Радиационная стойкость силовых устройств на основе нитрида галлия

Обзор: В статье рассматривается радиационная устойчивость силовых устройств на основе нитрида галлия. В нем рассматриваются общая ионизирующая доза, повреждение смещением и единичные эффекты, а его цель - предоставить ценную информацию о надежности устройств на основе нитрида галлия.

Нитрид галлия (GaN) обладает лучшими характеристиками, чем кремний (Si) и карбид кремния (SiC), например, большая запрещенная зона и более высокое критическое электрическое поле. Несмотря на то, что устройства GaN используются во многих различных приложениях, все еще остаются без ответа опасения по поводу их надежности, стабильности и надежности.

Является ли нитрид галлия полностью устойчивым к радиации?

Для силовых устройств более важным требованием стала устойчивость к радиации и экстремальным температурам. Помимо традиционного применения, силовые устройства на основе GaN считаются отличным вариантом для применения в космосе, аэрокосмической и военной сфере. В большинстве случаев эти приложения требуют оборудования, способного выдерживать суровые температуры и радиацию.

GaN естественным образом устойчив к радиации из-за его высокой пороговой энергии ионизации и пороговой энергии смещения. Однако радиационная стойкость GaN-устройств зависит от конструкции устройства и качества материала.

GaN HEMT — это латеральные транзисторы с высокой подвижностью электронов. Радиационное повреждение оказывает на эти транзисторы иное воздействие, чем на Si и SiC FET.

Три категории, на которые можно разделить радиационные эффекты:

● Общая ионизирующая доза (TID)

● Урон от смещения

● Эффекты единичного события (SEE).

На рис. 1(а) суммированы эти эффекты и их связь с локальными физическими процессами в GaN HEMT.

Рис. 1: (а) Типы радиации и место поражения; (б) Подборка значений VSEB, найденных для HEMT E-режима. Источник: Транзакции IEEE по силовой электронике.

● Выделение энергии за счет ионизирующего излучения фотонов или ионов является причиной эффектов ПИВ.

● Эффекты повреждения смещением возникают в результате смещения атомов в облучаемом устройстве вследствие передачи энергии.

● SEE являются результатом кратковременной ионизационной реакции устройства на внезапный удар радиационной частицы.

И ПИВ, и повреждение смещения вызывают изменения в устройстве, которые зависят от общей дозы поглощенной радиации.

Хотя SEE являются временными событиями, которые могут вызвать мгновенную деградацию или выход устройства из строя. Они могут вызвать необратимые сбои жесткого переключения в цепях преобразователей, и, в частности, SEE являются основным источником беспокойства для силовых устройств.

Общая ионизирующая доза (TID)

Ожидается, что HEMT GaN с P-затвором в целом будут устойчивы к эффектам TID, поскольку они не содержат оксида затвора. Согласно недавнему исследованию, эффекты TID в GaN HEMT зависят от смещения, что также отмечено в SP-HEMT и HD-GIT.

При сравнении устройств с номиналом 80 В и 200 В устройство с более высоким напряжением демонстрирует больший сдвиг порогового напряжения. Исследования радиации композитных GaN-устройств не были широко опубликованы, но поскольку в этих устройствах используется Si-мосфет с оксидом затвора, они должны быть более уязвимы к эффектам ПИВ.

Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять влияние воздействия ПИВ на устройства GaN в условиях переключения, при которых происходит самонагрев. Было обнаружено, что отжиг обращает вспять некоторые из этих эффектов в GaN HEMT.

Исследования влияния ПИД на динамические свойства GaN HEMT проводятся редко.

● При воздействии облучения Co-60 силой 300 крад (рентгеновское излучение 1 МэВ) HD-GIT не демонстрируют значительных изменений в своем динамическом сопротивлении включению.

● Более того, SP-HEMT демонстрируют незначительные изменения после воздействия рентгеновского TID 300 крад с энергией 10 кэВ.

Урон от смещения

В GaN HEMT эффекты смещения в основном зависят от энергии, массы и заряда облучающей частицы. Количество неионизирующей энергии, теряемой при попадании частицы излучения на материал устройства, можно использовать для измерения этих эффектов.

Ряд HD-GIT и SP-HEMT тестируются в условиях смещения, подвергаясь протонному и нейтронному облучению до максимального общего флюенса 6×10 ¹⁵ см ^-2.

● Когда устройства беспристрастны, они могут работать при максимальной плотности энергии.

● Когда устройства подвержены значительным смещениям в выключенном состоянии, отмечаются сбои.

Аналогичные результаты наблюдаются, когда SP-HEMT подвергаются воздействию от 1 × 10 ¹² до 1 × 10 ¹⁵ см ^-2 общего флюенса быстрых нейтронов.

