离子线性能量转移（LET）与外延层厚度对同质结GaN垂直p-i-n二极管单粒子烧毁及泄漏电流的影响机制

《IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems》：Influence of Ion LET and Epitaxial Thickness on Single-Event Effects in Homojunction GaN Vertical Diodes

　　

本研究系统研究了离子线性能量转移（ion linear energy transfer, LET）与外延/漂移层厚度对同质结氮化镓（gallium nitride, GaN）垂直p-i-n二极管中单粒子效应（single-event effects, SEEs）的影响。具有较厚漂移层的器件对单粒子烧毁（single-event burnout, SEB）表现出更强的耐受性，而较薄外延结构表现出降低的SEB阈值电压。在采用氩（argon, Ar）离子的低LET辐照下，SEB行为与锎-252（californium-252, Cf-252）裂变碎片所观察到的行为密切相似。相反，暴露于更高LET离子（如镨（praseodymium, Pr））会诱导更严重的退化，包括单粒子泄漏电流（single-event leakage current, SELC）以及由热与缺陷驱动的正反馈环路导致的渐进失效，即使在中等反偏电压下亦然。这些结果基于离子LET区分了两种SEB机制：一种与低LET下局部加热和缺陷产生导致的直接击穿相关，另一种由高LET条件下的正反馈环路驱动。为减轻永久损伤，研究结果表明这些器件需要约70%–90%的降额裕度，这与碳化硅（silicon carbide, SiC）功率器件中的观察结果一致。Ar与Cf-252数据之间的一致性突出了使用Cf-252源作为加速器重离子测试的经济有效且实用的替代方案的优势，用于GaN器件早期SEE评估。

研究背景与问题：宽禁带（wide bandgap, WBG）和超宽禁带（ultra WBG, UWBG）半导体如SiC、GaN和氧化镓（Ga₂O₃）近年来在下一代功率电子中受到显著关注。这些材料相比传统硅具有更大带隙、更高击穿电场和改善的电性能。SiC已实现较高技术成熟度和商业部署，尤其在高电压功率开关和汽车应用中；GaN因宽禁带、高电子迁移率和大临界电场的独特组合，可实现更快开关速度、更高效率和更紧凑器件设计，GaN-on-Si则将GaN高性能与硅基制造的成本效率和可扩展性结合。GaN相较SiC具有更优电子输运特性，尤其适合高频运行和高功率密度应用；同质结垂直GaN器件如垂直p-i-n二极管因能处理更高电流密度、阻断更高电压并保持低导通电阻而受到关注，垂直架构还受益于降低的衬底相关缺陷密度和更均匀电场分布，从而提高器件可靠性。SiC器件在空间和核等辐射丰富环境中的性能已被广泛表征，而GaN器件在这些条件下的研究不够全面；尽管GaN用于空间级功率电子的兴趣增长，但其在电离辐射尤其高LET环境中的基本失效机制相比SiC仍理解不足。该知识空白在SEEs中尤为关键，因为重离子等高能粒子可诱导灾难性失效模式，包括SEB和SELC。近期研究表明，垂直GaN器件SEE敏感性强烈依赖器件级参数（如外延漂移层厚度）和辐射参数（如离子LET和射程）；具有足够能量完全穿透外延层的离子可触发强烈局部电荷沉积，形成等离子体、电流流动并最终导致器件失效；SELC已在SiC功率器件短程离子辐照中观察到，但短程离子诱导SEB的实验证据仍有限；因此，对GaN垂直器件中LET和外延厚度相对影响的详细理解仍缺乏。此外，Ga₂O₃肖特基二极管辐照研究提示跨不同WBG平台表征SEE机制的重要性。

研究开展、结论与意义：研究人员系统研究离子LET和外延层厚度对同质结垂直GaN p-i-n二极管SEE行为的影响，采用不同LET重离子辐照并确保射程足够完全穿透外延区，分析两组不同漂移层厚度器件以阐明电荷沉积深度和能量密度对SEB和SELC阈值的作用。研究结果给出GaN垂直二极管辐射响应的新见解，并为抗辐射GaN功率器件开发提供指导；这些发现确认并扩展了Senarath et al.基于Cf-252辐照先前研究的SEB机制，并强调LET在触发GaN极端环境中缺陷介导失效路径中的核心作用。其意义在于：厚外延器件更耐SEB，薄外延结构SEB阈值更低；高LET Pr离子诱导更严重SELC和正反馈渐进失效；基于LET区分两种SEB机制；建议约70%–90%降额；Ar与Cf-252数据一致支持Cf-252作为早期SEE评估的经济有效替代。

