半導體產業網獲悉：近日，電子科技大學功率集成技術實驗室羅小蓉教授團隊聯合華潤微電子(重慶)有限公司，在學術期刊IEEE Electron Device Letters發表了一篇名為Experimental Study of Heavy Ion Irradiation Hardness for p-GaN HEMTs Under Off-state with Negative Gate Voltage的學術論文。
氮化鎵（GaN）材料的禁帶寬度大，臨界擊穿電場高達3 MV/cm，這使得在相同的擊穿電壓等級下，GaN功率器件的尺寸更小，功率密度更高。同時，對于基于AlGaN/GaN異質結的GaN HEMT而言，AlGaN/GaN界面處高濃度的二維電子氣（2DEG）具有較高的電子遷移率，極大地降低了GaN HEMT的導通損耗，這也意味著在規格相同的條件下，GaN HEMT的輸出電流密度將高于其它材料的器件。因此，相較于傳統Si基功率器件，GaN功率器件不僅能降低電源模塊的體積和重量，同時還能提高電能轉換效率，使航天器的飛行性能提升并豐富了航天器的任務功能。盡管近年來，針對GaN HEMT器件的單粒子效應研究已經取得了部分成果，但在單粒子效應的產生機制、影響因素、測試方法等方面仍存在著許多未知和不確定性。因此，開展針對GaN HEMT器件的抗輻射可靠性能研究可以完善單粒子效應的機理，開發出具有更高性能的抗輻射功率器件，對推動GaN HEMT在輻射環境中的應用具有深遠的意義。
本文對100-V增強型p-GaN柵HEMT的單粒子效應進行研究，并通過鉭（Ta）離子輻照實驗第一次驗證了對阻斷態器件施加負柵壓可增強抗單粒子效應的能力。與處于零柵壓阻斷態的對照組相比，負柵壓阻斷態下器件單粒子瞬態電流可明顯下降超過一個數量級，且呈現更高的單粒子燒毀電壓（VSEB）。此外，在經歷過相同的輻照劑量后，處于負柵壓阻斷態和處于零柵壓阻斷態的p-GaN柵HEMT相比，其柵電容CG、閾值電壓Vth與關態泄漏電流IDSS等電學特性的退化幅度改善明顯，展現出良好的輻照魯棒性。通過結合TCAD仿真工具進一步揭示了相關機理，即施加負柵壓能有效降低輻照產生的空穴載流子密度，從而降低了單粒子瞬態電流；且輻照在肖特基結、AlGaN/GaN界面以及緩沖層內產生的類受主陷阱則可分別通過CG、Vth與IDSS的退化情況來表征。
本工作中，團隊對處于負柵壓阻斷態和零柵壓阻斷態的器件進行了破壞性與非破壞性輻照實驗。輻射離子為線性能量轉移（LET）為78.40 MeV/(mg/cm2)的Ta離子。在整個輻照過程中，平均輻照劑量率維持在1.0 × 104 ions?cm-2?s-1。如圖1(a)所示，在破壞性實驗中，漏源電壓（VDS）以10 V的步長從110 V開始逐漸增加直至器件發生燒毀；當柵極電壓為-4V時，器件的VSEB為145V，高于柵極電壓為0V時的135V。非破壞性實驗則是對器件施加劑量為1.5 × 106 ions?cm-2的輻照，如圖1(b)所示，當VDS越高，器件內的電場峰值越高，重離子通過碰撞電離產生更多的電子-空穴對，輻照期間的瞬態電流峰值越高；而柵極電壓越負，則輻照期間的瞬態電流峰值越低，意味著負柵極電壓可有效改善器件的抗輻照魯棒性。
圖1 柵壓為(a) -4V和(b) 0V時的單粒子燒毀特性。(c)不同漏極電壓與(d)不同柵極電壓下的單粒子瞬態電流曲線對比
團隊進一步通過Sentaurus TCAD仿真工具揭示了負柵壓增強器件抗輻照魯棒性的機理。從圖2(a)可以看出，與零柵壓相比，負柵壓將柵疊層處的價帶向下拉低，有效降低了器件體區內因輻照產生的空穴濃度。圖2(b)提取并對比了重離子入射50 ps后柵壓為-4 V和0 V的空穴分布，柵壓為-4 V時P點的空穴濃度低至2.55 × 1017 cm-3，相較于柵壓為0 V時P點的空穴濃度降低了96.36%，這一結果佐證了負柵壓可以使輻照期間積聚器件體區內的空穴數目顯著減少。圖2(c)展示了沿切線CC’的空穴濃度與導帶分布，可以看出，柵壓為-4 V時體區內的空穴濃度更低，這使得此時柵下的電子勢壘被大幅抬升，抑制了源極電子向溝道注入，使瞬態電流峰值降低。此外，圖2(d)展示了沿切線CC’的電場分布曲線，當柵壓為-4 V時，體區內的低空穴濃度也降低了P點處的電場峰值，得以減少輻照產生的相關缺陷，進一步抑制了負柵壓阻斷態下器件的輻照后電學性能退化。重離子輻照前后后器件的CG、Vth與IDSS等電學性能測試結果如圖3所示，負柵壓有效改善了輻照后的性能退化情況。
圖2 柵壓為(a) 輻照期間沿柵疊層處的能帶示意圖。(b) 柵壓為-4V和0V時的二維空穴濃度分布圖。(c) 沿切線CC’的能帶與電子濃度分布圖。 (d) 沿切線CC’的電場分布曲線。
圖3 (a) 輻照前后的柵電容變化情況。(b) 輻照前后的轉移特性曲線對比。 (c) 輻照前后的阻斷態泄漏電流對比。
電子科技大學博士生謝欣桐為論文第一作者，羅小蓉教授、鄧高強副教授與周鋅副研究員為論文共同通訊作者。本工作是在重慶市技術創新與應用發展專項重大項目、國家自然科學基金和以及電子薄膜與集成器件國家重點實驗室開放基金等項目的支持下完成。
原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10902430
（電子科技大學功率集成技術實驗室羅小蓉教授團隊 供稿）
