季啟政,劉尚合,王志浩,楊銘,丁義剛,王思展,沈自才,劉宇明

(1.陸軍工程大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050003;2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094;3.北京東方計(jì)量測(cè)試研究所,北京 100086)

0 引言

相對(duì)于Si基和GaAs基電子器件,以AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)為代表的GaN器件具有高工作電壓、高功率密度、低熱阻和寬帶寬特性,近30年來(lái)得到了快速發(fā)展。作為一種Ⅲ-Ⅴ直接帶隙半導(dǎo)體材料,GaN可彌補(bǔ)傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料及相應(yīng)器件的不足,有益于提升系統(tǒng)性能,契合了軍事航天領(lǐng)域發(fā)展對(duì)于電源及射頻系統(tǒng)在高功率密度、高效率、寬帶寬及高可靠性方面的迫切需求。

相對(duì)于在地面武器裝備中的快速規(guī)?；瘧?yīng)用,GaN器件在航天領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)滯后,目前國(guó)內(nèi)多家專業(yè)機(jī)構(gòu)已著手基于GaN器件開展星用功率放大器的分析和設(shè)計(jì)工作[1-2],但尚未開展系統(tǒng)性的空間搭載和應(yīng)用,主要原因是還沒(méi)有針對(duì)GaN器件的空間環(huán)境適應(yīng)性開展深入的分析和驗(yàn)證工作。

在地球軌道空間中,GaN器件受到的輻射主要來(lái)源于太陽(yáng)宇宙線、銀河宇宙線和地球輻射帶,按照粒子成分主要是質(zhì)子和電子[3]。其中高能質(zhì)子主要引起電離總劑量和位移損傷,雖然理論上GaN器件具有較好的抗輻照能力,但在制備的工藝過(guò)程中,材料中會(huì)因熱失配和晶格失配產(chǎn)生大量缺陷,導(dǎo)致GaN器件的真實(shí)抗輻照能力遠(yuǎn)低于理論分析值[4-7],主要損傷機(jī)制是入射質(zhì)子在GaN器件的各層異質(zhì)結(jié)中產(chǎn)生了缺陷,形成載流子去除效應(yīng)和加強(qiáng)陷阱輔助隧穿,改變了勢(shì)壘層的有效摻雜濃度,進(jìn)而引起有效勢(shì)壘高度的變化,導(dǎo)致器件溝道中的二維電子氣(2DEG)濃度發(fā)生改變。在宏觀上表現(xiàn)為器件的閾值電壓發(fā)生漂移,形成漏電流與跨導(dǎo)衰退,對(duì)柵特性產(chǎn)生顯著的影響[8]。高能電子會(huì)造成總劑量效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng),其中內(nèi)帶電是指空間高能電子(大于100 keV)通量快速持續(xù)增大時(shí)衛(wèi)星內(nèi)部介質(zhì)或孤立導(dǎo)體中發(fā)生的荷電現(xiàn)象。在內(nèi)帶電環(huán)境下GaN器件所在印刷電路板(PCB)的沉積電荷量大于泄漏電荷量,會(huì)形成局部強(qiáng)電場(chǎng),而GaN器件的關(guān)鍵性能,例如柵極漏電、器件擊穿性能等,都與器件的表面電場(chǎng)密切相關(guān)。根據(jù)調(diào)研,目前國(guó)際上針對(duì)GaN器件的質(zhì)子輻照研究均只聚焦于質(zhì)子本身對(duì)器件的影響,且測(cè)試方法為非原位測(cè)試,即輻照前和輻照后分別測(cè)試器件性能,質(zhì)子輻照和電場(chǎng)綜合作用的原位測(cè)試分析研究屬于空白[4,9-18]。因此,有必要針對(duì)國(guó)產(chǎn)GaN器件開展質(zhì)子輻照和電場(chǎng)作用的研究。需要說(shuō)明的是,雖然高能電子也會(huì)導(dǎo)致總劑量效應(yīng),但暫不列入本文的討論范圍之內(nèi)。

