半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)：近日，南京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究團隊聯(lián)合江蘇能華微電子科技發(fā)展有限公司和哈爾濱工業(yè)大學(xué)，在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域權(quán)威會議：第70屆國際電子器件大會（IEDM 2024）上以“800-V Irradiation-Hardened Device Technology on GaN-on-SiC Power Integration Platform”為題報告了寬禁帶半導(dǎo)體GaN功率器件的抗輻照研究最新成果。南京大學(xué)周峰博士為論文第一作者，陸海教授為論文通訊作者。
寬禁帶半導(dǎo)體GaN具有高原子閾值位移能、高擊穿場強等特性優(yōu)勢，在航空航天、核電能源等輻照場景中具有重要的應(yīng)用前景。國外Intersil、EPC等公司已經(jīng)推出抗輻照GaN功率器件產(chǎn)品，電壓等級覆蓋到200V范圍，主要應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星。面向宇航能源系統(tǒng)一次電源、電推進器等高功率應(yīng)用場景，將抗輻照器件的電壓等級拓展到650V甚至更高，進而提升航天系統(tǒng)的電氣化水平，是抗輻照器件領(lǐng)域當前最為關(guān)注的研究目標之一。宇航級器件面臨的最大挑戰(zhàn)在于高能入射粒子在皮秒級極短時間內(nèi)可將粒子能量快速沉積在器件內(nèi)部（圖1），瞬間產(chǎn)生局域高密度的電荷云；處于關(guān)態(tài)偏置的器件在這些電荷和電場的影響下，可表現(xiàn)出漏電流急劇增大的單粒子燒毀，最終發(fā)生破壞性失效。
圖1. （a）單粒子輻照示意圖及能帶原理，（b）粒子入射導(dǎo)致的高密度電荷
本工作中，南京大學(xué)陸海教授和張榮院士團隊從GaN外延材料和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個方面開展抗輻照加固研究。由于重離子輻照實驗中粒子入射深度遠超過GaN器件外延層厚度，誘導(dǎo)產(chǎn)生的高密度電荷分布于整個GaN外延層。因此，研究團隊首先提出將這些“雜亂無序”電荷“有序排布”的外延結(jié)構(gòu)加固設(shè)計思路（圖2a）：利用異質(zhì)結(jié)極化理論和能帶工程設(shè)計將電荷有效束縛在較窄的異質(zhì)結(jié)夾層區(qū)域；同時，提出源極連接的分區(qū)柵極器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案（圖2b），將輻照誘導(dǎo)電荷快速泄放到器件外部。在嚴格滿足宇航級器件評價標準的82.1 LET、107?ions/cm2輻照條件下（圖2c），本工作中研制的GaN器件在650V偏置下的單粒子輻照漏電維持在10-5~10-6?A水平（圖2d），輻照擊穿電壓超過800V，與輻照前靜態(tài)擊穿相比的單粒子燒毀電壓退化率僅為6%~10%。重離子輻照實驗結(jié)果表明經(jīng)過材料和器件加固設(shè)計的GaN功率器件具有優(yōu)越的抗輻照應(yīng)用前景。
圖2. （a）抗輻照GaN外延材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，（b）源極連接的分區(qū)柵極器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，（c）重離子輻照實驗裝置，（d）輻照時間相關(guān)的單粒子漏電特性和單粒子擊穿波形
研究團隊進一步搭建了微區(qū)紫外脈沖激光輻照模擬實驗裝置（圖3a），實現(xiàn)了對GaN功率器件動態(tài)開關(guān)特性和功率轉(zhuǎn)換效率的輻照狀態(tài)實驗評估。在激光等效重離子輻照條件下，加固器件展現(xiàn)出96%的能效（圖3b），優(yōu)于硅基VDMOS加固器件的91%；同時，利用脈沖激光技術(shù)，研究了抗輻照GaN半橋電路中高低測器件的串擾效應(yīng)和兆赫茲開關(guān)能力，驗證了GaN功率器件的優(yōu)異抗輻照性能。團隊開發(fā)的微區(qū)紫外脈沖激光輻照模擬裝置為極端條件下GaN功率器件的電學(xué)特性研究、輻照機理分析和加固設(shè)計提供了重要實驗手段。
圖3. （a）紫外脈沖激光輻照實驗裝置和光路原理圖，（b）抗輻照加固GaN功率器件與硅基VDMOS器件的功率效率對比
本工作是在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和江蘇省重點研發(fā)計劃等項目的支持下展開，研究成果是基于團隊前期在GaN抗輻照功率器件加固方面的工作積累IEEE EDL 45,976 (2024)；IEEE EDL 45,1129 (2024)；IEEE EDL 45,1433 (2024)；IEEE ISPSD 526 (2024)。團隊下一步將開展抗輻照GaN功率器件封裝和應(yīng)用驗證工作。