La radiación es uno de los mayores desafíos a los que se enfrentan los dispositivos electrónicos en entornos hostiles, como el espacio exterior o las centrales nucleares. En este contexto, la tecnología de nitruro de galio (GaN) se ha posicionado como una solución prometedora debido a su alta robustez contra la radiación. En este artículo, exploraremos en detalle cómo los dispositivos de energía de nitruro de galio han logrado resistir los efectos adversos de la radiación y cómo esta tecnología ha revolucionado diversos campos de aplicación. ¡Prepárate para descubrir los avances más recientes en robustez a la radiación de los dispositivos de energía de nitruro de galio y su impacto en el mundo de la electrónica!
Descripción general: el artículo aborda la resistencia a la radiación de los dispositivos de potencia de nitruro de galio. Aborda la dosis ionizante total, el daño por desplazamiento y los efectos de un solo evento y tiene como objetivo proporcionar información valiosa sobre la solidez de los dispositivos de nitruro de galio.
El nitruro de galio (GaN) ofrece mejores propiedades que el silicio (Si) y silicio Carburo (SiC), como B. una banda prohibida más grande y un campo eléctrico crítico más alto. Aunque los dispositivos GaN se utilizan en muchas aplicaciones diferentes, todavía existen preocupaciones sin respuesta sobre su robustez, estabilidad y confiabilidad.
¿Es el nitruro de galio completamente resistente a la radiación?
La resistencia a la radiación y a las temperaturas extremas se ha convertido en un requisito cada vez más importante para los dispositivos eléctricos. Aparte de sus usos tradicionales, los dispositivos de energía GaN se consideran excelentes opciones de espacio. Aeroespacialy aplicaciones militares. En la mayoría de los casos, estas aplicaciones requieren equipos que puedan soportar altas temperaturas y radiación.
El GaN está inherentemente endurecido por radiación debido a su alto umbral de energía de ionización y de umbral de desplazamiento. Sin embargo, la dureza de la radiación de los dispositivos de GaN depende del diseño del dispositivo y de la calidad del material.
Los HEMT de GaN son transistores laterales con alta movilidad de electrones. El daño por radiación tiene efectos diferentes en estos transistores que en los FET de Si y SiC.
Hay tres categorías en las que se pueden dividir los efectos de la radiación:
● Dosis total de ionización (TID)
● Daños por desplazamiento
● Efectos de evento único (SEE)
La Figura 1 (a) resume estos efectos y su relación con los procesos físicos locales en los HEMT de GaN.
Fig. 1: a) Tipos de radiación y lugar del impacto; (b) Recopilación de valores VSEB encontrados para HEMT en modo E. Fuente: Transacciones IEEE sobre electrónica de potencia
● La deposición de energía por radiación ionizante debida a fotones o iones provoca efectos TID.
● El daño por desplazamiento se produce debido al desplazamiento de átomos en el dispositivo irradiado debido a la transferencia de energía.
● Los SEE son el resultado de la breve respuesta de ionización del dispositivo a una partícula de radiación que incidente repentinamente.
Tanto el daño TID como el desplazamiento provocan cambios en el dispositivo que dependen de la dosis total de radiación absorbida.
Mientras que los SEE son eventos transitorios que pueden provocar un deterioro o falla inmediata del dispositivo. Pueden provocar errores de conmutación irreversibles en los circuitos convertidores, y los SEE en particular son una fuente importante de preocupación para los dispositivos de potencia.
Dosis total de ionización (TID)
Generalmente se cree que los HEMT de GaN de puerta P son resistentes a los efectos TID porque no contienen óxido de puerta. Según un estudio reciente, los efectos TID en los HEMT de GaN dependen de la distorsión, lo que también se encontró en los SP-HEMT y HD-GIT.
Al comparar dispositivos clasificados para 80 V y 200 V, el dispositivo con el voltaje más alto tendrá un cambio mayor en el voltaje umbral. La investigación sobre radiación en dispositivos compuestos de GaN no se ha publicado extensamente, pero dado que estos dispositivos utilizan un mosfet de Si con óxido de puerta, deberían ser más susceptibles a los efectos TID.
Se necesita más investigación para comprender los efectos de la exposición al TID en Dispositivos GaN en condiciones de conmutación donde se produce autocalentamiento. Se ha descubierto que el recocido revierte algunos de estos efectos en los HEMT de GaN.
Rara vez se realizan estudios sobre cómo TID afecta las propiedades dinámicas de los HEMT de GaN.
● Cuando se exponen a radiación Co-60 de 300 kRad (rayos X de 1 MeV), los HD-GIT no muestran muchos cambios en su resistencia dinámica de encendido.
● Además, los SP-HEMT muestran cambios insignificantes después de una exposición TID a rayos X de 300 kRad y 10 keV.
Daño por desplazamiento
Para los HEMT de GaN, los efectos del daño por desplazamiento dependen principalmente de la energía, la masa y la carga de la partícula irradiada. Para medir estos efectos, se puede utilizar la cantidad de energía no ionizante que se pierde cuando la partícula de radiación incide en el material del dispositivo.
