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总电离剂量辐射引起的p-GaN栅极HEMTs漏电流退化
Total-Ionizing-Dose Radiation-Induced Leakage Current Degradation in p-GaN Gate HEMTs
| 作者 | Zhao Wang · Xin Zhou · Qingchen Jiang · Zhengyuan Peng · Hengjuan Wen · Qi Zhou |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 总电离剂量辐射 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管 关态漏电流退化 空穴陷阱 电子陷阱 |
语言:
中文摘要
本研究对 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管（HEMT）中总电离剂量（TID）辐射诱发的漏极泄漏电流（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex-math></inline-formula>）退化现象进行了研究。辐射诱发的 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex-math></inline-formula> 退化主要由源极电流和衬底电流决定，并揭示了辐射损伤机制。辐射产生的空穴被捕获在栅极下方的 GaN 沟道以及缓冲层/过渡层界面附近，这会降低电子注入的能垒并增大 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex-math></inline-formula>。在辐射和高电场的共同作用下，缓冲层中会产生电子陷阱，这会提高缓冲层中电子的能垒并抑制 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex-math></inline-formula> 的增大。空穴捕获和电子陷阱产生的综合效应导致 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex-math></inline-formula> 随总电离剂量呈现非单调退化。深能级瞬态谱和电容测试结果表明，辐射诱发的电子陷阱不可恢复，而栅极下方的空穴捕获会随时间退火。
English Abstract
In this work, total-ionizing-dose (TID) radiation-induced drain leakage current ( I _ off ) degradation in p-GaN gate high electron mobility transistors (HEMTs) is studied. Irradiation-induced I _ off degradation is dominated by source current and substrate current, and irradiation damage mechanism is revealed. Irradiation-induced holes are trapped at GaN channel under the gate and near the buffer/transition layer interface, which would lower energy barrier for electron injection and increase I _ off . Electron traps are generated in the buffer layer under both irradiation and high electric field, which would raise energy barrier in the buffer for electron and suppress the increase of I _ off . The combined effect of the hole trapping and the electron trap generation results in nonmonotonic degradation of I _ off with TID. Deep-level transient spectroscopy and capacitance test results show that irradiation-induced electron trap is not recoverable, while the hole trapping under the gate could anneal with time.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于p-GaN栅极HEMT器件抗总电离剂量辐射性能的研究具有重要的战略参考价值。GaN基HEMT器件因其高频、高效、耐高温特性，正逐步成为光伏逆变器和储能变流器中功率转换模块的核心器件，直接影响系统的转换效率和可靠性。
该研究揭示的辐射损伤机制对我司产品在特殊应用场景具有指导意义。虽然地面光伏系统辐射环境温和，但在高海拔光伏电站、航天光伏应用以及某些工业辐射环境下，TID效应导致的漏电流退化会直接影响器件的关断性能和系统待机损耗。研究发现的非单调退化特性——空穴俘获与电子陷阱生成的竞争机制——为我们优化器件筛选和系统冗余设计提供了理论依据。特别值得关注的是，栅极下空穴俘获可随时间退火恢复，而缓冲层电子陷阱不可恢复，这提示我们在长期可靠性评估中需建立分层退化模型。
从技术成熟度看，p-GaN HEMT在消费级和工业级应用已相对成熟，但抗辐射加固技术仍处于研发阶段。对阳光电源而言，短期内可将此研究成果应用于特殊场景产品的失效模式分析和加速老化测试方案优化；中长期则可与上游器件厂商合作，通过改进缓冲层结构、优化p-GaN层设计来提升器件抗辐射能力。
主要挑战在于辐射加固会增加器件成本，需在性能、可靠性与经济性间寻求平衡。机遇则体现在差异化竞争——针对特种光伏、空间储能等高端市场开发具有抗辐射特性的定制化解决方案，可巩固我司在新能源领域的技术领先地位。