GaN功率器件的開關頻率高、功率損耗低，因此可為航空航天應用帶來諸多優勢。然而，暴露于來自太陽耀斑或范艾倫輻射帶的高能質子輻照時，GaN功率器件仍面臨反向阻斷和/或正向傳導性能的下降。
目前，中國科學技術大學（USTC）的研究人員展示了一款垂直GaN PiN二極管，經過高能質子輻照后，該器件的反向阻斷電壓（BV）超過1.7 kV，研究團隊認為這是最先進的準垂直和全垂直GaN功率二極管中最佳的。
研究團隊研究了劑量高達1×1014 cm-2的10MeV和50MeV質子輻照對垂直GaN-on-GaN PiN二極管的影響，經過高能量和高劑量質子輻照后，該器件的阻斷電壓可保持在1.7 kV以上（10-4 A/cm2時）。同時，經過質子輻照后，垂直GaN PiN二極管的電導調制仍然存在，但出現弱化。
在基于空間的應用中，功率電子電路易受質子、α 粒子和重離子等影響，導致性能下降甚至潛在故障。其中，能量從幾百 keV 到幾百 MeV 的質子會造成位移損傷，影響電學性能。而寬帶隙半導體器件由于具有高位移能，在惡劣輻射環境中具有重要應用潛力。近年來，垂直 GaN-on-GaN 功率器件因高擊穿電壓、大電流容量和優越的動態性能而備受關注。本研究旨在探究 10-MeV 和 50-MeV 質子輻照（通量高達 1×101? cm?2）對 kV 級垂直 GaN-on-GaN PiN 二極管電學性能和電致發光（EL）特性的影響，深入理解質子輻照對垂直 GaN 功率器件性能的損害機制，為器件在惡劣輻射環境中的應用提供理論支持。
實驗所用的 GaN-on-GaN 外延結構通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在自由-standing 的 n?-GaN 襯底上生長而成，包括 25-nm p?-GaN 接觸層、500-nm Mg 摻雜濃度為 4×101? cm?3 的 p-GaN 層以及 15-μm 凈摻雜濃度為 6×101? cm?3 的 n?-GaN 漂移層。通過多能量氮離子注入形成邊緣終結，采用部分刻蝕 p-GaN 和氮離子注入實現相鄰器件隔離。在清潔后的 p-GaN 表面沉積 50/50 nm Pd/Au 陽極金屬堆并進行圖案化，隨后在氮氣氛圍中 480℃退火 10 分鐘形成歐姆接觸。之后沉積 200-nm SiO?鈍化層，開窗后沉積 Ti/Al/Ti/Au 金屬堆形成 n?-GaN 襯底背面的歐姆接觸。制造完成的垂直 GaN-on-GaN PiN 二極管在無偏置條件下，分別接受 50 MeV（通量 1×101? cm?2）、10 MeV（通量 3×1013 cm?2 和 1×101? cm?2）的質子輻照。根據 SRIM 模擬，10-MeV 和 50-MeV 質子在 GaN 中的射程分別為 3.3×102 μm 和 5.5×103 μm，線能量傳遞（LET）分別為 1.4×10?2 MeV·cm2/mg 和 8.4×10?3 MeV·cm2/mg。
正向導電性能 ：未輻照的新垂直 GaN PiN 二極管展現出良好的電導調制能力，其 RON,sp 隨正向偏置增加而持續降低（從 1 kA/cm2 時的 1.0 mΩ·cm2 降至 6 kA/cm2 時的 0.46 mΩ·cm2），且顯著低于計算值 2.2 mΩ·cm2。經過 50-MeV 質子輻照后，在相對較低電流水平下正向導電性能幾乎沒有退化，但當電流密度超過 5 kA/cm2（正向電壓約 8 V）時，器件 RON,sp 隨正向偏置增加而上升，9 V 時比新鮮器件高約 1.1 倍。10-MeV 質子輻照（通量分別為 3×1013 cm?2 和 1×101? cm?2）后，9 V 時 RON,sp 分別增加約 2.4 倍和 2.9 倍。即使在 10-MeV 質子通量為 1×101? cm?2 時，測得的 RON,sp（1.3 mΩ·cm2）仍低于計算值，表明垂直 GaN PiN 二極管在質子輻照后仍存在電導調制，只是其電導調制能力減弱，表現為 RON,sp 隨正向偏置的降低程度減小。反向阻斷特性 ：新鮮垂直 GaN PiN 二極管在 10?? A/cm2 下的反向阻斷電壓（BV）可達約 2000 V，對應的巴利加優值（BFOM = BV2/RON,sp）約為 8.7 GW/cm2。同批次器件平均 BV 約為 1982 V，相對標準偏差約為 0.8%。50-MeV 質子輻照后，垂直 GaN PiN 二極管仍保持約 2000 V 的 BV，漏電流變化不大。而 10-MeV 質子輻照后，器件在相對高電壓下漏電流增加，BV 分別降至約 1850 V（通量 3×1013 cm?2）和 1770 V（通量 1×101? cm?2），可能與沿著穿孔位錯的可變范圍躍遷（VRH）有關。50-MeV 質子因射程較大，對電學性能的損害較小，與先前研究中的能量依賴性一致。
光致發光特性變化 ：在 GaN PiN 二極管中，正向電壓（VF）小于 8 V 時，EL 發射主要由黃帶發光（YL）和藍帶發光（BL）主導。BL 發射與 p-GaN 中 Mg 相關的輻射復合過程有關。而在新鮮 GaN PiN 二極管中，當 VF 大于等于 8 V 時，近帶邊發射（NBE）和紫外發光（UVL）峰值出現，并隨正向偏置增加而持續增強，這使得光子再吸收（即光子回收）和光子輔助電導調制成為可能。與新鮮器件相比，輻照后的器件在較高正向偏置下 NBE 和 UVL 的相對強度降低。光致發光與電導調制的關系 ：通過提取不同輻照條件下的 NBE 和 UVL 比例發現，質子輻照后，NBE 和 UVL 比例降低，且通量越高或能量越低，降低越顯著。這表明質子輻照導致更多深中心形成，抑制了帶間或帶間受主的復合過程。同時，NBE 和 UVL 比例的降低與傳導能力的降低（或 RON,sp 的增加）一致，均源于 n?-GaN 層載流子濃度的減少和光子輔助電導調制的減弱。
本研究深入探究了 10-MeV 和 50-MeV 質子輻照（通量高達 1×101? cm?2）對垂直 GaN-on-GaN PiN 二極管的影響。結果表明，質子輻照后，垂直 GaN PiN 二極管仍能保持高于 1.7 kV 的 BV，但 RON,sp 特別是在較高正向偏置下有所增加。正向導電性能的退化歸因于 n?-GaN 層載流子濃度的降低以及光子輔助電導調制的減弱，而后者與根據電壓依賴性 EL 表征得出的 NBE 和 UVL 抑制相關。這些電學和光學表征及分析結果，為垂直 GaN 功率器件在惡劣輻射環境中的未來應用提供了寶貴的見解，有助于推動 GaN 功率器件在航天等高能輻射環境下的可靠應用和發展。
來源：IEEE Electron Device Letters
鏈接：DOI：10.1109/LED.2024.3523681
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