。因此，相较于传统Si基功率器件，GaN功率器件不仅能降低电源模块的体积和重量，同时还能提高电能转换效率，使航天器的飞行性能提升并丰富了航天器的任务功能。尽管近年来，针对GaN HEMT器件的单粒子效应研究已经取得了部分成果，但在单粒子效应的产生机制、影响因素、测试方法等方面仍存在着许多未知和不确定性。因此，开展针对GaN HEMT器件的抗辐射可靠性能研究可以完善单粒子效应的机理，开发出具有更高性能的抗辐射功率器件，对推动GaN HEMT在辐射环境中的应用具有深远的意义。
本文对100-V增强型p-GaN栅HEMT的单粒子效应进行研究，并通过钽（Ta）离子辐照实验第一次验证了对阻断态器件施加负栅压可增强抗单粒子效应的能力。与处于零栅压阻断态的对照组相比，负栅压阻断态下器件单粒子瞬态电流可明显下降超过一个数量级，且呈现更高的单粒子烧毁电压（VSEB）。此外，在经历过相同的辐照剂量后，处于负栅压阻断态和处于零栅压阻断态的p-GaN栅HEMT相比，其栅电容CG、阈值电压Vth与关态泄漏电流IDSS等电学特性的退化幅度改善明显，展现出良好的辐照鲁棒性。通过结合TCAD仿真工具进一步揭示了相关机理，即施加负栅压能有效降低辐照产生的空穴载流子密度，从而降低了单粒子瞬态电流；且辐照在肖特基结、AlGaN/GaN界面以及缓冲层内产生的类受主陷阱则可分别通过CG、Vth与IDSS的退化情况来表征。
本工作中，团队对处于负栅压阻断态和零栅压阻断态的器件进行了破坏性与非破坏性辐照实验。辐射离子为线性能量转移（LET）为78.40 MeV/(mg/cm2)的Ta离子。在整个辐照过程中，平均辐照剂量率维持在1.0 × 104 ions∙cm-2∙s-1。如图1(a)所示，在破坏性实验中，漏源电压（VDS）以10 V的步长从110 V开始逐渐增加直至器件发生烧毁；当栅极电压为-4V时，器件的VSEB为145V，高于栅极电压为0V时的135V。非破坏性实验则是对器件施加剂量为1.5 × 106 ions∙cm-2的辐照，如图1(b)所示，当VDS越高，器件内的电场峰值越高，重离子通过碰撞电离产生更多的电子-空穴对，辐照期间的瞬态电流峰值越高；而栅极电压越负，则辐照期间的瞬态电流峰值越低，意味着负栅极电压可有效改善器件的抗辐照鲁棒性。
图1 栅压为(a) -4V和(b) 0V时的单粒子烧毁特性。(c)不同漏极电压与(d)不同栅极电压下的单粒子瞬态电流曲线对比
团队进一步通过Sentaurus TCAD仿真工具揭示了负栅压增强器件抗辐照鲁棒性的机理。从图2(a)可以看出，与零栅压相比，负栅压将栅叠层处的价带向下拉低，有效降低了器件体区内因辐照产生的空穴浓度。图2(b)提取并对比了重离子入射50 ps后栅压为-4 V和0 V的空穴分布，栅压为-4 V时P点的空穴浓度低至2.55 × 1017 cm-3，相较于栅压为0 V时P点的空穴浓度降低了96.36%，这一结果佐证了负栅压可以使辐照期间积聚器件体区内的空穴数目显著减少。图2(c)展示了沿切线CC’的空穴浓度与导带分布，可以看出，栅压为-4 V时体区内的空穴浓度更低，这使得此时栅下的电子势垒被大幅抬升，抑制了源极电子向沟道注入，使瞬态电流峰值降低。此外，图2(d)展示了沿切线CC’的电场分布曲线，当栅压为-4 V时，体区内的低空穴浓度也降低了P点处的电场峰值，得以减少辐照产生的相关缺陷，进一步抑制了负栅压阻断态下器件的辐照后电学性能退化。重离子辐照前后后器件的CG、Vth与IDSS等电学性能测试结果如图3所示，负栅压有效改善了辐照后的性能退化情况。
图2 栅压为(a) 辐照期间沿栅叠层处的能带示意图。(b) 栅压为-4V和0V时的二维空穴浓度分布图。(c) 沿切线CC’的能带与电子浓度分布图。 (d) 沿切线CC’的电场分布曲线。
图3 (a) 辐照前后的栅电容变化情况。(b) 辐照前后的转移特性曲线对比。 (c) 辐照前后的阻断态泄漏电流对比。
电子科技大学博士生谢欣桐为论文第一作者，罗小蓉教授、邓高强副教授与周锌副研究员为论文共同通讯作者。本工作是在重庆市技术创新与应用发展专项重大项目、国家自然科学基金和以及电子薄膜与集成器件国家重点实验室开放基金等项目的支持下完成。
原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10902430
（电子科技大学功率集成技术实验室罗小蓉教授团队 供稿）