关键技术与方法：本研究使用两类垂直同质结GaN p-i-n二极管：Type 1为25 μm厚漂移层、额定3.2 kV；Type 2为8 μm厚漂移层、额定1.0 kV。器件制备于GaN衬底，采用金属有机化学气相沉积（metal organic chemical vapor deposition, MOCVD）生长Mg掺杂GaN层等。辐照在Texas A&M University采用15 MeV Ar和15 MeV Pr离子进行；离子LET和GaN中射程由Stopping and Range of Ions in Matter（SRIM）软件计算。辐照中采用恒定通量10⁴ ions/cm²/s，逐级增加反偏电压，每级注量10⁶ ions/cm²，持续监测泄漏电流至设备合规限；辐照后开展IV测量、光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）检查；并与Cf-252裂变碎片数据比较。

研究结果：
A. 3.2 kV（Type 1）器件：通过Ar离子低LET辐照，低偏压下器件处于安全“电荷收集”区，束流开启仅见离子诱导电流增加，束流关断后电流恢复至辐照前水平，表明无永久损伤；随偏压增至500 V，器件进入SELC退化区，该起始约比3.2 kV额定电压低85%，每次离子击中可导致泄漏电流潜在永久增加；更高偏压下发生灾难性SEB，电流尖锐且不可逆上升并失效，辐照后光学和SEM图像显示有源区附近局部损伤和开裂，损伤呈径向扩展形成六条裂纹且顶部阳极金属上翘。通过Pr离子高LET辐照，约300 V出现明显SELC阶跃，较Ar情况电压更低，约需90%降额以避免SELC和/或SEB；随后泄漏电流在束流停止后仍持续增加，最终在400 V无进一步离子辐照时失效；辐照前后光学和SEM图像确认可见表面损伤，与Ar辐照后损伤相似。
B. 1.0 kV（Type 2）器件：为评估外延厚度影响，在相同辐照条件下测试较薄8 μm外延层器件。Ar离子下SEB在300 V观察到，需从1.0 kV额定电压约70%降额，SEB阈值略低于Type 1，与漂移区厚度减小一致。Pr离子下响应与Type 1相似但阈值显著更低：SELC从100 V开始（约90%降额），随后电流持续增加，最终在200 V无离子束时失效；这些值显著低于较厚器件。Type 2结构与先前用Cf-252裂变碎片辐照的Type C GaN p-i-n二极管相同；该先前研究中平均SEB阈值约365 V，略高于本工作Ar离子暴露下SEB阈值；这一相关性进一步验证Cf-252作为可行、低成本替代加速器重离子源，用于低LET离子诱导SEB表征，条件是耗尽层厚度足够薄以使具有足够LET和射程的离子完全穿透敏感体积。