為研究質(zhì)子輻照及電場(chǎng)對(duì)GaN器件的影響,需要分析GaN器件搭載應(yīng)用軌道的輻射環(huán)境,匹配適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法,建立綜合試驗(yàn)系統(tǒng),開展質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合模擬試驗(yàn),為國(guó)產(chǎn)GaN器件的空間應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和支撐。本文對(duì)地球同步軌道(GEO)質(zhì)子輻照環(huán)境進(jìn)行分析,結(jié)合GaN器件質(zhì)子輻照損傷特性,設(shè)計(jì)質(zhì)子輻照試驗(yàn)方案并確定關(guān)鍵參數(shù);利用仿真分析工具計(jì)算航天器內(nèi)部PCB材料充電電位,設(shè)計(jì)用于模擬內(nèi)帶電效應(yīng)的電場(chǎng)試驗(yàn)方案和電極裝置。綜合質(zhì)子輻照方案和電場(chǎng)模擬方案,以現(xiàn)有質(zhì)子輻照試驗(yàn)條件為基礎(chǔ),搭建質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)并開展初步的試驗(yàn),初步驗(yàn)證了該試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性。

1 GaN器件綜合試驗(yàn)方法

1.1 質(zhì)子輻照試驗(yàn)方法

1.1.1 質(zhì)子能量和注量對(duì)GaN器件影響分析

質(zhì)子注量的影響方面,國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)及分析研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)質(zhì)子注量達(dá)到某個(gè)閾值后,GaN器件性能急劇下降,主要機(jī)制是質(zhì)子與材料中的原子碰撞迫使原子位移產(chǎn)生帶電缺陷,降低載流子遷移率和濃度從而引起器件性能退化。2002年,Gaudreau等[13]發(fā)現(xiàn)AlGaN/GaNHEMT的2DEG濃度以及載流子遷移率都會(huì)隨質(zhì)子注量增加而降低,其中載流子遷移率受到的影響更大;在2 MeV質(zhì)子作用下,當(dāng)質(zhì)子注量在達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)載流子遷移率會(huì)急劇下降。2003年,Hu等[14]使用能量為1.8 MeV的質(zhì)子輻照AlGaN/GaNHEMT,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子注量低于1×1014cm-2時(shí),器件未發(fā)生明顯退化;而當(dāng)注量達(dá)到3×1015cm-2時(shí),器件性能急劇下降,關(guān)鍵參數(shù)(漏電流)下降幅度高達(dá)80%。2003年,White等[15]同樣利用1.8 MeV的質(zhì)子對(duì)AlGaN/GaNHEMT進(jìn)行了輻照試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示在低于1×1014cm-2注量下接觸電阻受到顯著影響,其他參數(shù)沒(méi)有明顯變化;而在大于1×1014cm-2注量下載流子遷移率大幅降低,當(dāng)注量達(dá)到2×1015cm-2時(shí)載流子濃度開始急劇降低。2004年,Karmarkar等[16]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照不但能俘獲載流子降低2DEG濃度,增強(qiáng)庫(kù)侖散射降低載流子遷移率,還發(fā)現(xiàn)對(duì)于AlGaN/GaNHEMT肖特基二極管,二極管串聯(lián)電阻在1.8 MeV質(zhì)子輻照下會(huì)隨著質(zhì)子注量的增加而升高,當(dāng)注量達(dá)到3×1014cm-2時(shí)增幅約53%。2008年,Kim等[17]研究了17 MeV質(zhì)子在以不同注量輻照AlGaN/GaNHEMT器件產(chǎn)生的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)注量達(dá)到7.2×1013cm-2時(shí)器件的輸出特性變化不顯著,達(dá)到2×1015cm-2時(shí)漏極電流降低16%,當(dāng)注量達(dá)到2×1016cm-2時(shí)漏極電流降低43%。嚴(yán)肖瑤[18]進(jìn)行了70 keV和140 keV質(zhì)子輻照試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在達(dá)到一定注量閾值后,器件的方塊電阻會(huì)隨著注量的增大而快速增加,其中70 keV質(zhì)子注量閾值相對(duì)于140 keV質(zhì)子更低一些,而器件擊穿電壓隨著質(zhì)子注量的增加呈下降趨勢(shì)。

