近日，南京大学宽禁带半导体研究团队联合江苏能华微电子科技发展有限公司和哈尔滨工业大学，在半导体器件领域权威会议：第70届国际电子器件大会（IEDM 2024）上以“800-V Irradiation-Hardened Device Technology on GaN-on-SiC Power Integration Platform”为题报告了宽禁带半导体GaN功率器件的抗辐照研究最新成果。南京大学周峰博士为论文第一作者，陆海教授为论文通讯作者。
宽禁带半导体GaN具有高原子阈值位移能、高击穿场强等特性优势，在航空航天、核电能源等辐照场景中具有重要的应用前景。国外Intersil、EPC等公司已经推出抗辐照GaN功率器件产品，电压等级覆盖到200V范围，主要应用于互联网卫星。面向宇航能源系统一次电源、电推进器等高功率应用场景，将抗辐照器件的电压等级拓展到650V甚至更高，进而提升航天系统的电气化水平，是抗辐照器件领域当前最为关注的研究目标之一。宇航级器件面临的最大挑战在于高能入射粒子在皮秒级极短时间内可将粒子能量快速沉积在器件内部（图1），瞬间产生局域高密度的电荷云；处于关态偏置的器件在这些电荷和电场的影响下，可表现出漏电流急剧增大的单粒子烧毁，最终发生破坏性失效。
图1. （a）单粒子辐照示意图及能带原理，（b）粒子入射导致的高密度电荷
本工作中，南京大学陆海教授和张荣院士团队从GaN外延材料和器件结构设计两个方面开展抗辐照加固研究。由于重离子辐照实验中粒子入射深度远超过GaN器件外延层厚度，诱导产生的高密度电荷分布于整个GaN外延层。因此，研究团队首先提出将这些“杂乱无序”电荷“有序排布”的外延结构加固设计思路（图2a）：利用异质结极化理论和能带工程设计将电荷有效束缚在较窄的异质结夹层区域；同时，提出源极连接的分区栅极器件结构设计方案（图2b），将辐照诱导电荷快速泄放到器件外部。在严格满足宇航级器件评价标准的82.1 LET、107 ions/cm2辐照条件下（图2c），本工作中研制的GaN器件在650V偏置下的单粒子辐照漏电维持在10-5~10-6 A水平（图2d），辐照击穿电压超过800V，与辐照前静态击穿相比的单粒子烧毁电压退化率仅为6%~10%。重离子辐照实验结果表明经过材料和器件加固设计的GaN功率器件具有优越的抗辐照应用前景。
图2. （a）抗辐照GaN外延材料结构设计，（b）源极连接的分区栅极器件结构设计，（c）重离子辐照实验装置，（d）辐照时间相关的单粒子漏电特性和单粒子击穿波形
研究团队进一步搭建了微区紫外脉冲激光辐照模拟实验装置（图3a），实现了对GaN功率器件动态开关特性和功率转换效率的辐照状态实验评估。在激光等效重离子辐照条件下，加固器件展现出96%的能效（图3b），优于硅基VDMOS加固器件的91%；同时，利用脉冲激光技术，研究了抗辐照GaN半桥电路中高低测器件的串扰效应和兆赫兹开关能力，验证了GaN功率器件的优异抗辐照性能。团队开发的微区紫外脉冲激光辐照模拟装置为极端条件下GaN功率器件的电学特性研究、辐照机理分析和加固设计提供了重要实验手段。
图3. （a）紫外脉冲激光辐照实验装置和光路原理图，（b）抗辐照加固GaN功率器件与硅基VDMOS器件的功率效率对比
本工作是在国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省重点研发计划等项目的支持下展开，研究成果是基于团队前期在GaN抗辐照功率器件加固方面的工作积累IEEE EDL 45,976 (2024)；IEEE EDL 45,1129 (2024)；IEEE EDL 45,1433 (2024)；IEEE ISPSD 526 (2024)。团队下一步将开展抗辐照GaN功率器件封装和应用验证工作。
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