讨论部分总结：讨论指出，Ar离子辐照下两类器件均发生SEB；厚外延Type 1的SEB阈值（约500 V）高于薄器件Type 2（约300 V），确认增加外延层厚度增强GaN垂直p-i-n二极管SEB耐受性，与其他宽禁带半导体趋势相似。SEB由沿离子径迹形成密集电子-空穴等离子体引发，导致高泄漏电流路径并有效消除反偏电压阻断能力；辐照后光学和SEM图像显示局部表面损伤及六条径向扩展裂纹，裂纹取向似对应纤锌矿GaN（wurtzite GaN）晶格面内晶向，阳极金属上翘表明器件内部微爆炸传播至表面，类似Cf-252裂变碎片辐照及Si和SiC器件观察，支持Senarath et al.先前提出的垂直GaN SEB机制。高LET Pr离子导致两类器件显著不同行为：SELC在比低LET Ar更低电压出现，随后泄漏电流持续增加，最终无额外辐照即灾难失效；Type 1约300 V起始，首次Pr离子击中触发泄漏电流跳至毫安范围。渐进电流增加归因于沿离子路径焦耳热（Joule heating）产生氮空位（nitrogen vacancies），离子击中产生电子-空穴等离子体支持电流流动并造成局部加热，焦耳热促进氮空位形成，增加局部电导并进一步放大电流，形成正反馈加速退化；该失效机制需离子击中建立初始电流路径，而不需后续离子击中进一步增加泄漏电流。高LET Pr转移更高能量并产生更密电子-空穴对径迹，造成更高初始电流，可启动正反馈并最终损伤器件；低LET Ar不足以产生足够电子-空穴对以启动同样正反馈，而是在更高电压下发生突然击穿。典型SEE研究中离子通量受限，退化由单个离子起始并高度局部化，多个离子在附近区域击中产生累积效应的概率很低；更高通量下累积效应可能更相关，但与空间环境不相关，因为空间重离子通量远低于束流测试；先前用Cf-252研究Type 2未观察到累积效应，直接350 V偏置与200至350 V以50 V间隔逐步升压的器件SEB行为相当，表明较低偏压先前辐照不影响较高偏压SEB发生。热生成公式为P=I²R=V²/R，电阻R=ρl/A，故P=V²A/(ρl)，同样电压下较短电流路径产生更多热，因此较低外延厚度器件产热更多并在更低电压诱导SEB，类似SiC p-i-n二极管和Ga₂O₃肖特基二极管；针对SiC的存储临界能量模型提示SEB主要取决于击穿电压和外延层掺杂浓度，但垂直GaN是否遵循类似关系尚不清楚，因垂直GaN实验数据相对SiC有限。Ar离子结果与Cf-252裂变碎片先前SEB测试密切一致，类似器件平均SEB阈值约365 V且失效后表面损伤相当；Cf-252辐照SEB阈值略高可能因其裂变碎片LET值和离子射程分布宽，难以识别特定离子和条件触发SEB，但损伤区域分析表明两种情况下损伤机制相似。厚外延Type 1具有更高降额因子和更高SEB阈值，与SiC器件报道一致；较高电压器件外延厚度增加扩大敏感体积并扩展电场区，增强重离子击中时电荷收集和雪崩倍增，导致与较低电压器件相比相似或降低的归一化SEB阈值。机制流程图表明，SEB或SELC发生的先决条件是入射离子射程必须足以贯穿器件漂移层全厚；若离子在完全穿透漂移层前停止，则无破坏性事件。离子射程超过漂移层厚度后，下一个关键参数是离子LET，它决定沿离子径迹能量沉积密度；质子和α粒子等极低LET离子不能产生足够电子-空穴对，因此即使射程超过漂移层厚度也不观察SEB或SELC；若离子LET低但足以产生足够电子对，则新产生载流子所致电流可引起焦耳热，若器件反偏电压足够高，这种适度能量沉积仍可启动氮空位生成，在较低偏压演化为SELC、在较高偏压演化为SEB；对更高LET离子过程更严重，密集电离导致增强载流子产生和显著局部焦耳热，热能促进氮空位形成，并通过正反馈环加剧载流子倍增导致SEB。流程图进一步区分两条SEB路径：高反偏下离子击中触发的直接路径，以及氮空位生成和相关热效应渐进导致电流持续增加和灾难失效的反馈驱动路径；两种情况下SEB最终均表现为局部微爆炸；低和高LET阈值及反偏电压是材料和器件依赖参数，受漂移层厚度、掺杂浓度、器件架构和材料质量影响，类似SiC中的发现，因此该流程图提供解释垂直GaN器件SEB结果的通用框架，需根据具体器件特征和离子测试条件校准。

研究结论翻译：本研究系统考察了离子LET和外延层厚度对同质结GaN垂直p-i-n二极管在重离子辐照下辐射响应的影响。较厚外延层器件对SEB具有更高耐受性，而较薄层器件表现出较低SEB阈值。较高LET离子如Pr诱导更严重退化，包括SELC和通过正反馈环的渐进器件失效，即使在较低工作电压下亦然。这些重离子辐照结果表明，为避免这些器件发生任何永久退化，需要约70%至约90%的降额。这些实验观察进一步证实，GaN器件中的SEB由沿离子径迹形成密集电子-空穴等离子体驱动，导致跨外延区局部短路，这与前述研究结果一致。相反，Pr辐照下观察到的SELC及后续器件失效源于热激活缺陷产生，主要是由单个离子击中引发并由焦耳热正反馈维持的氮空位。辐照后光学和SEM图像显示与纤锌矿GaN晶向一致的局部损伤。这些结果与Cf-252裂变碎片测试观察结果相当，支持将Cf-252作为加速器重离子源的有用补充，用于快速SEB评估，其中裂变碎片射程使离子能够完全穿透器件敏感体积。最后，研究人员提供流程图映射重离子击中后可导致SEB的重要现象。总体而言，结果强调离子LET和外延层厚度在决定GaN器件辐射环境可靠性中的关键作用；这些见解应有助于优化GaN功率器件用于空间和其他高辐射应用。最后，研究人员指出，本研究仅关注SEEs；然而，这些器件中也可能存在总电离剂量（total ionizing dose, TID）和位移损伤（displacement damage）效应；因此，未来研究需要适当评估其贡献。特别是，使用γ射线或X射线辐照以及质子或α粒子暴露的实验更适合隔离TID和位移损伤机制，因为这些方法诱导累积损伤而SEEs贡献最小，从而能够更清晰地解释潜在效应。