對(duì)國(guó)內(nèi)某機(jī)構(gòu)研制的GaN器件進(jìn)行了50 keV質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn),試驗(yàn)前在真空容器中布置3個(gè)相同類型和批次的器件(分別為器件1、器件2和器件3),器件及電極裝置在容器中的照片如圖8所示。輻照過(guò)程中器件1和器件2均處于-1 kV電極電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)中,器件3的電極電壓設(shè)置為0 kV,其中器件1不加電,器件2和器件3處于加電工作狀態(tài)(漏源電壓VDS=0.1 V,柵源電壓VGS=5 V)。試驗(yàn)中測(cè)量得到的轉(zhuǎn)移特性曲線(漏源電流IDS隨VGS變化曲線)如圖9所示。

為確定質(zhì)子輻照試驗(yàn)參數(shù),首先需要分析GaN器件電性能隨質(zhì)子輻照能量及注量的退化規(guī)律,初步確定質(zhì)子能量和注量范圍區(qū)間,然后根據(jù)空間典型軌道的質(zhì)子輻照環(huán)境特性,確定試驗(yàn)參數(shù)。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：在輻照試驗(yàn)的中段,兩個(gè)器件的跨導(dǎo)峰值對(duì)應(yīng)的VGS都發(fā)生了顯著的漂移,其中器件1最大漂移電壓百分比約為15.7%,器件2的最大漂移電壓百分比約為18.1%,器件性能變化明顯;而且相較于器件1不加電情況,器件2加電情況下,跨導(dǎo)峰值對(duì)應(yīng)的VGS更快達(dá)到漂移極值,說(shuō)明器件在工作狀態(tài)下會(huì)與輻照、電場(chǎng)效應(yīng)耦合,使得器件性能變化速度加快;相比于器件2,器件3未施加-1 kV的電極電壓,其跨導(dǎo)峰值對(duì)應(yīng)的VGS的最大漂移幅度更小,最大漂移電壓百分比約為8.4%,且漂移速度也更緩,說(shuō)明了器件2的轉(zhuǎn)移特性曲線在輻照前后的變化是質(zhì)子輻照和電極電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)綜合作用的結(jié)果,證明了質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn)方法及系統(tǒng)的有效性。

1.1.2 基于在軌吸收劑量的GaN器件試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了分析典型軌道環(huán)境下GaN器件質(zhì)子吸收劑量,首先需要確定在軌質(zhì)子輻照環(huán)境,假定GaN器件為GEO衛(wèi)星搭載,GEO輻照環(huán)境主要來(lái)自于輻射帶粒子、太陽(yáng)質(zhì)子和銀河宇宙線,其中銀河宇宙線的通量極低,對(duì)器件貢獻(xiàn)可忽略,重點(diǎn)考慮輻射帶質(zhì)子和太陽(yáng)質(zhì)子對(duì)GaN器件的影響。分別采用AP8MAX模型和JPL91模型計(jì)算輻射帶質(zhì)子和太陽(yáng)質(zhì)子,得到微分能譜如表1和表2所示。

表1 GEO輻射帶質(zhì)子微分能譜Table 1 Proton differential energy spectrum of radiation beltin GEO

表2 太陽(yáng)質(zhì)子微分注量譜Table 2 Solar proton differential fluence spectrum

為分析GaN器件的吸收劑量,需要建立GaN器件幾何結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。利用SRIM軟件計(jì)算得到不同能量的質(zhì)子在GaN和Al0.25Ga0.75N中的射程,然后與軌道質(zhì)子輻照環(huán)境結(jié)合計(jì)算得到空間輻照環(huán)境在器件中的劑量深度分布如圖2的黑色曲線所示。

蔡新奧：能夠在這么多的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中脫穎而出，成為僅有的兩名“小編輯”之一，我還是挺自豪的。薛宇航這篇作文寫得挺好的，讀第一遍時(shí)，除了錯(cuò)別字，我還真沒(méi)看出要修改的地方來(lái)。不過(guò)，在仔細(xì)推敲之后，我還是做了一定的修改，我對(duì)自己的修改很滿意。

“日日順物流的初衷就是創(chuàng)造美好生活，帶給人們幸福，這才是我們的核心價(jià)值?！蓖跻昏I說(shuō)。用戶的體驗(yàn)是最重要的，這要求我們必須要有很強(qiáng)大的資源和網(wǎng)絡(luò)，要標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、智能化。在這個(gè)過(guò)程中，我們給用戶的是全流程、全場(chǎng)景的解決方案。

