在近期日本熊本市舉辦的第37屆國際功率半導體器件和集成電路會議（International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，ISPSD）上，南京大學江蘇省第三代半導體與高能效器件重點實驗室張榮和陸海教授研究團隊入選了兩篇氮化鎵（GaN）功率器件輻照效應研究論文，向國際同行展示了宇航級GaN功率器件研究最新成果。該工作是在周峰副研究員協(xié)助指導下完成，合作單位包括中國空間技術研究院、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院近代物理研究所、江蘇能華微電子科技發(fā)展有限公司、中國電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗研究所。ISPSD是功率器件領域最具影響力和規(guī)模最大的頂級國際學術會議，本次會議發(fā)表了來自12個國家、74個機構(gòu)的研究成果，涵蓋了功率半導體器件、功率集成電路、工藝、封裝和應用等多個方向。
本次南京大學入選的兩項工作成果如下：
1、紫外脈沖激光輻照下650V GaN功率器件的動態(tài)非鉗位感性開關特性研究
非鉗位感性開關（UIS）能力是功率電子器件在感性負載應用中備受關注的可靠性需求。商用p-GaN HEMT由于缺乏雪崩擊穿能力，需通過器件電容和負載電感之間的諧振效應來維持UIS應力下的動態(tài)過壓和能量沖擊。當UIS過壓超過器件的臨界閾值時，器件會發(fā)生破壞性燒毀。宇航用功率器件常通過地面加速器實驗裝置來模擬空間重離子輻射效應，受限于離子束斑區(qū)域的緊湊空間和遠程連接的復雜操控，單粒子輻照下GaN功率器件的動態(tài)UIS特性長期為研究空白，成為高頻、高功率密度GaN功率器件宇航應用中亟需研究的關鍵問題。
圖1. 微區(qū)紫外脈沖激光裝置與UIS測試電路以及相應的UIS輻照波形
本工作通過開發(fā)微區(qū)紫外脈沖激光輻照實驗技術，克服微米級區(qū)域聚焦、激光與重離子關聯(lián)性等效、厘米級區(qū)域Mapping點測、UIS脈沖協(xié)同等多個難題，實現(xiàn)在紫外脈沖激光模擬單粒子輻照下評價器件的UIS能力。研究表明，器件的UIS過壓從1109 V降低到897 V，衰減了19％；同時發(fā)現(xiàn)UIS過程中的沖擊能量損失降低。UIS電路建模和數(shù)值仿真模擬表明碳摻雜緩沖層中的類受體陷阱會被單粒子輻照誘導的電荷填充，導致局域電場增強，從而惡化器件的動態(tài)過壓能力；同時UIS充放電階段的電荷不平衡分布受到輻照效應影響，使得能量損失相較于輻照前略有降低。該項研究結(jié)果證實了GaN材料質(zhì)量會影響器件的UIS輻照性能，抗輻照加固設計一方面需要降低類受體陷阱濃度，改善輻照電荷俘獲造成的動態(tài)過壓能力退化；另一方面，優(yōu)化漏極側(cè)局域強電場，避免輻照下器件提前擊穿燒毀。
2、抗輻照加固設計AlGaN/GaN p-GaN型混合陽極功率二極管
空間重離子入射產(chǎn)生的非平衡電荷對器件的關態(tài)阻斷能力、動態(tài)UIS特性等都構(gòu)成嚴重威脅，由于能量快速沉積造成的單粒子燒毀（SEB）是其中的關鍵難題，被列入到JEDEC-JESD57A等國內(nèi)外標準中。近些年，國際上多家公司已推出抗輻照加固設計GaN開關三極管，而在單端反激拓撲、正激同步整流變換拓撲等宇航電源系統(tǒng)中起關鍵整流作用的GaN功率二極管尚未有研究報道。
圖2. 抗輻照加固設計GaN功率二極管和輻照下電荷輸運過程
本工作中報道了650V等級抗輻照加固GaN功率二極管，提出AlGaN/GaN p-GaN型混合陽極結(jié)構(gòu)與異質(zhì)結(jié)外延材料相結(jié)合的雙重加固設計。器件陽極由區(qū)域性分段分布的p-GaN層和肖特基接觸金屬組成，同時在GaN緩沖層與溝道層之間引入了8nm厚度的AlGaN層，將輻照引入的電荷束縛在異質(zhì)結(jié)材料區(qū)域內(nèi)，并在電場作用下通過器件陽極泄放到體外。重離子輻照實驗表明，在650V恒壓偏置下器件維持低漏電到~107 ions/cm2離子注量，單粒子燒毀電壓超過800V；進一步在微區(qū)紫外脈沖激光輻照下評估了器件的低損耗反向恢復特性。研制的抗輻照GaN功率二極管作為GaN開關器件的功能補充，將拓寬GaN技術在宇航電源中的應用場景。
上述研究工作得到國家科技重大專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和江蘇省重點研發(fā)計劃等項目支持。近年來，南京大學團隊面向宇航級抗輻照高能效功率電子應用，在重離子輻照、大氣中子輻照、瞬時注量率效應、抗輻照加固GaN功率器件等方面取得了多項創(chuàng)新成果，部分指標處于國際領先水平，并聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界積極推進技術落地。
