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重离子辐照导致的p型氮化镓栅极HEMTs漏电流增加机制
Mechanism of Heavy Ion-Induced Leakage Current Increase in Normally-OFF p-GaN Gate HEMTs
| 作者 | Chao Peng · Zhifeng Lei · Teng Ma · Hong Zhang · Zhangang Zhang · Yujuan He |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年8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 | 氮化镓高电子迁移率晶体管 重离子 漏电流增加 线性能量转移 偏置电压 |
语言:
中文摘要
本文报道了 650 V p 型氮化镓(GaN)栅高电子迁移率晶体管(HEMT)在重离子辐照下漏电流增大的现象。重离子导致 GaN HEMT 漏电流增大的退化情况与重离子的线性能量转移(LET)值和偏置电压有关。仅在 LET 值为 60.5 MeV·cm²/mg 的钽(Ta)离子辐照下观察到漏电流增大,而在 LET 值为 20.0 MeV·cm²/mg 的氪(Kr)离子辐照下未观察到该现象。此外,较高的偏置电压会导致漏电流增大的退化现象更为明显。当器件偏置电压为 100 V 时,漏极和源极之间存在重离子诱导的漏电通道。然而,当电压升高到 200 V 时,除了漏极和源极之间的漏电外,漏极和栅极之间也形成了漏电通道。在受辐照的器件中观察到了重离子诱导的损伤以及场板的形态变化,这可能是导致漏电退化的原因。通过技术计算机辅助设计(TCAD)模拟也验证了损伤机制。
English Abstract
The heavy ion-induced leakage current increase is reported for the 650-V p-gallium nitride (GaN) gate HEMTs. The degradation of leakage current increase in GaN HEMTs caused by heavy ions is related to the linear energy transfer (LET) value of the heavy ions and the bias voltage. The increased leakage current is only observed under Ta ion irradiation with an LET value of 60.5 MeV cm2/mg but not under Kr ion irradiation with an LET value of 20.0 MeV cm2/mg. Moreover, a higher bias voltage leads to a more pronounced degradation of leakage current increase. When the device is biased at 100 V, heavy ion-induced leakage pathways exist between the drain and source. However, when the voltage is increased to 200 V, in addition to the leakage between the drain and source, leakage pathways form between the drain and gate. Heavy ion-induced damages and morphological changes of the field plate are observed in the irradiated devices, which may contribute to the leakage degradation. The damage mechanism has also been verified through TCAD simulations.
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器件重离子辐照效应的研究具有重要的可靠性参考价值。GaN功率器件凭借其高频、高效、高功率密度等优势,正逐步成为光伏逆变器和储能变流器的核心功率开关器件。然而,该研究揭示的重离子辐照导致的漏电流退化机制,对我们在特殊应用场景下的产品设计提出了新的考量。
研究发现,650V p-GaN HEMT器件在高LET值重离子(如Ta离子)辐照下会出现漏电流增加现象,且这种退化与偏置电压密切相关。在200V偏压下,漏电通路不仅存在于漏源之间,还会在漏栅之间形成,场板结构的损伤和形貌变化是关键因素。这对阳光电源在航天光伏电源、高海拔或高辐射环境储能系统等特殊应用领域具有直接指导意义。
从技术成熟度评估,该研究仍处于机理探索阶段,但其TCAD仿真验证为器件设计优化提供了理论基础。对阳光电源而言,这既是挑战也是机遇:一方面需要在产品设计中考虑辐照加固措施,如优化场板结构、增强封装防护;另一方面可以此为契机,开发面向特殊环境的高可靠性GaN功率模块,拓展航天、军工等高端市场。
建议公司与相关科研机构建立合作,开展GaN器件抗辐照加固技术研究,同时在现有产品的环境适应性测试中增加辐照可靠性评估,特别是针对高海拔光伏电站和极端环境储能项目,建立更完善的器件选型和防护标准,提升产品在全场景应用下的竞争力。