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系统并网技术 GaN器件 ★ 4.0

X射线辐照诱导的p-GaN肖特基栅HEMT阈值电压不稳定性

X-Ray Irradiation-Induced VTH Instability in Schottky-Gate p-GaN HEMTs

作者 Yu Rong · Feng Zhou · Wenfeng Wang · Can Zou · Junfan Qian · Weizong Xu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年3月
技术分类 系统并网技术
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 p-GaN HEMTs 阈值电压不稳定 X射线辐照 p-GaN激活 受主型缺陷
语言:

中文摘要

p型氮化镓(p - GaN)肖特基栅结构增强型(E - mode)高电子迁移率晶体管(HEMT)在辐照应用方面具有巨大潜力,但其阈值电压($V_{TH}$)的不稳定性仍在研究之中。在这项工作中,通过构建一个剂量可调且集成了外围偏置电路的X射线辐照在线监测系统,全面研究了阈值电压($V_{TH}$)的不稳定性与辐照剂量和漏极偏置的关系。在仅进行辐照的条件下,该器件在低剂量辐照时呈现出负的$V_{TH}$漂移,随后在高剂量辐照时出现正的$V_{TH}$漂移。通过进行数值模拟、霍尔测量和电容 - 电压(C - V)测试,发现负的$V_{TH}$漂移主要是由p - GaN激活引起的$V_{TH}$不稳定性机制导致的,而非与栅极相关的空穴注入机制。相应地,p - GaN的激活效率从(未辐照器件的)1.3%提高到了(0.11希沃特辐照后的)1.5%。此外,类受主缺陷被确定为正$V_{TH}$漂移的主要原因。低频1/f噪声实验结果表明,不同剂量辐照下的缺陷态密度高于未辐照器件。而且,在辐照和漏极偏置的协同作用下,该器件仍呈现出正的$V_{TH}$漂移,这可以用修正后的电荷存储机制来解释。这些结果为深入理解p - GaN肖特基栅结构高电子迁移率晶体管(p - GaN HEMTs)在辐照条件下的阈值电压($V_{TH}$)不稳定性提供了重要依据。

English Abstract

p-GaN Schottky-gate structure E-mode HEMTs have great potential for irradiation applications, yet their threshold voltage ( V _ TH ) instability is still under investigation. In this work, by constructing an X-ray irradiation online monitoring system with adjustable dose and integrated peripheral bias circuit, irradiation dose- and drain bias-dependent V _ TH instability are comprehensively investigated. Under irradiation-only conditions, the device exhibits a negative V _ TH shift with low-dose irradiation, followed by a positive V _ TH shift with high-dose irradiation. By performing numerical simulations, Hall measurements, and C–V tests, it is revealed that the negative V _ TH shift is dominated by the p-GaN activation-induced V _ TH instability mechanism, rather than the gate-related hole injection mechanism. The corresponding activation efficiency of p-GaN increases from 1.3% (unirradiated device) to 1.5% (0.11-Sv irradiation). Furthermore, acceptor-like defects are identified as the main cause of positive V _ TH shift. The low-frequency 1/f noise experimental results show that the density of defect states at different doses is higher than that of unirradiated devices. Moreover, under the synergistic effect of irradiation and drain bias, the device still exhibits a positive V _ TH shift, which can be explained by the modified charge storage mechanism. These results provide important insights into the V _ TH instability of p-GaN Schottky-gate structure high electron mobility transistors (p-GaN HEMTs) under irradiation conditions.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于p-GaN肖特基栅结构HEMT器件在X射线辐照下阈值电压稳定性的研究具有重要的战略参考价值。GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为第三代宽禁带半导体器件,在光伏逆变器和储能变流器的功率转换环节具有显著优势,其高频开关特性和低导通损耗可直接提升系统效率和功率密度。

该研究揭示的阈值电压不稳定性机制对我们的产品可靠性设计至关重要。研究发现低剂量辐照引起p-GaN激活效应导致阈值电压负向漂移,而高剂量辐照则因类受主缺陷产生正向漂移。这种双向漂移特性意味着在特殊应用场景下,如高海拔光伏电站、空间太阳能系统,或核电配套储能项目中,GaN器件的长期稳定性可能面临挑战。研究中通过1/f噪声测试识别出的缺陷态密度变化,为我们建立器件筛选和老化测试标准提供了理论依据。

从技术成熟度评估,p-GaN HEMT在常规地面应用已相对成熟,但该研究暴露的辐照敏感性问题提示我们:在拓展特殊环境应用时需要建立更严格的辐照加固设计规范。这既是挑战也是机遇——通过与上游半导体供应商合作,开发抗辐照增强型GaN器件,可为阳光电源在航空航天、极地科考等特殊场景的新能源装备市场建立技术壁垒。

建议将该研究成果纳入我们的器件选型和可靠性验证体系,特别是针对高可靠性要求的工商业储能和大型地面电站项目,建立涵盖辐照效应的长期可靠性评估模型。