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摘 要

高速、高功率密度GaN开关器件在制备小体积，高效率电源组件方面具有很大优势，可有效降低卫星、深空探测设备的发射成本同时扩展远程功能。为此，研究其高压功率GaN-HEMT器件的总剂量和单粒子辐射能力和抗单粒子效应损伤机理非常必要。

本文在这背景下，从理论方面，对GaN HEMT 的辐射效应做出研究： 1、从异质结构中的2DEG和极化效应的角度研究了GaN 器件的组成和工作原理。2、从处辐射环境和辐射损伤的角度出发，研究了辐射对GaN材料和GaN HEMT器件的影响。结果表明，辐射会降低载流子浓度和迁移率，影响器件饱和区跨导。3、以γ射线为例，研究了总剂量效应对GaN HEMT器件的影响。结果表明，总剂量效应对加电器件影响较大，会使器件的电学特性退化。4、研究了单粒子辐射对器件的影响。结果表明，单粒子效应会产生位移损伤，使器件电学性能退化。5、研究了GaN HEMT的单粒子抗辐射加固技术。结果表明，通过限流、采用冗余计算机、异质结外延结构、减薄氧化层厚度和增加衬底浓度都是相对有效的方式。

关键词： GaN;AlGaN/GaN HEMT;辐射;辐射损伤;总剂量；单粒子效应

Study on total dose, single particle radiation effect and damage mechanism of GaN-HEMT device

ABSTRACT

High speed, high power density Gan switching devices have great advantages in the preparation of small size and high efficiency power components, which can effectively reduce the launch cost of satellite and deep space exploration equipment and expand the remote function. Therefore, it is necessary to study the total dose, single particle radiation ability and the mechanism of single particle effect damage resistance of gan-hemt.

In this background, the radiation effect of GaN HEMT is studied theoretically: 1. The composition and working principle of Gan devices are studied from the perspective of 2DEG and polarization effect in heterostructure. 2. From the perspective of radiation environment and radiation damage, the effects of radiation on GaN materials and GaN HEMT devices are studied. The results show that the radiation can reduce the carrier concentration and mobility, and affect the transconductance in the saturation region. 3. Taking γ - ray as an example, the influence of total dose effect on GaN HEMT devices is studied. The results show that the total dose effect has a great influence on the electrical characteristics of the device. 4. The influence of single particle radiation on the device is studied. The results show that the single particle effect will produce displacement damage and degrade the electrical performance of the device. 5. The single particle radiation strengthening technology of GaN HEMT is studied. The results show that current limiting, redundant computer, heterojunction epitaxy, thinning oxide thickness and increasing substrate concentration are relatively effective ways.

Keywords: Gan; AlGaN / GaN HEMT; radiation; radiation damage; total dose; single particle effect

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 背景与意义 1

1.2 文献综述 1

1.2.1 空间辐射环境研究进展 1

1.2.2 GaN HEMT 器件的总剂量辐射效应研究进展 2

1.2.3 GaN HEMT 器件的单粒子辐射效应研究进展 2

1.2.4 GaN HEMT 器件的抗单粒子辐射加固研究进展 3

第二章 GaN HEMT器件的结构及工作原理 4

2.1 GaN和AlGaN的极化效应 4

2.2 异质结构中的2DEG 5

第三章 GaN HEMT 器件的辐射损伤机理 7

3.1 辐射损伤机理 7

3.1.1 辐射环境 7

3.1.2 总剂量效应 7

3.1.3 单粒子效应 8

3.1.4 辐射位移效应 8

3.1.5 半导体器件抗辐射加固技术 8

3.2 辐射损伤对 GaN 材料的影响 8

3.2.1 GaN 中的原生缺陷 8

3.2.2 GaN 中的辐射损伤 9

3.3 辐射效应对 GaN HEMT器件特性的影响 9

3.3.1 辐射对AlGaN/GaN 异质结的影响 9

3.3.2 辐射对AlGaN/GaN HEMT器件的影响 9

3.4 本章小结 10

第四章 AlGaN/GaN HEMT 器件的辐射总剂量效应研究 11

4.1 AlGaN/GaN HEMT 器件 I-V 特性变化 11

4.2 AlGaN/GaN HEMT 器件交流特性变化 12

4.3 本章小结 12

第五章 AlGaN/GaN HEMT 器件单粒子辐射效应研究 14

5.1 AlGaN/GaN HEMT质子辐射效应 14

5.1.1 AlGaN/GaN HEMT的I-V特性变化 14

5.1.2 AlGaN/GaN HEMT 器件交流特性变化 15

5.2 AlGaN/GaN HEMT中子辐射效应机理 15

5.2.1 AlGaN/GaN HEMT的I-V特性变化 15

5.2.2 AlGaN/GaN HEMT 器件交流特性变化 16

5.3 本章小结 16

第六章 AlGaN/GaN HEMT 器件单粒子抗辐射加固 17

6.1 设计加固 17

6.1.1 单粒子锁定加固 17

6.1.2 单粒子翻转的加固 17

6.2 工艺加固 17

6.2.1 异质结外延结构 17

6.2.2 减薄栅氧化层厚度 17

6.2.3 增加衬底浓度 18

6.3 本章小结 18

第七章 总结与展望 19

7.1 总结 19

7.2 展望 19

致 谢 20

参考文献 21

第一章 绪论

1.1 背景与意义

高速、高功率密度GaN开关器件在制备小体积，高效率电源组件方面具有很大优势，可有效降低空间电子设备、外层空间探测设备的运行损耗并且扩展远程控制技术。在外层空间中，电子容易受到辐射影响，其中单粒子效应为之最。随着集成电路能被做到越来越小，电路中的器件和元胞在单位面积内的占比在持续上升，导致多个器件能够受到一个粒子辐射的影响，从而使得电路里多个节点产生电荷收集。单粒子辐射造成的电荷共享会使得电路里产生不止一个的电流瞬态和电压扰动。当电路中多个单粒子瞬态脉冲都能够在电路中实现传递和捕获，就会造成电路失效。

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