室温电子风力退火技术：辐照氮化镓晶体管的高效修复新策略

这篇综述创新性地提出了室温电子风力退火（EWF）技术，通过非热机制（电子动量传递）实现氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）的辐照损伤修复。相比传统高温退火（400°C/8h），EWF在32°C下5分钟即可消除原生缺陷，使器件性能超越原始状态，为抗辐射电子器件开发提供了突破性解决方案。

　　

1 引言

氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）因其宽禁带特性成为抗辐射电子器件的理想选择，但晶格失配和热膨胀系数差异导致的本征缺陷成为辐照损伤的"温床"。传统热退火（200-750°C）会因多层结构热应力引发新缺陷，而电子风力退火（EWF）通过高密度电子流驱动缺陷迁移，在近环境温度下实现缺陷中和。EWF的物理本质是电子与缺陷原子间的动量传递，其等效激活能≈0.5 eV，可克服Ga空位（V_Ga）的迁移势垒（<1.5 eV）。

2 实验方法

研究采用商用GaN-on-Si器件（GS-065-004-1-L），分为原始组和EWF预处理组，均接受10 Mrad钴-60γ辐照。EWF参数为20μs脉宽/2Hz频率，电流密度70-100A，热成像显示处理温度仅32°C（ΔT<1°C）。对照实验采用100-400°C传统退火8小时，通过源测量单元（SMU）监测输出/转移特性曲线。

3 结果与讨论

预退火增效：EWF预处理使器件初始漏极电流（I_DS）提升38%（585mA vs 425mA@5V），辐照后电流保持率高达93%，而原始器件衰减32%。证明原生缺陷减少可抑制辐照诱导缺陷累积。

损伤修复：辐照后EWF处理使I_DS恢复至566mA（超越原始值33%），阈值电压（V_th）从1.8V回至1.6V。DLTS分析表明EWF主要修复缓冲层中碳/铁相关深能级陷阱（E_C-0.57eV）。

机制解析：EWF驱动力F_EWF=ZeE（Z≈10），在10⁴ V/cm场强下产生等效0.5eV能量，促使V_Ga与间隙原子复合。而400°C热退火因GaN（5.6×10^-6 K^-1）/Si（2.6×10^-6 K^-1）热失配产生>1GPa应力，导致性能进一步恶化。

4 结论

EWF技术突破传统热退火的温度限制，在1分钟内实现三重突破：①将HEMT抗辐照能力提升2倍；②使损伤器件性能超越原始水平；③避免热应力导致的二次损伤。该技术为航天电子、核电站等极端环境下的器件修复提供了颠覆性解决方案。