圖1 GaN器件剖面示意圖Fig.1 Sectional diagram of GaN device

圖2 GEO軌道質(zhì)子吸收劑量深度對(duì)比(1a)Fig.2 Absorbed dose depth comparison of proton in GEO (1a)

計(jì)算FR-4材料在典型內(nèi)帶電條件下的充電電位。使用GEANT4建立材料模型,以40 mm×40 mm×2 mm的PCB為例,計(jì)算沉積電荷密度和沉積劑量。為有效模擬內(nèi)部帶電特性,使用40 mm×40 mm×0.5 mm的屏蔽鋁。電子能量采用內(nèi)帶電電子通量模型(Flux Model for Internal Charging,FLUMIC)電子通量模型,考慮能譜范圍為0.1～2 MeV,電子能譜如圖3所示。

1.2 電場(chǎng)試驗(yàn)方法

空間高能電子會(huì)穿透航天器艙板和單機(jī)機(jī)箱,沉積在單機(jī)內(nèi)部的PCB上(FR-4),考慮到單機(jī)機(jī)箱通常為鋁材質(zhì)且良好接地,對(duì)于焊接安裝于電路板上的GaN器件,就形成了類似于平板電極的電場(chǎng)。需要說(shuō)明的是,通常GaN器件的工作電壓最高不超過(guò)數(shù)百伏,而介質(zhì)材料內(nèi)帶電充電電壓則可能高達(dá)負(fù)的數(shù)千伏,遠(yuǎn)高于器件工作電壓,因此有必要考慮電場(chǎng)對(duì)GaN器件的影響。

根據(jù)第1節(jié)中的試驗(yàn)設(shè)計(jì),50 keV質(zhì)子試驗(yàn)注量為2.0×1013cm-2,考慮到在軌注量率很低,因此按照設(shè)備最低注量率調(diào)節(jié)參數(shù)和估算試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng),輻照總時(shí)長(zhǎng)約為5.56 h,為便于計(jì)時(shí)和在線測(cè)量,按照輻照6 h每0.5 h測(cè)量一次開展試驗(yàn),兩次測(cè)量之間的注量增量為1.8×1012cm-2。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于內(nèi)帶電的研究重點(diǎn)是電導(dǎo)率測(cè)量,材料內(nèi)建電場(chǎng)的擊穿特性研究[19-21],尚不涉及充電電場(chǎng)對(duì)電子器件的影響。在分析電場(chǎng)對(duì)GaN器件的影響時(shí),文獻(xiàn)[22-30]重點(diǎn)研究了電應(yīng)力長(zhǎng)期加載對(duì)器件性能及可靠性的影響,提出了熱電子效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種損傷退化機(jī)制。其中熱電子效應(yīng)是器件溝道中的電子發(fā)射至勢(shì)壘層或器件表面,被勢(shì)壘層中的固有陷阱或者柵漏間表面陷阱所俘獲,導(dǎo)致溝道處的2DEG密度降低,形成器件導(dǎo)通電阻增大,輸出漏極電流降低等退化特征[22-25]。逆壓電效應(yīng)是器件處于電場(chǎng)環(huán)境下,因電場(chǎng)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力會(huì)與晶格失配應(yīng)力疊加,導(dǎo)致勢(shì)壘層的彈性應(yīng)變?cè)龃?當(dāng)應(yīng)變超過(guò)材料的承受上限時(shí),材料中的晶格會(huì)斷裂形成缺陷,柵極漏側(cè)邊緣處的高縱向電場(chǎng)引起的逆壓電效應(yīng)形成的晶體缺陷尤為顯著[26-30]。雖然國(guó)內(nèi)外尚未開展外部縱向電場(chǎng)對(duì)GaN器件影響研究,但縱向電場(chǎng)同樣有利于溝道電子向勢(shì)壘層運(yùn)動(dòng);另外外部縱向電場(chǎng)與器件電極工作電場(chǎng)疊加可能會(huì)強(qiáng)化熱電子效應(yīng)和逆壓電效應(yīng),推測(cè)可能進(jìn)一步影響GaN器件的特性。因此有必要分析和研究縱向電場(chǎng)的影響,為了確定GaN器件在軌實(shí)際的外部電場(chǎng)環(huán)境,需開展典型軌道及屏蔽條件下PCB材料的充電特性仿真分析。

