近日，南京大學寬禁帶半導體研究團隊聯合江蘇能華微電子科技發展有限公司和哈爾濱工業大學，在半導體器件領域權威會議：第70屆國際電子器件大會（IEDM 2024）上以“800-V Irradiation-Hardened Device Technology on GaN-on-SiC Power Integration Platform”為題報告了寬禁帶半導體GaN功率器件的抗輻照研究最新成果。南京大學周峰博士為論文第一作者，陸海教授為論文通訊作者。
寬禁帶半導體GaN具有高原子閾值位移能、高擊穿場強等特性優勢，在航空航天、核電能源等輻照場景中具有重要的應用前景。國外Intersil、EPC等公司已經推出抗輻照GaN功率器件產品，電壓等級覆蓋到200V范圍，主要應用于互聯網衛星。面向宇航能源系統一次電源、電推進器等高功率應用場景，將抗輻照器件的電壓等級拓展到650V甚至更高，進而提升航天系統的電氣化水平，是抗輻照器件領域當前最為關注的研究目標之一。宇航級器件面臨的最大挑戰在于高能入射粒子在皮秒級極短時間內可將粒子能量快速沉積在器件內部（圖1），瞬間產生局域高密度的電荷云；處于關態偏置的器件在這些電荷和電場的影響下，可表現出漏電流急劇增大的單粒子燒毀，最終發生破壞性失效。
圖1. （a）單粒子輻照示意圖及能帶原理，（b）粒子入射導致的高密度電荷
本工作中，南京大學陸海教授和張榮院士團隊從GaN外延材料和器件結構設計兩個方面開展抗輻照加固研究。由于重離子輻照實驗中粒子入射深度遠超過GaN器件外延層厚度，誘導產生的高密度電荷分布于整個GaN外延層。因此，研究團隊首先提出將這些“雜亂無序”電荷“有序排布”的外延結構加固設計思路（圖2a）：利用異質結極化理論和能帶工程設計將電荷有效束縛在較窄的異質結夾層區域；同時，提出源極連接的分區柵極器件結構設計方案（圖2b），將輻照誘導電荷快速泄放到器件外部。在嚴格滿足宇航級器件評價標準的82.1 LET、107?ions/cm2輻照條件下（圖2c），本工作中研制的GaN器件在650V偏置下的單粒子輻照漏電維持在10-5~10-6?A水平（圖2d），輻照擊穿電壓超過800V，與輻照前靜態擊穿相比的單粒子燒毀電壓退化率僅為6%~10%。重離子輻照實驗結果表明經過材料和器件加固設計的GaN功率器件具有優越的抗輻照應用前景。
圖2. （a）抗輻照GaN外延材料結構設計，（b）源極連接的分區柵極器件結構設計，（c）重離子輻照實驗裝置，（d）輻照時間相關的單粒子漏電特性和單粒子擊穿波形
研究團隊進一步搭建了微區紫外脈沖激光輻照模擬實驗裝置（圖3a），實現了對GaN功率器件動態開關特性和功率轉換效率的輻照狀態實驗評估。在激光等效重離子輻照條件下，加固器件展現出96%的能效（圖3b），優于硅基VDMOS加固器件的91%；同時，利用脈沖激光技術，研究了抗輻照GaN半橋電路中高低測器件的串擾效應和兆赫茲開關能力，驗證了GaN功率器件的優異抗輻照性能。團隊開發的微區紫外脈沖激光輻照模擬裝置為極端條件下GaN功率器件的電學特性研究、輻照機理分析和加固設計提供了重要實驗手段。
圖3. （a）紫外脈沖激光輻照實驗裝置和光路原理圖，（b）抗輻照加固GaN功率器件與硅基VDMOS器件的功率效率對比
本工作是在國家重點研發計劃、國家自然科學基金和江蘇省重點研發計劃等項目的支持下展開，研究成果是基于團隊前期在GaN抗輻照功率器件加固方面的工作積累IEEE EDL 45,976 (2024)；IEEE EDL 45,1129 (2024)；IEEE EDL 45,1433 (2024)；IEEE ISPSD 526 (2024)。團隊下一步將開展抗輻照GaN功率器件封裝和應用驗證工作。
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