负栅压关态下p-GaN HEMT重离子辐照硬度的实验研究

Experimental Study of Heavy Ion Irradiation Hardness for p-GaN HEMTs Under Off-State With Negative Gate Voltage

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.10902430

作者	Xintong Xie · Shuxiang Sun · Jingyu Shen · Renkuan Liu · Gaoqiang Deng · Cheng Yang
期刊	IEEE Electron Device Letters
出版日期	2025年2月
技术分类	储能系统技术
技术标签	储能系统 GaN器件
相关度评分	★★★★ 4.0 / 5.0
关键词	负栅压单粒子效应 p - GaN HEMT 单粒子瞬态电流辐射退化

语言:

中文摘要

本研究首次证明，关态时施加负栅极电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {GS}}$ </tex-math></inline-formula>）可提高 100 V 增强型 p 型氮化镓高电子迁移率晶体管（E - mode p - GaN HEMTs）的单粒子效应（SEE）抗扰度。当受到线性能量转移为 78.40 MeV/（mg/cm²）的钽离子辐照时，与施加零 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {GS}}$ </tex-math></inline-formula> 相比，施加负 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {GS}}$ </tex-math></inline-formula> 可显著降低辐照期间的单粒子瞬态（SET）电流峰值。此外，负 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {GS}}$ </tex-math></inline-formula> 可抑制辐照后栅极电容（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${C} _{\text {G}}$ </tex-math></inline-formula>）、阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {th}}$ </tex-math></inline-formula>）和关态漏极泄漏电流（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I} _{\text {DSS}}$ </tex-math></inline-formula>）的漂移，表明其抗单粒子效应的稳定性得到提高。通过数值模拟深入探究了其潜在物理机制。研究发现，负 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\textit {GS}}$ </tex-math></inline-formula> 能够同时去除辐射诱导的空穴，从而抑制 SET 电流。辐照后 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${C} _{G}$ </tex-math></inline-formula>、<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {th}}$ </tex-math></inline-formula> 和 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I} _{\text {DSS}}$ </tex-math></inline-formula> 的退化分别归因于肖特基结处、AlGaN/GaN 界面和缓冲层中辐射诱导的受主型陷阱。

English Abstract

In this work, it is demonstrated for the first time that a negative gate voltage ( V _ GS ) during off-state can enhance the single-event effect (SEE) hardness of the 100-V E-mode p-GaN HEMTs. When subjected to irradiation from Ta ions with linear energy transfer of 78.40 MeV/(mg/cm2), the single-event transient (SET) current peak during irradiation can be significantly decreased if a negative V _ GS is applied, as opposed to using zero V _ GS . Furthermore, a negative V _ GS suppresses post-irradiation shifts in gate capacitance ( C _ G ), threshold voltage ( V _ th ) and off-state drain leakage current ( I _ DSS ), indicating improved stability against SEE. Numerical simulations have been performed to offer a physical insight into the underlying mechanisms. It is found that a negative V _ GS enables the simultaneous removal for radiation-induced holes and thus suppresses the SET current. The post-irradiation degradation of C _G , V _ th and I _ DSS are attributed to the radiation-induced acceptor-like traps at the Schottky junction, the AlGaN/GaN interface and the buffer layer, respectively.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项关于p-GaN HEMT器件抗辐射加固技术的研究具有重要的战略参考价值。GaN基功率器件因其高频、高效、高功率密度特性，正逐步成为光伏逆变器和储能变流器等核心产品的关键技术方向。

该研究首次验证了在关断状态下施加负栅压可显著提升p-GaN HEMT的抗单粒子效应能力，这对阳光电源在特殊应用场景具有直接意义。虽然地面光伏系统面临的辐射环境相对温和，但在高海拔光伏电站、航空航天储能系统以及卫星电源管理等新兴市场，辐射加固能力是产品可靠性的关键指标。研究表明，通过优化栅极偏置策略，可在不增加硬件成本的前提下，有效抑制单粒子瞬态电流、减少阈值电压漂移和漏电流增加，这为阳光电源开发高可靠性功率模块提供了低成本加固方案。

从技术成熟度评估，该研究仍处于器件级验证阶段，距离系统级应用尚需解决若干挑战：一是负栅压控制策略需与现有驱动电路架构兼容，可能增加控制复杂度；二是长期可靠性验证需要在实际工况下进行大量测试；三是100V耐压等级对于阳光电源主流的1500V光伏系统和高压储能系统而言仍有较大差距。

然而，该技术揭示的物理机制——通过电场调控加速辐射诱生空穴移除——为阳光电源自主研发GaN器件提供了理论指导。建议与器件供应商合作，将该加固技术整合到下一代GaN功率模块中，特别是针对储能系统的宽温域、高可靠性应用场景，抢占技术制高点。