中子辐射对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管位移与极化协同作用机理研究

As the GaN-based devices are more and more widely used in the radiation environment, the ability to achieve impressive performance consistently under the increasingly severe radiation environment is becoming more and more important. However, there are few researches about the effects of neutron radiation on the GaN-based devices, and there has been some disagreement about the physical mechanism. Thus it is necessary to carry out relevant work to cope with the new challenges. The present project will investigate the synergistic effect of displacement damage and polarization variation in AlGaN/GaN high electron mobility transistors induced by reactor neutrons with energy scale ranging from 1 eV to 1 MeV. By modeling the performance of two dimensional electron gas at the heterostructure and quantitatively analyzing the impacts of different interactions, this project would be able to characterize and contribute to the understanding of the exact physical mechanism responsible for the neutron radiation induced degradation in AlGaN/GaN high electron mobility transistors, which might provide theoretical basis for the development of improved radiation-hard GaN-based devices.

随着GaN电子器件在航空航天、核工业等领域的推广，空间和一些特殊条件下的辐射环境对器件的抗辐射性能提出了更高的要求。然而，目前国内外关于GaN电子器件的中子辐射效应机理研究报道很少，尚缺乏统一的认识，亟待开展相关工作以应对新的挑战。本项目拟采用AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管为研究对象，综合考虑中子辐射引起的缺陷和中子辐射对nm量级AlGaN势垒层极化效应的影响，使用国内已具备的反应堆中子模拟源，研究1 eV～1 MeV量级中低能段中子辐射器件时异质结界面处二维电子气特性的表征与建模，并进行辐射致缺陷能级与极化效应变化对器件特性影响的多种物理作用过程的定量分析，探索中子辐射对器件位移与极化协同作用的物理机制，获取器件性能退化的规律，寻找器件薄弱环节，为GaN电子器件抗中子辐射性能的提高和大规模应用提供支撑。

第三代半导体材料氮化镓（GaN）非常适合应用于制作抗辐射、高温、高压、高频、大功率电子器件，随着GaN电子器件在航空航天、核工业等领域的推广，空间和一些特殊条件下的辐射环境对器件的抗辐射性能提出了更高的要求。目前国内外可见的粒子辐射对GaN电子器件损伤机理的研究报道并不多，亟待开展相关工作以应对新的挑战。本项目以货架商品和定制AlGaN/GaN HEMTs器件为研究对象，在CFBR-II快中子脉冲堆开展了中子辐照注量量级为1E13 ~ 1E15 cm-2 的辐照实验，发现HEMT器件的性能变化，随着中子辐照注量的增大，并未如预期呈现出单调的线性递减趋势；对于Si衬底的定制器件，在较小的辐照注量下，甚至出现了饱和漏电流增加现象；未观测到极化效应改变的明确证据。结合器件级TCAD数值模拟仿真，我们对异质结界面处二维电子气特性进行了表征与建模，开展了辐射致缺陷能级与极化效应变化对器件特性影响的多种物理作用过程的定量分析。分析后认为辐照产生的施主型陷阱与受主型陷阱之间的竞争补偿作用过程，是导致该现象出现的主要物理机制，与原生缺陷相关的施主型陷阱的产生，和注量率效应，可用来解释实验观测到的反常增加趋势。本项目通过探索中子辐射对HEMTs器件作用的物理机制，获取了器件性能退化的规律，定位出器件的薄弱环节并提出了加固建议，为GaN电子器件抗中子辐射性能的提高和大规模应用提供了支撑。