Si基GaN功率器件輻照失效機理與可靠性研究
發(fā)布時間：2021-07-21 08:32
隨著空間技術的發(fā)展,電力電子器件作為電子設備的重要組成部分,對其性能要求越來越嚴格。相比傳統(tǒng)Si基MOSFETs,GaN功率器件在高頻、高溫、高電場等惡劣環(huán)境下具有較強的性能優(yōu)勢。結合GaN材料自身具有較強抗輻照性能,Si基GaN功率器件在空間飛行器中具有廣泛的應用前景。由于空間輻照環(huán)境較為復雜以及GaN功率器件可靠性等問題,對Si基GaN功率器件抗輻特性帶來巨大的挑戰(zhàn),因此,研究輻照效應對Si基GaN器件可靠性的影響十分必要。在上述背景下,本文主要從實驗和理論兩個方面入手,研究了Si基GaN功率器件的輻照效應。通過深入分析輻照效應導致GaN功率器件電學性能變化的規(guī)律,揭示GaN器件失效機理,為今后GaN器件抗輻加固工作的開展提供理論基礎。主要研究內(nèi)容如下:（1）開展耗盡型Si基GaN功率器件60Co-γ射線輻照效應的實驗研究。實驗發(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-SiNx/AlGaN界面比AlGaN/GaN異質結界面...
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：73 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
輻照的來源及影響范圍[4]
電子科技大學碩士學位論文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、飛艇用電源系統(tǒng)及功率器件總劑量輻照效應是本課題的目標之一，這也是目前GaN功率開關器件抗輻照研究的主要方向之一。隨著在飛行器等設備上的應用需求不斷增長，GaN功率開關器件在空間輻照、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重要的問題。這些都是針對特殊應用場合的GaN電力電子器件設計中必須考慮的設計要素。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產(chǎn)生的一些高能粒子，作用于晶格原子，對半導體材料晶格造成損傷。核爆炸輻照則是核爆炸構成中子輻照并伴隨劇烈的γ射線和X射線輻照。1.2.1電離輻射效應電離輻射主要表現(xiàn)為總劑量效應和單粒子效應，主要是由于原子之間的相互作用，通過電離效應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數(shù)十Gy/h，因此研究無人機、衛(wèi)星用電源系統(tǒng)及功率器件關于總劑量的輻照效應顯得尤為重要。圖1-2輻照導致原子電離的能帶示意圖[7]
第一章緒論31.2.2非電離輻射效應非電離輻射主要表現(xiàn)形式為對器件造成位移損傷，主要由質子、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、替位或更加復雜的絡合物，進而對器件產(chǎn)生長期作用，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GaN功率器件造成的損傷類型會產(chǎn)生差異。圖1-3所示為完好的GaN晶格、由質子和電子產(chǎn)生的點缺陷以及由中子產(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。(a)(b)(c)圖1-3GaN晶格示意圖。(a)輻照前完好GaN晶格；(b)質子/電子輻射造成的點缺陷；(c)中子輻照典型的無序區(qū)[8]1.3GaN功率器件輻照效應研究現(xiàn)狀2001年以來，針對AlGaN/GaN功率開關器件γ射線總劑量輻照效應和損傷機制，國外已經(jīng)開展了一些研究工作，但實驗表征等技術還不夠成熟，并且輻照損傷機制研究較復雜。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]條件下對器件進行輻照，發(fā)現(xiàn)一定劑量的60Co-γ射線對AlGaN/GaNHEMT器件及相關結構影響幾乎可以忽略。由于考慮到空間攜帶設備應用時所處的環(huán)境，對γ輻照影響的研究往往著重于大劑量輻照對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、柵極泄露電流等電學特性退化。早期研究者們主要關注于高劑量輻照而忽略了低劑量對器件性能的影響。近年來的研究發(fā)現(xiàn)[14]，低劑量的γ輻照有改善設備特性的趨勢。對于超過300Gy的劑量，缺陷散射導致載流子遷移率的退化，擴散長度的降低。相反，被低劑量γ射線[15]（低于300Gy）照射后，HEMT器件中少數(shù)載流子擴散長度提高了26%（這可能與輻照延長了非平衡載流子壽命有關?
