在模拟的金星表面条件下，InAlN/GaN晶体管的老化分析

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Degradation Analysis of InAlN/GaN Transistors Under Simulated Venus Surface Conditions

金星表面极端环境下InAlN/GaN HEMT器件性能退化机制研究。测试表明在460℃、93bar条件下，器件漏电流下降94%，导通电阻增大9.3倍，阈值电压偏移2.37V，且无法恢复。材料表征揭示IrOx门区存在表面粗糙化及元素互扩散现象。尽管二维电子气结构完整，但未进行偏置测试的器件在常温下仍无法恢复。研究证实InAlN/GaN HEMT适用于金星在轨信号调理电路，但需改进门和钝化层设计，并强调在轨偏置测试的必要性。

　　

摘要：

金星表面极端的热、化学和压力环境对长期运行的着陆器电子设备构成了巨大挑战。氮化镓（GaN）异质结构器件具备出色的化学稳定性和热稳定性，能够在恶劣环境中正常工作。本研究探讨了在金星表面条件下，采用难熔氧化铱（IrOx）栅极的耗尽型InAlN/GaN-on-Si高电子迁移率晶体管（HEMTs）的退化机制。在460°C和93巴的压力下，这些器件进行了为期11天的原位测试。测试结果显示：漏电流从62.46 mA/mm下降至3.71 mA/mm，导通电阻从137.87 Ω·mm增加到1266.50 Ω·mm，导通/截止电流比从288.8×10^3下降至9.88×10^3，阈值电压向正方向移动了2.37伏。暴露后的电学测量表明，无论在无偏压还是有偏压条件下，器件的性能都无法恢复到初始状态。通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）和能量分散X射线光谱（EDX）等材料分析方法，发现IrOx栅极区域出现了表面粗糙化和颗粒聚集现象，这可能是由于暴露后发生了脱湿和扩散作用所致。尽管发生了这些变化，晶体管仍能保持正常功能，霍尔效应测量也证实了二维电子气（2DEG）的存在。一个在相同环境下暴露过的无偏压对照器件的导通性能有所提高，但其阈值电压向负方向移动，且室温下的截止电流增大，导致导通/截止电流比恶化。这项研究展示了InAlN/GaN HEMTs在未来的金星探测任务中用于信号处理电子设备的潜力，同时也指出了改进栅极和钝化层的重要性，并强调了在恶劣条件下进行原位偏压测试的必要性。