半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)獲悉：近日，電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室羅小蓉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華潤(rùn)微電子(重慶)有限公司，在學(xué)術(shù)期刊IEEE Electron Device Letters發(fā)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(xué)術(shù)論文。

氮化鎵（GaN）材料的禁帶寬度大，臨界擊穿電場(chǎng)高達(dá)3 MV/cm，這使得在相同的擊穿電壓等級(jí)下，GaN功率器件的尺寸更小，功率密度更高。同時(shí)，對(duì)于基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)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(dǎo)通損耗，這也意味著在規(guī)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(tǒng)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(shí)還能提高電能轉(zhuǎn)換效率，使航天器的飛行性能提升并豐富了航天器的任務(wù)功能。盡管近年來(lái)，針對(duì)GaN HEMT器件的單粒子效應(yīng)研究已經(jīng)取得了部分成果，但在單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素、測(cè)試方法等方面仍存在著許多未知和不確定性。因此，開(kāi)展針對(duì)GaN HEMT器件的抗輻射可靠性能研究可以完善單粒子效應(yīng)的機(jī)理，開(kāi)發(fā)出具有更高性能的抗輻射功率器件，對(duì)推動(dòng)GaN HEMT在輻射環(huán)境中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。

本文對(duì)100-V增強(qiáng)型p-GaN柵HEMT的單粒子效應(yīng)進(jìn)行研究，并通過(guò)鉭（Ta）離子輻照實(shí)驗(yàn)第一次驗(yàn)證了對(duì)阻斷態(tài)器件施加負(fù)柵壓可增強(qiáng)抗單粒子效應(yīng)的能力。與處于零柵壓阻斷態(tài)的對(duì)照組相比，負(fù)柵壓阻斷態(tài)下器件單粒子瞬態(tài)電流可明顯下降超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)，且呈現(xiàn)更高的單粒子燒毀電壓（V_SEB）。此外，在經(jīng)歷過(guò)相同的輻照劑量后，處于負(fù)柵壓阻斷態(tài)和處于零柵壓阻斷態(tài)的p-GaN柵HEMT相比，其柵電容C_G、閾值電壓V_th與關(guān)態(tài)泄漏電流I_DSS等電學(xué)特性的退化幅度改善明顯，展現(xiàn)出良好的輻照魯棒性。通過(guò)結(jié)合TCAD仿真工具進(jìn)一步揭示了相關(guān)機(jī)理，即施加負(fù)柵壓能有效降低輻照產(chǎn)生的空穴載流子密度，從而降低了單粒子瞬態(tài)電流；且輻照在肖特基結(jié)、AlGaN/GaN界面以及緩沖層內(nèi)產(chǎn)生的類(lèi)受主陷阱則可分別通過(guò)C_G、V_th與I_DSS的退化情況來(lái)表征。

本工作中，團(tuán)隊(duì)對(duì)處于負(fù)柵壓阻斷態(tài)和零柵壓阻斷態(tài)的器件進(jìn)行了破壞性與非破壞性輻照實(shí)驗(yàn)。輻射離子為線性能量轉(zhuǎn)移（LET）為78.40 MeV/(mg/cm²)的Ta離子。在整個(gè)輻照過(guò)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(shí)驗(yàn)中，漏源電壓（V_DS）以10 V的步長(zhǎng)從110 V開(kāi)始逐漸增加直至器件發(fā)生燒毀；當(dāng)柵極電壓為-4V時(shí)，器件的V_SEB為145V，高于柵極電壓為0V時(shí)的135V。非破壞性實(shí)驗(yàn)則是對(duì)器件施加劑量為1.5 × 10⁶ ions?cm^-2的輻照，如圖1(b)所示，當(dāng)V_DS越高，器件內(nèi)的電場(chǎng)峰值越高，重離子通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，輻照期間的瞬態(tài)電流峰值越高；而柵極電壓越負(fù)，則輻照期間的瞬態(tài)電流峰值越低，意味著負(fù)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(shí)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(tài)電流曲線對(duì)比

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)Sentaurus TCAD仿真工具揭示了負(fù)柵壓增強(qiáng)器件抗輻照魯棒性的機(jī)理。從圖2(a)可以看出，與零柵壓相比，負(fù)柵壓將柵疊層處的價(jià)帶向下拉低，有效降低了器件體區(qū)內(nèi)因輻照產(chǎn)生的空穴濃度。圖2(b)提取并對(duì)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(shí)P點(diǎn)的空穴濃度低至2.55 × 10¹⁷ cm^-3，相較于柵壓為0 V時(shí)P點(diǎn)的空穴濃度降低了96.36%，這一結(jié)果佐證了負(fù)柵壓可以使輻照期間積聚器件體區(qū)內(nèi)的空穴數(shù)目顯著減少。圖2(c)展示了沿切線CC’的空穴濃度與導(dǎo)帶分布，可以看出，柵壓為-4 V時(shí)體區(qū)內(nèi)的空穴濃度更低，這使得此時(shí)柵下的電子勢(shì)壘被大幅抬升，抑制了源極電子向溝道注入，使瞬態(tài)電流峰值降低。此外，圖2(d)展示了沿切線CC’的電場(chǎng)分布曲線，當(dāng)柵壓為-4 V時(shí)，體區(qū)內(nèi)的低空穴濃度也降低了P點(diǎn)處的電場(chǎng)峰值，得以減少輻照產(chǎn)生的相關(guān)缺陷，進(jìn)一步抑制了負(fù)柵壓阻斷態(tài)下器件的輻照后電學(xué)性能退化。重離子輻照前后后器件的C_G、V_th與I_DSS等電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示，負(fù)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(shí)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(chǎng)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(zhuǎn)移特性曲線對(duì)比。 (c) 輻照前后的阻斷態(tài)泄漏電流對(duì)比。

電子科技大學(xué)博士生謝欣桐為論文第一作者，羅小蓉教授、鄧高強(qiáng)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(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和以及電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金等項(xiàng)目的支持下完成。

原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10902430

（電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室羅小蓉教授團(tuán)隊(duì) 供稿）