【參考文獻】：
期刊論文
[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]空間光學敏感器/探測器荷電粒子屏蔽技術綜述[J]. 王春宇,鄧樓樓,梅志武,陳然,王偉華,張麗秀,張慧峰,種薈萱. 河北科技大學學報. 2016(01)
[3]微電子器件抗輻射加固技術發(fā)展研究[J]. 王健安,謝家志,賴凡. 微電子學. 2014(02)
[4]60Co gamma radiation effect on AlGaN/AlN/GaN HEMT devices[J]. 王燕萍,羅尹虹,王偉,張科營,郭紅霞,郭曉強,王園明. Chinese Physics C. 2013(05)
[5]航天電子元器件抗輻照加固工藝[J]. 孫慧,徐抒巖,孫守紅,張偉. 電子工藝技術. 2013(01)
[6]輻射效應對半導體器件的影響及加固技術[J]. 趙力,楊曉花. 電子與封裝. 2010(08)
[7]星載電子設備抗輻照分析及器件選用[J]. 周旸. 現(xiàn)代雷達. 2008(09)
[8]航天電子抗輻射研究綜述[J]. 馮彥君,華更新,劉淑芬. 宇航學報. 2007(05)
本文編號：3294685
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：73 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
輻照的來源及影響范圍[4]
電子科技大學碩士學位論文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、飛艇用電源系統(tǒng)及功率器件總劑量輻照效應是本課題的目標之一，這也是目前GaN功率開關器件抗輻照研究的主要方向之一。隨著在飛行器等設備上的應用需求不斷增長，GaN功率開關器件在空間輻照、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重要的問題。這些都是針對特殊應用場合的GaN電力電子器件設計中必須考慮的設計要素。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產(chǎn)生的一些高能粒子，作用于晶格原子，對半導體材料晶格造成損傷。核爆炸輻照則是核爆炸構成中子輻照并伴隨劇烈的γ射線和X射線輻照。1.2.1電離輻射效應電離輻射主要表現(xiàn)為總劑量效應和單粒子效應，主要是由于原子之間的相互作用，通過電離效應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數(shù)十Gy/h，因此研究無人機、衛(wèi)星用電源系統(tǒng)及功率器件關于總劑量的輻照效應顯得尤為重要。圖1-2輻照導致原子電離的能帶示意圖[7]
第一章緒論31.2.2非電離輻射效應非電離輻射主要表現(xiàn)形式為對器件造成位移損傷，主要由質子、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、替位或更加復雜的絡合物，進而對器件產(chǎn)生長期作用，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GaN功率器件造成的損傷類型會產(chǎn)生差異。圖1-3所示為完好的GaN晶格、由質子和電子產(chǎn)生的點缺陷以及由中子產(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。(a)(b)(c)圖1-3GaN晶格示意圖。(a)輻照前完好GaN晶格；(b)質子/電子輻射造成的點缺陷；(c)中子輻照典型的無序區(qū)[8]1.3GaN功率器件輻照效應研究現(xiàn)狀2001年以來，針對AlGaN/GaN功率開關器件γ射線總劑量輻照效應和損傷機制，國外已經(jīng)開展了一些研究工作，但實驗表征等技術還不夠成熟，并且輻照損傷機制研究較復雜。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]條件下對器件進行輻照，發(fā)現(xiàn)一定劑量的60Co-γ射線對AlGaN/GaNHEMT器件及相關結構影響幾乎可以忽略。由于考慮到空間攜帶設備應用時所處的環(huán)境，對γ輻照影響的研究往往著重于大劑量輻照對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、柵極泄露電流等電學特性退化。早期研究者們主要關注于高劑量輻照而忽略了低劑量對器件性能的影響。近年來的研究發(fā)現(xiàn)[14]，低劑量的γ輻照有改善設備特性的趨勢。對于超過300Gy的劑量，缺陷散射導致載流子遷移率的退化，擴散長度的降低。相反，被低劑量γ射線[15]（低于300Gy）照射后，HEMT器件中少數(shù)載流子擴散長度提高了26%（這可能與輻照延長了非平衡載流子壽命有關?
【參考文獻】：
期刊論文
[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]空間光學敏感器/探測器荷電粒子屏蔽技術綜述[J]. 王春宇,鄧樓樓,梅志武,陳然,王偉華,張麗秀,張慧峰,種薈萱. 河北科技大學學報. 2016(01)
[3]微電子器件抗輻射加固技術發(fā)展研究[J]. 王健安,謝家志,賴凡. 微電子學. 2014(02)
[4]60Co gamma radiation effect on AlGaN/AlN/GaN HEMT devices[J]. 王燕萍,羅尹虹,王偉,張科營,郭紅霞,郭曉強,王園明. Chinese Physics C. 2013(05)
[5]航天電子元器件抗輻照加固工藝[J]. 孫慧,徐抒巖,孫守紅,張偉. 電子工藝技術. 2013(01)
[6]輻射效應對半導體器件的影響及加固技術[J]. 趙力,楊曉花. 電子與封裝. 2010(08)
[7]星載電子設備抗輻照分析及器件選用[J]. 周旸. 現(xiàn)代雷達. 2008(09)
[8]航天電子抗輻射研究綜述[J]. 馮彥君,華更新,劉淑芬. 宇航學報. 2007(05)
本文編號：3294685
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