【Single-event burnout in homojunction GaN vertical PiN diodes with hybrid edge termination design. Appl. Phys. Lett. 124, 132101 (2024)https://doi.org/10.1063/5.0189744】
概括：
本研究探讨了具有混合边缘终止设计（Hybrid Edge Termination, HET）的同质结氮化镓（GaN）垂直PIN二极管在重离子辐射下的单粒子烧毁（Single-event Burnout, SEB）现象。研究发现，这些器件在12-MeV氧离子和16-MeV氯离子辐射下表现出优异的耐受性，但在Cf-252裂变碎片辐射下，约50%的器件在电气击穿电压下发生SEB。通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）分析，SEB引起的损伤主要位于器件中心而非阳极边缘。研究结果表明，HET设计能有效管理电场，减少阳极边缘的辐射敏感性，从而提高GaN基PIN二极管对重离子辐射的抵抗力。
研究背景：
氮化镓（GaN）器件因其高功率处理能力、高效的高频操作和在恶劣环境下的韧性，在现代电子设备中扮演着重要角色。然而，阳极边缘的电场集中限制了其全部潜力的发挥，并在高离子辐射下导致较低偏压电压下的单事件效应（SEEs）。因此，研究如何提高GaN器件在极端环境下的稳定性和可靠性具有重要意义。
研究目的：
本研究旨在评估具有HET设计的GaN垂直PIN二极管在不同类型离子辐射（包括氧离子、氯离子、Cf-252裂变碎片和Am-241源的α粒子）下的电气性能和耐受性，以及比较HET与传统的结终端扩展（Junction Termination Extension, JTE）设计在减少阳极边缘辐射敏感性方面的效果。
实验方法：
研究者使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长高质量的GaN层，并构建了具有HET和JTE结构的PIN二极管。通过在不同反向偏压下对器件进行连续辐射，研究了器件的电流-电压（I-V）特性变化，并使用光学显微镜和SEM对受损器件进行了表面形貌分析。
研究结果：
实验结果显示，对于低线性能量转移（LET）的氧离子和氯离子辐射，GaN器件表现出良好的耐受性，未观察到显著的辐射诱导损伤。然而，在Cf-252裂变碎片辐射下，约50%的器件在大约电气击穿电压的50%处发生了SEB。损伤分析表明，与JTE设计相比，HET设计能够更好地管理电场，减少阳极边缘的损伤。
结果解释：
HET设计通过提供更好的电场管理，防止了在较低电压下阳极边缘的击穿。对于高LET和长射程的Cf-252裂变碎片，由于其对器件中心区域的损伤，导致了SEB现象的发生。而JTE设计在Cf-252辐射下显示出更高的阳极边缘损伤，这表明HET设计在减少辐射敏感性方面更为有效。
研究的创新点和亮点：
- 创新地采用HET设计来提高GaN器件的辐射耐受性。
- 通过对比HET和JTE设计，明确了HET在减少阳极边缘辐射敏感性方面的优势。
- 实验结果为GaN器件在极端环境下的应用提供了重要的设计参考。
研究的意义和应用前景：
本研究的意义在于提供了一种提高GaN器件在高辐射环境下稳定性的有效方法，这对于空间应用、军事和核能领域等对器件辐射硬度有严格要求的场合具有重要价值。通过HET设计，可以增强GaN基PIN二极管的辐射抵抗力，从而扩展其在极端电子应用中的使用范围，提高系统的整体可靠性和性能。未来的研究可以进一步探索HET设计在其他类型的GaN器件中的应用，以及如何进一步优化设计以应对更复杂的辐射环境。
图1 - 展示了同质结GaN垂直PIN二极管的结构，包括(a)器件的横截面图，(b)两种类型器件的正向和反向I-V特性曲线，(c)混合边缘终止区域的横截面图，以及(d)结终端扩展区域的横截面图。这些图片为理解器件的物理结构和电气特性提供了基础。
图2 - 显示了在不同电压下进行氧离子辐射时，具有HET的器件的漏电流变化情况，以及(b)辐射后受损器件的光学图像。这些结果表明，在较低的辐射水平下，器件能够保持其电气性能，但在较高电压下会发生灾难性击穿。
图3 - 展示了在Cf-252裂变碎片辐射下，具有HET的GaN PiN二极管的电气特性和表面形貌，包括(a)不同电压下辐射期间漏电流的变化，(b)原始器件的光学显微镜图像，(c)400V反向偏压辐射后（SEB前），(d)450V反向偏压辐射后（SEB后）的光学显微镜图像，以及(e)和(f)分别展示阳极边缘和器件中部损伤的SEM图像。这些图像揭示了辐射引起的物理损伤主要集中在器件中心区域，而非阳极边缘。
图4 - 通过FIB（聚焦离子束）切割和观察技术，展示了对具有HET的GaN PiN二极管表面进行不同深度（100 nm至2 μm）切割后的SEM图像，进一步证实了辐射引起的损伤深度超过了2 μm，表明损伤穿透了PN结并延伸到了n型漂移层。
图5 - 展示了在Cf-252裂变碎片辐射下，具有JTE的GaN PiN二极管的电气特性和表面图像，包括(a)不同电压下辐射期间漏电流的变化，(b)原始器件的光学显微镜图像，(c)400V反向偏压辐射后（SEB后）的光学显微镜图像，以及(d)放大的SEB损伤图像。这些结果与HET设计的器件形成对比，显示了JTE设计在辐射下的边缘损伤更为显著。