Se prueban una serie de HD-GIT y SP-HEMT en condiciones de polarización y se someten a irradiación de protones y neutrones hasta una fluencia total máxima de 6×1015cm-2
● Cuando los dispositivos son imparciales, pueden funcionar hasta la máxima fluencia.
● Cuando los dispositivos se ven afectados por voltajes de polarización significativos fuera del estado, se detectan errores.
Se observan resultados similares cuando los SP-HEMT se exponen a 1 × 1012 a 1×1015 cm-2la fluencia total de neutrones rápidos.
● A medida que aumenta la fluencia, la corriente de fuga de la compuerta disminuye
● Si bien el voltaje umbral y la resistencia dinámica de encendido no cambian en respuesta a la exposición,
Por el contrario, se examinó un SP-HEMT de grado de investigación después de la exposición a una dosis de protones de 5 MeV de 2 ×1015 cm-2. Los resultados mostraron
● Aumento de cinco veces en la resistencia dinámica
● Un cambio de voltaje de umbral negativo.
La razón de estos resultados es la formación de defectos en la puerta p-GaN.
Es notable cuando se irradian protones de alta energía en HD-GIT, hasta una fluencia de 2 ×1014 cm-2
● Se observa un ligero cambio de voltaje de umbral positivo.
Para comprender completamente cómo responden los diseños HD-GIT y SP-HEMT al daño por desplazamiento de radiación, es necesario realizar más investigaciones.
Efectos de evento único (VER)
Los SEE son eventos de corta duración causados por la colisión de una partícula de radiación de alta energía con un diseño de dispositivo sesgado. Cuando los dispositivos están polarizados, se puede formar un rastro significativo de pares de huecos de electrones, lo que puede provocar una falla o degradación inmediata del dispositivo.
Aunque el SEE puede ser importante en los ataques de neutrones y protones de alta energía, los impactos de iones pesados de los rayos cósmicos de alta energía son la fuente principal de SEE en los dispositivos operativos.
La transferencia lineal de energía (LET) del ion y el rango del ion dentro de la estructura son los principales parámetros para estimar el posible daño de un ataque de iones pesados.
● LET está relacionado con el grado de generación y transferencia de carga.
● El alcance del ion determina qué partes del dispositivo son susceptibles a eventos SEE.
Tanto las condiciones de polarización como la estructura del dispositivo tienen un impacto en la sensibilidad VER de un dispositivo.
VER tipos
Tres categorías SEE son importantes para los dispositivos eléctricos:
● Agotamiento por evento único (SEB)
● Transitorios de un solo evento (SET)
● Rotura de puerta de evento único (SEGR)
La mayoría de los trabajos utilizan el método MIL-STD-750 1080 para probar qué tan bien funcionan los dispositivos frente a los efectos SEE. Esto implica polarizar los dispositivos a un voltaje fuera de estado y monitorear la corriente de drenaje a medida que se irradian hasta que ocurre una falla transitoria.
Una serie de SP HEMT clasificados en 40 V, 100 V y 200 V se prueban a 276 MeV y el voltaje nominal mientras se exponen a I127 Radiación. SEB ocurre en dispositivos con voltajes nominales más altos donde se produce daño acumulativo debido a una descarga.
Los SET pueden provocar más fugas en el drenaje y en la compuerta en el estado apagado. Estas son dos formas adicionales en las que los dispositivos pueden fallar cuando los HEMT están expuestos a iones pesados.
No se espera que SEGR sea importante ya que la mayoría de los dispositivos HEMT de GaN carecen de óxido de puerta.
Resumen de puntos clave
● Los dispositivos de potencia de nitruro de galio ofrecen propiedades superiores como: B. un campo eléctrico crítico más alto y una banda prohibida más grande, lo que los convierte en una opción prometedora para la electrónica de potencia.
● El nitruro de galio está inherentemente endurecido por radiación debido a su alto umbral de energía de ionización y de desplazamiento.
● La resistencia a la radiación de los dispositivos de nitruro de galio depende de su diseño y de la calidad del material.
● La dosis ionizante total, el daño por desplazamiento y los efectos de un solo evento son las tres categorías en las que se pueden dividir los efectos de la radiación.
● Generalmente se espera que los HEMT de nitruro de galio sean resistentes a los efectos de la dosis de ionización total porque no contienen óxido de puerta.
● Los efectos de un solo evento pueden causar errores de conmutación irreversibles en los circuitos convertidores y son una preocupación importante para los dispositivos de potencia.
● El artículo destaca la necesidad de realizar más investigaciones en esta área crítica para garantizar la robustez, estabilidad y confiabilidad de los dispositivos de nitruro de galio en condiciones extremas como radiación y altas temperaturas.
referencia
Kozak, Joseph Peter, Ruizhe Zhang, Matthew Porter, Qihao Song, Jingcun Liu, Bixuan Wang, Rudy Wang, Wataru Saito y Yuhao Zhang. «Estabilidad, confiabilidad y robustez de los dispositivos de energía GaN: una revisión». IEEE Transactions on Power Electronics 38, No. 7 (julio de 2023): 8442–71. https://doi.org/10.1109/tpel.2023.3266365.
