隨著空間技術(shù)的發(fā)展,電力電子器件作為電子設(shè)備的重要組成部分,對(duì)其性能要求越來越嚴(yán)格。相比傳統(tǒng)Si基MOSFETs,GaN功率器件在高頻、高溫、高電場(chǎng)等惡劣環(huán)境下具有較強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)。結(jié)合GaN材料自身具有較強(qiáng)抗輻照性能,Si基GaN功率器件在空間飛行器中具有廣泛的應(yīng)用前景。由于空間輻照環(huán)境較為復(fù)雜以及GaN功率器件可靠性等問題,對(duì)Si基GaN功率器件抗輻特性帶來巨大的挑戰(zhàn),因此,研究輻照效應(yīng)對(duì)Si基GaN器件可靠性的影響十分必要。在上述背景下,本文主要從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面入手,研究了Si基GaN功率器件的輻照效應(yīng)。通過深入分析輻照效應(yīng)導(dǎo)致GaN功率器件電學(xué)性能變化的規(guī)律,揭示GaN器件失效機(jī)理,為今后GaN器件抗輻加固工作的開展提供理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容如下:（1）開展耗盡型Si基GaN功率器件⁶⁰Co-γ射線輻照效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)γ射線劑量在2Mrad內(nèi),GaN耗盡型器件的亞閾值擺幅減少20%以上。通過采用C-V特性測(cè)試方法,研究γ射線輻照使GaN器件界面電荷的變化。發(fā)現(xiàn)LPCVD-SiN_x/AlGaN界面比AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

輻照的來源及影響范圍[4]

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2爆炸輻照是兩種主要輻照威脅，其主要表現(xiàn)為γ射線，劑量占總輻照劑量的80%~90%[4-6]。因此研究無人機(jī)、飛艇用電源系統(tǒng)及功率器件總劑量輻照效應(yīng)是本課題的目標(biāo)之一，這也是目前GaN功率開關(guān)器件抗輻照研究的主要方向之一。隨著在飛行器等設(shè)備上的應(yīng)用需求不斷增長(zhǎng)，GaN功率開關(guān)器件在空間輻照、核爆炸輻照等環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和可靠性成為了至關(guān)重要的問題。這些都是針對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)合的GaN電力電子器件設(shè)計(jì)中必須考慮的設(shè)計(jì)要素。圖1-1輻照的來源及影響范圍[4]如圖1-1所示，空間輻射的主要來源是宇宙射線、范艾倫輻照帶以及劇烈的太陽活動(dòng)產(chǎn)生的一些高能粒子，作用于晶格原子，對(duì)半導(dǎo)體材料晶格造成損傷。核爆炸輻照則是核爆炸構(gòu)成中子輻照并伴隨劇烈的γ射線和X射線輻照。1.2.1電離輻射效應(yīng)電離輻射主要表現(xiàn)為總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)，主要是由于原子之間的相互作用，通過電離效應(yīng)使原子偏離原有的帶電狀態(tài)和內(nèi)能，造成原子電離[7]，如圖1-2所示。航天設(shè)備工作在沒有或稀疏的大氣情況或地球電離層外，電源系統(tǒng)及功率器件受到的輻照劑量高達(dá)數(shù)十Gy/h，因此研究無人機(jī)、衛(wèi)星用電源系統(tǒng)及功率器件關(guān)于總劑量的輻照效應(yīng)顯得尤為重要。圖1-2輻照導(dǎo)致原子電離的能帶示意圖[7]

第一章緒論31.2.2非電離輻射效應(yīng)非電離輻射主要表現(xiàn)形式為對(duì)器件造成位移損傷，主要由質(zhì)子、中子、核碎片等高能粒子通過非電離碰撞作用于晶格原子使其偏離原位產(chǎn)生空位、替位或更加復(fù)雜的絡(luò)合物，進(jìn)而對(duì)器件產(chǎn)生長(zhǎng)期作用，引入缺陷和陷阱，如圖1-3所示[8]。不同劑量以及種類的輻射源對(duì)GaN功率器件造成的損傷類型會(huì)產(chǎn)生差異。圖1-3所示為完好的GaN晶格、由質(zhì)子和電子產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷以及由中子產(chǎn)生的無序區(qū)域，這種損傷主要與單粒子輻照的能量與注量相關(guān)。(a)(b)(c)圖1-3GaN晶格示意圖。(a)輻照前完好GaN晶格；(b)質(zhì)子/電子輻射造成的點(diǎn)缺陷；(c)中子輻照典型的無序區(qū)[8]1.3GaN功率器件輻照效應(yīng)研究現(xiàn)狀2001年以來，針對(duì)AlGaN/GaN功率開關(guān)器件γ射線總劑量輻照效應(yīng)和損傷機(jī)制，國(guó)外已經(jīng)開展了一些研究工作，但實(shí)驗(yàn)表征等技術(shù)還不夠成熟，并且輻照損傷機(jī)制研究較復(fù)雜。研究者們用不同注入劑量（0.1Mrad(Si)~20Mrad(Si)、300Mrad(Si)、600Mrad(Si)等）的60Co-γ射線在不同溫度（室溫，70oC）[9-12]條件下對(duì)器件進(jìn)行輻照，發(fā)現(xiàn)一定劑量的60Co-γ射線對(duì)AlGaN/GaNHEMT器件及相關(guān)結(jié)構(gòu)影響幾乎可以忽略。由于考慮到空間攜帶設(shè)備應(yīng)用時(shí)所處的環(huán)境，對(duì)γ輻照影響的研究往往著重于大劑量輻照對(duì)GaN器件的影響。研究發(fā)現(xiàn)高劑量的輻照[13]使AlGaN/GaNHEMT器件的漏極飽和電流、跨導(dǎo)、柵極泄露電流等電學(xué)特性退化。早期研究者們主要關(guān)注于高劑量輻照而忽略了低劑量對(duì)器件性能的影響。近年來的研究發(fā)現(xiàn)[14]，低劑量的γ輻照有改善設(shè)備特性的趨勢(shì)。對(duì)于超過300Gy的劑量，缺陷散射導(dǎo)致載流子遷移率的退化，擴(kuò)散長(zhǎng)度的降低。相反，被低劑量γ射線[15]（低于300Gy）照射后，HEMT器件中少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度提高了26%（這可能與輻照延長(zhǎng)了非平衡載流子壽命有關(guān)?

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