γ辐照对关态与开态p-GaN栅HEMTs陷阱效应的差异化影响机制研究

为解决p-GaN栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)在核辐射环境中可靠性问题，研究人员系统研究了600 krad γ辐照对关态与开态器件电学特性及陷阱行为的差异化影响。通过电流瞬态法识别六种陷阱，发现辐照后关态器件陷阱密度降低导致阈值电压负漂移，而开态器件因电场驱动电子迁移使陷阱密度增加。该研究揭示了辐照状态依赖性陷阱调控机制，为抗辐射器件设计提供理论依据。

　　

在卫星平台和核系统等极端环境中，高功率电子推进技术对器件的耐高温、耐辐射性能提出严苛要求。氮化镓基高电子迁移率晶体管(HEMTs)凭借其大击穿电压、高电子饱和速率等优势成为理想选择，但材料生长过程中固有的高密度缺陷（如镁掺杂剂和氮空位）在辐射环境下会引发严重的陷阱效应，导致器件性能退化。尽管已有研究表明γ辐照对HEMTs的影响具有剂量依赖性，但关于增强型p-GaN栅结构在关态与开态下的差异化响应机制仍不明确，特别是辐照诱导陷阱动态行为的调控规律亟待揭示。

北京工业大学的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表论文，通过对比600 krad ⁶⁰Co-γ辐照下关态与开态p-GaN栅HEMTs的电学特性变化，结合电流瞬态法系统分析了陷阱分布与密度的演变规律。研究发现：关态器件因辐照诱导结构有序化使陷阱密度降低，导致阈值电压负漂移(ΔV_TH=-0.10 V)和栅极漏电流(I_GS)减小；而开态器件在电场作用下发生定向电子迁移，反而使陷阱绝对幅度增加。值得注意的是，辐照未产生新陷阱且陷阱时间常数/能级保持不变，这一发现为抗辐射器件设计提供了关键阈值剂量参考。

研究采用三项关键技术：1) 商用增强型p-GaN栅HEMTs的辐照实验设计（关态/开态对比）；2) 电流瞬态法精准识别六种陷阱参数；3) 电学特性测试（转移曲线、输出特性、栅极特性）。

结果与讨论

1. 电学特性测试：关态器件阈值电压负漂移0.10 V且饱和区漏极电流(I_DS)增加，开态器件则呈现非单调变化。栅极特性显示辐照后关态I_GS降低，表明陷阱密度减少。

2. 陷阱行为分析：电流瞬态法揭示器件中存在六个特征陷阱。关态下辐照使漏极/栅极附近陷阱幅度降低，归因于辐照诱导结构有序化；而开态器件因电场驱动载流子迁移导致陷阱幅度增加。

3. 辐照机制阐释：600 krad剂量下仅存在电离效应（通过康普顿电子产生电子-空穴对），未引发位移效应。陷阱能级和时间常数的稳定性证实该剂量下无新缺陷产生。

结论与意义
该研究首次阐明γ辐照对p-GaN栅HEMTs的差异化调控机制：关态辐照通过材料有序化减少陷阱密度，而开态电场作用反向增强陷阱效应。这一发现为理解辐照-电场协同作用提供了新视角，明确600 krad可作为抗辐射设计的临界剂量阈值。研究成果对航天器电源系统、核反应堆监测设备等极端环境应用的器件优化具有重要指导价值。