Si基GaN功率器件辐照失效机理与可靠性研究
发布时间：2021-07-21 08:32
随着空间技术的发展,电力电子器件作为电子设备的重要组成部分,对其性能要求越来越严格。相比传统Si基MOSFETs,GaN功率器件在高频、高温、高电场等恶劣环境下具有较强的性能优势。结合GaN材料自身具有较强抗辐照性能,Si基GaN功率器件在空间飞行器中具有广泛的应用前景。由于空间辐照环境较为复杂以及GaN功率器件可靠性等问题,对Si基GaN功率器件抗辐特性带来巨大的挑战,因此,研究辐照效应对Si基GaN器件可靠性的影响十分必要。在上述背景下,本文主要从实验和理论两个方面入手,研究了Si基GaN功率器件的辐照效应。通过深入分析辐照效应导致GaN功率器件电学性能变化的规律,揭示GaN器件失效机理,为今后GaN器件抗辐加固工作的开展提供理论基础。主要研究内容如下:（1）开展耗尽型Si基GaN功率器件60Co-γ射线辐照效应的实验研究。实验发现γ射线剂量在2Mrad内,GaN耗尽型器件的亚阈值摆幅减少20%以上。通过采用C-V特性测试方法,研究γ射线辐照使GaN器件界面电荷的变化。发现LPCVD-SiNx/AlGaN界面比AlGaN/GaN异质结界面...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
辐照的来源及影响范围[4]
电子科技大学硕士学位论文2爆炸辐照是两种主要辐照威胁，其主要表现为γ射线，剂量占总辐照剂量的80%~90%[4-6]。因此研究无人机、飞艇用电源系统及功率器件总剂量辐照效应是本课题的目标之一，这也是目前GaN功率开关器件抗辐照研究的主要方向之一。随着在飞行器等设备上的应用需求不断增长，GaN功率开关器件在空间辐照、核爆炸辐照等环境下的性能稳定性和可靠性成为了至关重要的问题。这些都是针对特殊应用场合的GaN电力电子器件设计中必须考虑的设计要素。图1-1辐照的来源及影响范围[4]如图1-1所示，空间辐射的主要来源是宇宙射线、范艾伦辐照带以及剧烈的太阳活动产生的一些高能粒子，作用于晶格原子，对半导体材料晶格造成损伤。核爆炸辐照则是核爆炸构成中子辐照并伴随剧烈的γ射线和X射线辐照。1.2.1电离辐射效应电离辐射主要表现为总剂量效应和单粒子效应，主要是由于原子之间的相互作用，通过电离效应使原子偏离原有的带电状态和内能，造成原子电离[7]，如图1-2所示。航天设备工作在没有或稀疏的大气情况或地球电离层外，电源系统及功率器件受到的辐照剂量高达数十Gy/h，因此研究无人机、卫星用电源系统及功率器件关于总剂量的辐照效应显得尤为重要。图1-2辐照导致原子电离的能带示意图[7]
第一章绪论31.2.2非电离辐射效应非电离辐射主要表现形式为对器件造成位移损伤，主要由质子、中子、核碎片等高能粒子通过非电离碰撞作用于晶格原子使其偏离原位产生空位、替位或更加复杂的络合物，进而对器件产生长期作用，引入缺陷和陷阱，如图1-3所示[8]。不同剂量以及种类的辐射源对GaN功率器件造成的损伤类型会产生差异。图1-3所示为完好的GaN晶格、由质子和电子产生的点缺陷以及由中子产生的无序区域，这种损伤主要与单粒子辐照的能量与注量相关。(a)(b)(c)图1-3GaN晶格示意图。(a)辐照前完好GaN晶格；(b)质子/电子辐射造成的点缺陷；(c)中子辐照典型的无序区[8]1.3GaN功率器件辐照效应研究现状2001年以来，针对AlGaN/GaN功率开关器件γ射线总剂量辐照效应和损伤机制，国外已经开展了一些研究工作，但实验表征等技术还不够成熟，并且辐照损伤机制研究较复杂。研究者们用不同注入剂量（0.1Mrad(Si)~20Mrad(Si)、300Mrad(Si)、600Mrad(Si)等）的60Co-γ射线在不同温度（室温，70oC）[9-12]条件下对器件进行辐照，发现一定剂量的60Co-γ射线对AlGaN/GaNHEMT器件及相关结构影响几乎可以忽略。由于考虑到空间携带设备应用时所处的环境，对γ辐照影响的研究往往着重于大剂量辐照对GaN器件的影响。研究发现高剂量的辐照[13]使AlGaN/GaNHEMT器件的漏极饱和电流、跨导、栅极泄露电流等电学特性退化。早期研究者们主要关注于高剂量辐照而忽略了低剂量对器件性能的影响。近年来的研究发现[14]，低剂量的γ辐照有改善设备特性的趋势。对于超过300Gy的剂量，缺陷散射导致载流子迁移率的退化，扩散长度的降低。相反，被低剂量γ射线[15]（低于300Gy）照射后，HEMT器件中少数载流子扩散长度提高了26%（这可能与辐照延长了非平衡载流子寿命有关?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation of sensitivity and threshold voltage shift of commercial MOSFETs in gamma irradiation[J]. Saleh Ashrafi,Baharak Eslami. Nuclear Science and Techniques. 2016(06)
[2]空间光学敏感器/探测器荷电粒子屏蔽技术综述[J]. 王春宇,邓楼楼,梅志武,陈然,王伟华,张丽秀,张慧峰,种荟萱. 河北科技大学学报. 2016(01)
[3]微电子器件抗辐射加固技术发展研究[J]. 王健安,谢家志,赖凡. 微电子学. 2014(02)
