通过梳状结构的N-AlGaN沟道工程，提高p-GaN HEMT器件的单事件烧毁抗性

《Microelectronics Journal》：Single-event burnout hardening in p-GaN HEMTs through comb-patterned N-AlGaN channel engineering

GaN HEMT单粒子烧毁耐受性提升研究提出CO-HEMT和COB-HEMT结构，通过N-AlGaN梳状层重构电场分布及Si3N4阻挡层抑制载流子倍增效应，使SEB电压分别达770V（185%提升）和858V（218%提升）。

　　

盛高|宣莉|梁静|田宇驰|邢宇罗|陈玉英|王琦|王曼静

重庆邮电大学集成电路学院，中国重庆，400065

摘要

为了提高氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）的单事件烧毁耐受能力（V_SEB），本研究提出了一种新型的梳状N-AlGaN结构（CO-HEMT）及其带有Si₃N₄阻挡层的增强版本（COB-HEMT）。这两种设计都在重离子辐照下重新分布了漏极附近的电场，显著提高了SEB的鲁棒性。COB-HEMT额外的Si₃N₄层进一步抑制了漏极侧的电场峰值，减少了撞击电离，有效限制了瞬态电流尖峰。仿真结果表明，最优的五梳结构配置使得CO-HEMT的V_SEB达到770 V，COB-HEMT达到858 V——分别比传统设计（C-HEMT）提高了185%和218%。梳状拓扑结构与阻挡层的结合通过同时解决电场集中和载流子倍增效应，协同提升了器件的可靠性。

引言

氮化镓（GaN）作为一种宽带隙半导体材料，由于其优异的材料特性，在高频和高功率电子应用中展现出巨大的潜力。这些特性包括高击穿电场、出色的电子迁移率和优良的热导率[1,2]。特别是，GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）已成为空间应用的关键 enabling 技术，在这些应用中它们相比传统半导体器件具有显著优势[3,4]。然而，空间环境中遇到的极端辐射条件，尤其是由重离子轰击引起的单事件效应（SEE），对半导体器件的可靠性构成了重大挑战。这些效应会严重恶化器件性能或导致永久性故障[5,6]。其中，单事件烧毁（SEB）是GaN HEMTs在空间应用中的一种关键故障机制。这种现象主要是通过增强的电荷收集过程引发的，包括背通道传导、双极放大效应和栅极泄漏路径[[7], [8], [9]]。值得注意的是，最近的研究发现，靠近漏极的栅极区域特别容易受到重离子的撞击，这使得该区域成为SEB发生的最可能位置[10]。

本研究采用计算机辅助设计（TCAD）仿真技术来研究传统GaN高电子迁移率晶体管（C-HEMT）的SEB特性，并提出了两种采用梳状N-AlGaN层的抗辐射结构：CO-HEMT和COB-HEMT配置。研究方法包括三个关键阶段：首先，对传统结构和强化结构之间的基本电气特性进行比较分析；其次，深入研究控制SEB性能提升的物理机制；第三，通过数值仿真定量评估SEB的抵抗力。结果明确表明，这两种新型架构在SEB抗性方面相比传统HEMT设计有显著提升。

部分摘录

仿真设置

图1展示了C-HEMT以及两种提出的强化结构的横截面示意图。所有三种结构都包含Si₃N₄钝化层、P-GaN层、Al_0.15Ga_0.85N阻挡层和GaN缓冲层。栅源间距、栅极长度和栅漏间距分别为1 μm、2 μm和7.5 μm。GaN缓冲层、AlGaN阻挡层、P-GaN层和钝化层的厚度分别为2 μm、25 nm、100 nm和200 nm。

结果与讨论

图2比较了C-HEMT与具有一个和两个“齿”的梳状优化结构的输出特性和击穿曲线，分别命名为CO1-HEMT和CO2-HEMT。这两种梳状结构的电气特性与C-HEMT非常吻合，证实了梳状N-AlGaN结构的实现保持了器件的基本性能。值得注意的是，击穿电压的表征显示

结论

本研究通过提出两种新型的抗辐射结构（CO-HEMT和COB-HEMT）解决了传统C-HEMT中SEB电压较低的关键问题。这两种设计都采用了梳状N-AlGaN结构，显著提高了器件的SEB鲁棒性。结果表明，CO-HEMT配置通过在漏极侧实施梳状N-AlGaN结构，成功改变了重离子辐照后漏极附近的通道电场分布。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62404026）、中国博士后科学基金（项目编号：2025M770522）、重庆市自然科学基金一般项目（项目编号：CSTB2023NSCQ-MSX0475、CSTB2025NSCO-GPX1061）以及重庆市教委科学技术研究计划（项目编号：KJQN202400609）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。