● По мере увеличения флюенса ток утечки затвора уменьшается.

● Хотя пороговое напряжение и динамическое сопротивление включения не изменяются в ответ на воздействие,

Наоборот, SP-HEMT исследовательского уровня изучался после воздействия дозы протонов с энергией 5 МэВ, равной 2 × 10 ¹⁵см ^-2 . Результаты показали

● Пятикратное увеличение динамического сопротивления включению.

● Отрицательный сдвиг порогового напряжения.

Причиной таких результатов является образование дефектов в затворе p-GaN.

Примечательно, что при облучении HD-GIT протонами высокой энергии до флюенса 2 × 10 ¹⁴см ^-2

● Наблюдается небольшой положительный сдвиг порогового напряжения.

Чтобы полностью понять, как конструкции HD-GIT и SP-HEMT реагируют на повреждения, вызванные радиационным смещением, необходимо провести дополнительные исследования.

Эффекты одного события (SEE)

SEE — это кратковременные явления, вызванные столкновением частицы высокоэнергетического излучения с смещенной конструкцией устройства. Когда устройства смещены, может образоваться значительный след электронно-дырочных пар, что может привести к мгновенному выходу из строя или повреждению устройства.

Хотя СЭЭ может иметь важное значение при атаках нейтронов и протонов высоких энергий, удары тяжелых ионов космических лучей высокой энергии являются основным источником СЭЭ в находящихся в эксплуатации устройствах.

Линейная передача энергии (ЛПЭ) иона и пробег иона внутри структуры являются основными параметрами, используемыми для оценки возможного ущерба от атаки тяжелых ионов.

● LET связана с величиной создания и передачи зарядов.

● Расстояние действия иона будет определять части устройства, уязвимые для событий SEE.

На чувствительность устройства к SEE влияют как условия смещения, так и структура устройства.

ПОСМОТРЕТЬ Типы

В силовых устройствах важны три категории SEE:

● Выгорание при одном событии (SEB).

● Однособытийные переходные процессы (SET).

● Разрыв ворот при одном событии (SEGR).

В большинстве работ проверяется, насколько хорошо устройства работают против эффектов SEE, с использованием метода 1080 MIL-STD-750. Это включает в себя установку устройств в состояние смещения в выключенном состоянии и наблюдение за током стока во время их облучения до тех пор, пока не будет замечен переходный процесс отказа.

Ряд SP-HEMT с номинальным напряжением 40, 100 и 200 В испытываются при напряжении 276 МэВ при номинальном напряжении при воздействии облучения I ¹²⁷ . SEB наблюдается в устройствах с более высоким номинальным напряжением, которые имеют накопительный ущерб от ударов.

SET могут вызвать больший сток стока и утечку затвора в выключенном состоянии, что является еще двумя способами, по которым устройства могут выйти из строя, когда HEMT подвергаются воздействию тяжелых ионов.

Ожидается, что SEGR не будет значительным, поскольку в большинстве устройств GaN HEMT отсутствует оксид затвора.

Подведение итогов по ключевым моментам

● Силовые устройства на основе нитрида галлия обладают превосходными характеристиками, такими как более высокое критическое электрическое поле и большая запрещенная зона, что делает их перспективным вариантом для силовой электроники.

● Нитрид галлия естественным образом устойчив к радиации благодаря своей высокой пороговой энергии ионизации и пороговой энергии смещения.

● Радиационная устойчивость устройств из нитрида галлия зависит от их конструкции и качества материала.

● Общая ионизирующая доза, повреждение от смещения и единичные эффекты — это три категории, на которые можно разделить радиационные эффекты.

● Ожидается, что HEMT на основе нитрида галлия в целом будут устойчивы к воздействию полной ионизирующей дозы, поскольку они не содержат затворного оксида.

● Эффекты единичного события могут привести к необратимым сбоям жесткого переключения в цепях преобразователя и являются основным источником проблем для силовых устройств.

● В статье подчеркивается необходимость продолжения исследований в этой важной области для обеспечения прочности, стабильности и надежности устройств из нитрида галлия в экстремальных условиях, таких как радиация и высокие температуры.

Ссылка

Козак, Джозеф Питер, Жуйчжэ Чжан, Мэтью Портер, Цихао Сун, Цзинцунь Лю, Бисюань Ван, Руди Ван, Ватару Сайто и Юхао Чжан. «Стабильность, надежность и устойчивость силовых устройств на основе GaN: обзор». Транзакции IEEE по силовой электронике 38, вып. 7 (июль 2023 г.): 8442–71. https://doi.org/10.1109/tpel.2023.3266365 .