[4]60Co gamma radiation effect on AlGaN/AlN/GaN HEMT devices[J]. 王燕萍,罗尹虹,王伟,张科营,郭红霞,郭晓强,王园明. Chinese Physics C. 2013(05)
[5]航天电子元器件抗辐照加固工艺[J]. 孙慧,徐抒岩,孙守红,张伟. 电子工艺技术. 2013(01)
[6]辐射效应对半导体器件的影响及加固技术[J]. 赵力,杨晓花. 电子与封装. 2010(08)
[7]星载电子设备抗辐照分析及器件选用[J]. 周旸. 现代雷达. 2008(09)
[8]航天电子抗辐射研究综述[J]. 冯彦君,华更新,刘淑芬. 宇航学报. 2007(05)
本文编号：3294685
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
辐照的来源及影响范围[4]
电子科技大学硕士学位论文2爆炸辐照是两种主要辐照威胁，其主要表现为γ射线，剂量占总辐照剂量的80%~90%[4-6]。因此研究无人机、飞艇用电源系统及功率器件总剂量辐照效应是本课题的目标之一，这也是目前GaN功率开关器件抗辐照研究的主要方向之一。随着在飞行器等设备上的应用需求不断增长，GaN功率开关器件在空间辐照、核爆炸辐照等环境下的性能稳定性和可靠性成为了至关重要的问题。这些都是针对特殊应用场合的GaN电力电子器件设计中必须考虑的设计要素。图1-1辐照的来源及影响范围[4]如图1-1所示，空间辐射的主要来源是宇宙射线、范艾伦辐照带以及剧烈的太阳活动产生的一些高能粒子，作用于晶格原子，对半导体材料晶格造成损伤。核爆炸辐照则是核爆炸构成中子辐照并伴随剧烈的γ射线和X射线辐照。1.2.1电离辐射效应电离辐射主要表现为总剂量效应和单粒子效应，主要是由于原子之间的相互作用，通过电离效应使原子偏离原有的带电状态和内能，造成原子电离[7]，如图1-2所示。航天设备工作在没有或稀疏的大气情况或地球电离层外，电源系统及功率器件受到的辐照剂量高达数十Gy/h，因此研究无人机、卫星用电源系统及功率器件关于总剂量的辐照效应显得尤为重要。图1-2辐照导致原子电离的能带示意图[7]
第一章绪论31.2.2非电离辐射效应非电离辐射主要表现形式为对器件造成位移损伤，主要由质子、中子、核碎片等高能粒子通过非电离碰撞作用于晶格原子使其偏离原位产生空位、替位或更加复杂的络合物，进而对器件产生长期作用，引入缺陷和陷阱，如图1-3所示[8]。不同剂量以及种类的辐射源对GaN功率器件造成的损伤类型会产生差异。图1-3所示为完好的GaN晶格、由质子和电子产生的点缺陷以及由中子产生的无序区域，这种损伤主要与单粒子辐照的能量与注量相关。(a)(b)(c)图1-3GaN晶格示意图。(a)辐照前完好GaN晶格；(b)质子/电子辐射造成的点缺陷；(c)中子辐照典型的无序区[8]1.3GaN功率器件辐照效应研究现状2001年以来，针对AlGaN/GaN功率开关器件γ射线总剂量辐照效应和损伤机制，国外已经开展了一些研究工作，但实验表征等技术还不够成熟，并且辐照损伤机制研究较复杂。研究者们用不同注入剂量（0.1Mrad(Si)~20Mrad(Si)、300Mrad(Si)、600Mrad(Si)等）的60Co-γ射线在不同温度（室温，70oC）[9-12]条件下对器件进行辐照，发现一定剂量的60Co-γ射线对AlGaN/GaNHEMT器件及相关结构影响几乎可以忽略。由于考虑到空间携带设备应用时所处的环境，对γ辐照影响的研究往往着重于大剂量辐照对GaN器件的影响。研究发现高剂量的辐照[13]使AlGaN/GaNHEMT器件的漏极饱和电流、跨导、栅极泄露电流等电学特性退化。早期研究者们主要关注于高剂量辐照而忽略了低剂量对器件性能的影响。近年来的研究发现[14]，低剂量的γ辐照有改善设备特性的趋势。对于超过300Gy的剂量，缺陷散射导致载流子迁移率的退化，扩散长度的降低。相反，被低剂量γ射线[15]（低于300Gy）照射后，HEMT器件中少数载流子扩散长度提高了26%（这可能与辐照延长了非平衡载流子寿命有关?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation of sensitivity and threshold voltage shift of commercial MOSFETs in gamma irradiation[J]. Saleh Ashrafi,Baharak Eslami. Nuclear Science and Techniques. 2016(06)
[2]空间光学敏感器/探测器荷电粒子屏蔽技术综述[J]. 王春宇,邓楼楼,梅志武,陈然,王伟华,张丽秀,张慧峰,种荟萱. 河北科技大学学报. 2016(01)
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[5]航天电子元器件抗辐照加固工艺[J]. 孙慧,徐抒岩,孙守红,张伟. 电子工艺技术. 2013(01)
[6]辐射效应对半导体器件的影响及加固技术[J]. 赵力,杨晓花. 电子与封装. 2010(08)
[7]星载电子设备抗辐照分析及器件选用[J]. 周旸. 现代雷达. 2008(09)
[8]航天电子抗辐射研究综述[J]. 冯彦君,华更新,刘淑芬. 宇航学报. 2007(05)
本文编号：3294685
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