在近期日本熊本市舉辦的第37屆國(guó)際功率半導(dǎo)體器件和集成電路會(huì)議（International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，ISPSD）上，南京大學(xué)江蘇省第三代半導(dǎo)體與高能效器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張榮和陸海教授研究團(tuán)隊(duì)入選了兩篇氮化鎵（GaN）功率器件輻照效應(yīng)研究論文，向國(guó)際同行展示了宇航級(jí)GaN功率器件研究最新成果。該工作是在周峰副研究員協(xié)助指導(dǎo)下完成，合作單位包括中國(guó)空間技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所、江蘇能華微電子科技發(fā)展有限公司、中國(guó)電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究所。ISPSD是功率器件領(lǐng)域最具影響力和規(guī)模最大的頂級(jí)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，本次會(huì)議發(fā)表了來(lái)自12個(gè)國(guó)家、74個(gè)機(jī)構(gòu)的研究成果，涵蓋了功率半導(dǎo)體器件、功率集成電路、工藝、封裝和應(yīng)用等多個(gè)方向。

本次南京大學(xué)入選的兩項(xiàng)工作成果如下：

1、紫外脈沖激光輻照下650V GaN功率器件的動(dòng)態(tài)非鉗位感性開關(guān)特性研究

非鉗位感性開關(guān)（UIS）能力是功率電子器件在感性負(fù)載應(yīng)用中備受關(guān)注的可靠性需求。商用p-GaN HEMT由于缺乏雪崩擊穿能力，需通過(guò)器件電容和負(fù)載電感之間的諧振效應(yīng)來(lái)維持UIS應(yīng)力下的動(dòng)態(tài)過(guò)壓和能量沖擊。當(dāng)UIS過(guò)壓超過(guò)器件的臨界閾值時(shí)，器件會(huì)發(fā)生破壞性燒毀。宇航用功率器件常通過(guò)地面加速器實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)模擬空間重離子輻射效應(yīng)，受限于離子束斑區(qū)域的緊湊空間和遠(yuǎn)程連接的復(fù)雜操控，單粒子輻照下GaN功率器件的動(dòng)態(tài)UIS特性長(zhǎng)期為研究空白，成為高頻、高功率密度GaN功率器件宇航應(yīng)用中亟需研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1. 微區(qū)紫外脈沖激光裝置與UIS測(cè)試電路以及相應(yīng)的UIS輻照波形

本工作通過(guò)開發(fā)微區(qū)紫外脈沖激光輻照實(shí)驗(yàn)技術(shù)，克服微米級(jí)區(qū)域聚焦、激光與重離子關(guān)聯(lián)性等效、厘米級(jí)區(qū)域Mapping點(diǎn)測(cè)、UIS脈沖協(xié)同等多個(gè)難題，實(shí)現(xiàn)在紫外脈沖激光模擬單粒子輻照下評(píng)價(jià)器件的UIS能力。研究表明，器件的UIS過(guò)壓從1109 V降低到897 V，衰減了19％；同時(shí)發(fā)現(xiàn)UIS過(guò)程中的沖擊能量損失降低。UIS電路建模和數(shù)值仿真模擬表明碳摻雜緩沖層中的類受體陷阱會(huì)被單粒子輻照誘導(dǎo)的電荷填充，導(dǎo)致局域電場(chǎng)增強(qiáng)，從而惡化器件的動(dòng)態(tài)過(guò)壓能力；同時(shí)UIS充放電階段的電荷不平衡分布受到輻照效應(yīng)影響，使得能量損失相較于輻照前略有降低。該項(xiàng)研究結(jié)果證實(shí)了GaN材料質(zhì)量會(huì)影響器件的UIS輻照性能，抗輻照加固設(shè)計(jì)一方面需要降低類受體陷阱濃度，改善輻照電荷俘獲造成的動(dòng)態(tài)過(guò)壓能力退化；另一方面，優(yōu)化漏極側(cè)局域強(qiáng)電場(chǎng)，避免輻照下器件提前擊穿燒毀。 

2、抗輻照加固設(shè)計(jì)AlGaN/GaN p-GaN型混合陽(yáng)極功率二極管

空間重離子入射產(chǎn)生的非平衡電荷對(duì)器件的關(guān)態(tài)阻斷能力、動(dòng)態(tài)UIS特性等都構(gòu)成嚴(yán)重威脅，由于能量快速沉積造成的單粒子燒毀（SEB）是其中的關(guān)鍵難題，被列入到JEDEC-JESD57A等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中。近些年，國(guó)際上多家公司已推出抗輻照加固設(shè)計(jì)GaN開關(guān)三極管，而在單端反激拓?fù)洹⒄ね秸髯儞Q拓?fù)涞扔詈诫娫聪到y(tǒng)中起關(guān)鍵整流作用的GaN功率二極管尚未有研究報(bào)道。

圖2. 抗輻照加固設(shè)計(jì)GaN功率二極管和輻照下電荷輸運(yùn)過(guò)程

本工作中報(bào)道了650V等級(jí)抗輻照加固GaN功率二極管，提出AlGaN/GaN p-GaN型混合陽(yáng)極結(jié)構(gòu)與異質(zhì)結(jié)外延材料相結(jié)合的雙重加固設(shè)計(jì)。器件陽(yáng)極由區(qū)域性分段分布的p-GaN層和肖特基接觸金屬組成，同時(shí)在GaN緩沖層與溝道層之間引入了8nm厚度的AlGaN層，將輻照引入的電荷束縛在異質(zhì)結(jié)材料區(qū)域內(nèi)，并在電場(chǎng)作用下通過(guò)器件陽(yáng)極泄放到體外。重離子輻照實(shí)驗(yàn)表明，在650V恒壓偏置下器件維持低漏電到~10⁷ ions/cm²離子注量，單粒子燒毀電壓超過(guò)800V；進(jìn)一步在微區(qū)紫外脈沖激光輻照下評(píng)估了器件的低損耗反向恢復(fù)特性。研制的抗輻照GaN功率二極管作為GaN開關(guān)器件的功能補(bǔ)充，將拓寬GaN技術(shù)在宇航電源中的應(yīng)用場(chǎng)景。

上述研究工作得到國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。近年來(lái)，南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)面向宇航級(jí)抗輻照高能效功率電子應(yīng)用，在重離子輻照、大氣中子輻照、瞬時(shí)注量率效應(yīng)、抗輻照加固GaN功率器件等方面取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，部分指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，并聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界積極推進(jìn)技術(shù)落地。