← 返回
电动汽车驱动 GaN器件 ★ 4.0

p-GaN栅极HEMT在单粒子烧毁条件下载流子抽取相关失效机制的对比分析

Comparative Analysis of Carrier Extraction Related Failure Mechanisms in P-GaN HEMTs Under Single-Event Burnouts

作者
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 p-GaN HEMTs 单粒子烧毁 载流子提取 失效机制 辐射容限
语言:

中文摘要

本文通过基于 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$181Ta^{{31}+}$ </tex-math></inline-formula> 离子辐射实验和 TCAD 仿真的对比分析,探讨了 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管(HEMT)在单粒子烧毁(SEB)情况下与载流子抽取相关的失效机制。分别在栅极(HB - HEMTs)、衬底(SF - HEMTs)和漏极电极(SD - HEMTs)引入势垒,以分离并研究载流子抽取路径的作用。通过实验和电流 - 电压 - 温度测量识别出不同的 SEB 特性,同时结合雪崩和温度模型的单粒子仿真确认了具体的失效机制。HB - HEMTs 表现出金属/p - GaN 栅肖特基二极管击穿,而由于载流子可通过栅极抽取,p - GaN/AlGaN 二极管仍能正常工作。SF - HEMTs 在衬底浮空时因背沟道的形成导致漏源电流(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I} _{\text {DS}}$ </tex-math></inline-formula>)泄漏增加。SD - HEMTs 由于漏极周围载流子的积累,其肖特基漏极接触的损坏比栅堆叠结构更为严重。这些研究结果强调了栅极、衬底和漏极工程对 SEB 抗性的关键影响,并可为设计具有更高辐射耐受性的 p - GaN HEMTs 提供实际指导。

English Abstract

This article discusses the carrier extraction related failure mechanisms in p-GaN gate HEMTs under single-event burnout (SEB) through a comparative analysis based on 181Ta^31+ ion radiation experiments and TCAD simulations. The roles of carrier extraction paths are isolated and examined by introducing potential barriers at the gate (HB-HEMTs), substrate (SF-HEMTs), and drain electrodes (SD-HEMTs), respectively. Distinct SEB characteristics are identified by experiments and I–V-temperature measurements, while the specific failure mechanisms are confirmed by single-event simulations with avalanche and temperature models. HB-HEMTs show a breakdown of the metal/p-GaN gate Schottky diode, while p-GaN/AlGaN diode can still function on account of the carrier extraction through the gate. SF-HEMTs have increased I _ DS leakage due to the formation of a back channel when the substrate is floating. SD-HEMTs exhibit more significant damage to Schottky drain contact than gate stacks due to the accumulation of carriers around the drain. These findings emphasize the critical impact of gate, substrate, and drain engineering on SEB resistance and can provide practical guidance in designing p-GaN HEMTs with improved radiation tolerance.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于p-GaN HEMT器件单粒子烧毁机制的研究具有重要的战略价值。GaN基功率器件凭借其高频、高效、高功率密度的特性,正成为光伏逆变器和储能变流器的核心技术方向,直接影响系统的转换效率和可靠性。

该研究通过辐射实验和TCAD仿真,系统揭示了载流子提取路径对器件抗辐射性能的影响机制。研究发现栅极、衬底和漏极工程设计对单粒子烧毁抗性具有决定性作用:栅极势垒会导致金属/p-GaN肖特基二极管击穿、浮置衬底会形成背沟道增加漏电、漏极载流子累积则会造成肖特基接触严重损伤。这些发现为我们优化GaN器件设计提供了清晰的工程指导。

对于阳光电源的产品应用,该技术的价值体现在多个维度。首先,在高海拔、航空航天等高辐射环境的光伏储能系统中,抗辐射GaN器件可显著提升系统可靠性。其次,通过优化栅极结构和衬底连接设计,可以在不牺牲器件性能的前提下增强抗单粒子效应能力,这对于提升逆变器在极端工况下的稳定性至关重要。

然而,该技术目前仍处于基础研究阶段,从实验室到量产应用面临成本控制、工艺一致性和长期可靠性验证等挑战。建议阳光电源与上游GaN器件供应商建立深度合作,将抗辐射设计要求纳入器件定制开发中,同时在新一代高功率密度产品中预留技术储备,为未来特殊应用场景和差异化竞争奠定基础。这项研究为GaN器件的可靠性工程提供了重要的理论支撑和优化方向。