TID效应研究及硬化的级联GaN HEMT制造方法

《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》：TID effect study and hardened method of cascode GaN HEMT

辐射加固型Cascode GaN HEMT通过替换非加固Si MOSFET为辐射硬化平面结构，优化门氧和结终端工艺，将TID耐受性提升至200 krad(Si)以上，阈值电压漂移控制在0.4 V内。机制研究表明界面态密度增加导致载流子迁移率下降，引发漏电流增大

　　
本文聚焦于解决传统Cascode GaN HEMT在高剂量总离子izing剂量（TID）辐射下的功能失效问题。研究团队通过结构创新与工艺优化，成功将TID耐受剂量提升至200 krad(Si)以上，并控制在阈值电压漂移小于0.4 V的范围内，为航天电子设备提供了突破性解决方案。

一、技术痛点与背景
传统Cascode结构采用 trench gate Si MOSFET与D-HEMT组合，但Si MOSFET的非辐射硬化特性导致其难以承受极端辐射环境。实验表明，当TID剂量达到30 krad(Si)时，此类器件会出现阈值电压急剧下降（可达1.8 V）、漏极饱和电流失控等严重失效现象。这主要源于γ射线对Si MOSFET gate oxide的轰击，引发深陷阱电荷累积，削弱氧化层绝缘性能，最终导致沟道载流子密度与迁移率异常变化。

二、创新性解决方案
研究团队提出双重结构优化策略：
1. **器件架构革新**：采用平面Si MOSFET替代传统trench gate结构。平面工艺通过优化源漏极连接路径，降低γ射线对关键路径的穿透率，同时增大芯片面积以增强电荷存储能力。

2. **辐射硬化工艺体系**：
- **氧化物层强化**：在80 nm gate oxide中引入低温（<900℃）生长工艺，结合退火修复缺陷。通过控制氧化层晶体质量与界面态密度，使深陷阱浓度降低两个数量级。
- **漏极区域优化**：在 termination region设计双重防护层，包含：
* 3组冗余场限环（较传统结构增加50%数量）
* 浮动场板与固定挡板组合结构
* 采用银包覆陶瓷基板（Ag-coated ceramic substrate）增强电荷屏蔽效率
- **包覆层创新**：在GaN HEMT表面新增5μm厚AlN缓冲层，其晶体结构与应力梯度设计有效缓解辐射诱导的热应力损伤。

三、实验验证与性能突破
通过Co-60 γ射线源系统（剂量率50 rad(Si)/s）进行梯度剂量测试（10-200 krad(Si)），关键数据如下：
1. **阈值电压稳定性**：Device C在200 krad(Si)后阈值电压漂移仅0.4 V（Device A在30 krad(Si)时已失效），归因于：
- 平面Si MOSFET采用逐层生长技术，氧化层缺陷密度降低至5×10^9 cm?2（传统trench结构为2×1011 cm?2）
- 红外退火工艺（100℃×168h）使界面态密度饱和增长，较未退火器件减少40%陷阱电荷

2. **导通电阻控制**：Device C RDS(on)在200 krad(Si)后仅上升5.2%（ Device A在50 krad(Si)时已达初始值的2.3倍）。通过TCAD模拟揭示：
- 辐射诱导的AlGaN/GaN界面负电荷密度（1.2×1012 cm?2）导致2DEG电子密度下降18%
- Si3N4/AlGaN界面正电荷密度（4.5×1012 cm?2）产生反向场效应，进一步降低载流子迁移率

3. **抗辐射机制解析**：
- **双界面电荷屏蔽**：通过平面Si MOSFET的厚氧化层（80 nm）与GaN HEMT的AlN缓冲层（200 nm）形成梯度电场，将γ射线能量衰减效率提升至92%
- **热释电效应利用**：在100℃退火过程中，Si3N4层释放的热应力（~2.5 GPa）有效激活钝化层中的辐射陷阱，形成自修复界面
- **动态平衡维持**：通过控制Si MOSFET的阈值电压漂移（<0.4 V），确保GaN HEMT的2DEG密度在1.5×1012 cm?2±8%范围内稳定

四、工程应用价值
该技术突破显著提升了航天电子设备的可靠性：
1. **剂量容忍度**：达到200 krad(Si)的耐受量，超过传统MOSFET结构的20倍
2. **性能保持度**：关键参数（RDS(on)、BV(DSS)）在退火后恢复率超过95%
3. **工艺兼容性**：平面Si MOSFET与GaN HEMT的集成工艺温度窗口达450-850℃（较传统方案拓宽60%）
4. **成本效益**：通过优化场限结构，使单位面积漏极击穿强度提升30%，同时降低工艺复杂度

五、机制深化与改进方向
研究通过构建双物理模型解释失效机理：
1. **氧化物损伤模型**：采用蒙特卡洛模拟计算γ射线在SiO2中的能量沉积分布，发现沿沟道方向存在剂量依赖性陷阱形成（剂量率50 rad(Si)/s下，陷阱生成速率达1.2×101? cm?2·rad(Si)?1）
2. **界面态演化模型**：基于First-principles计算，揭示Si3N4/AlGaN界面在200 krad(Si)下产生0.18 V电势差，导致2DEG迁移率下降至初始值的65%

改进方向包括：
- 开发自修复型界面钝化层（如HfO2/SiO2复合层）
- 引入石墨烯量子点作为辐射屏蔽层
- 优化退火工艺曲线（如梯度升温至600℃后快冷）

六、产业化潜力评估
1. **性能指标对比**：
| 参数 | Device A | Device C |
|--------------|----------|----------|
| TID耐受剂量 | 30 krad(Si) | 200 krad(Si) |
| RDS(on)漂移 | 15% | 5.2% |
| BV(DSS)保持率 | 72% | 98% |

2. **成本优化路径**：
- 通过结构创新减少场限环数量（从5组减至3组）
- 采用低温氧化工艺（<600℃）降低设备投资
- 开发与现有Si MOSFET产线兼容的封装方案

3. **应用场景扩展**：
- 卫星功率模块（耐剂量300 krad(Si)）
- 火星探测器驱动电路（耐剂量500 krad(Si)）
- 核电电子设备（耐剂量1000 krad(Si)）

本研究为第三代半导体器件的航天应用奠定了理论基础，其创新性的双界面防护机制（氧化物层+氮化铝层）和梯度退火工艺，为高剂量辐射环境下的功率电子设备提供了可复制的解决方案。后续研究可聚焦于极端温度（-55℃~150℃）下的性能稳定性优化，以及多粒子辐照（质子、α粒子）下的复合防护策略。