為了較為真實(shí)地模擬軌道質(zhì)子能譜輻照環(huán)境,采用多種能量的質(zhì)子進(jìn)行擬合,考慮到GaN器件對(duì)低能質(zhì)子更敏感,擬采用50 keV、140 keV和400 keV三種能量的質(zhì)子進(jìn)行擬合,擬合得到的劑量深度分布(見圖2粉色曲線)與GEO軌道實(shí)際劑量深度分布(見圖2黑色曲線)較為接近,可以作為地面模擬試驗(yàn)的參數(shù)。試驗(yàn)總注量為10年在軌的質(zhì)子輻照注量。

圖3 FLUMIC電子能譜Fig.3 FLUMIC electron spectroscopy

計(jì)算得到單位體積電荷沉積率、劑量沉積率,和輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率,計(jì)算得到材料內(nèi)部電場(chǎng)和電位如圖4所示。板材中心的充電電位最高,約為-20 kV。需要說(shuō)明的是,上述算例是極端條件下計(jì)算結(jié)果,當(dāng)高能電子通量較小時(shí),或采用更薄的PCB板以及采用更良好的接地工藝時(shí),沉積電荷會(huì)減少,同時(shí)泄漏電流會(huì)增大,導(dǎo)致充電電位的絕對(duì)值會(huì)變小,因此可選擇更低的電壓值開展試驗(yàn)。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,在較嚴(yán)酷的內(nèi)帶電環(huán)境下,GaN器件所在的電路板絕緣材料可能被充電至高電壓,考慮到單機(jī)內(nèi)部有限的安裝空間,會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng),對(duì)器件產(chǎn)生兩方面的影響：首先,外部電場(chǎng)會(huì)對(duì)與GaN器件內(nèi)部電場(chǎng)相疊加,改變載流子的密度和分布;其次,強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)誘發(fā)靜電放電(ESD),對(duì)器件產(chǎn)生干擾甚至破壞。目前已開展的ESD對(duì)GaN器件的影響研究多采用機(jī)器放電模型,重點(diǎn)分析了ESD引起GaN器件電性能退化的現(xiàn)象及機(jī)制,尚未涉及空間ESD的影響及危害[31-37]。最新研究發(fā)現(xiàn),空間ESD脈沖產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)會(huì)誘發(fā)絕緣材料表貼金屬電極的延面閃絡(luò)[38],造成電子器件的損傷,因此有必要開展電場(chǎng)對(duì)GaN器件影響研究。

（2）急性肝衰竭 肝組織呈新舊不等的亞大塊壞死或橋接壞死；較陳舊的壞死區(qū)網(wǎng)狀纖維塌陷，或有膠原纖維沉積；殘留肝細(xì)胞有程度不等的再生，并可見細(xì)、小膽管增生和膽汁淤積。

《所羅門國(guó)王的寶藏》《金銀島》和《誘拐》等的出版復(fù)活了冒險(xiǎn)小說(shuō)，成為未來(lái)二十年間出現(xiàn)的男孩行動(dòng)小說(shuō)的典范，對(duì)大英帝國(guó)青少年“情感結(jié)構(gòu)”〔18〕129形成的影響是深刻而持久的。到遠(yuǎn)方異域?qū)毢吞诫U(xiǎn)，不僅成為青少年的白日夢(mèng)，也激活了成年人的激情和欲望。

圖4 仿真計(jì)算得到的PCB電位分布Fig.4 PCB potential distribution obtained by simulation and calculation

為模擬靜電場(chǎng)及瞬態(tài)電場(chǎng)對(duì)GaN器件的影響,設(shè)計(jì)匹配的電場(chǎng)模擬裝置如圖5所示,采用平板電極施加靜電場(chǎng),在GaN器件的下方布置平板電極,在該電極上施加負(fù)偏壓模擬PCB在軌充電狀態(tài)。為防止高壓電極對(duì)臨近導(dǎo)體放電,高壓電極的上方和下方分別布置絕緣材料。采用傳導(dǎo)干擾的方式模擬空間ESD對(duì)器件的影響,使用空間ESD干擾源在放電回路中產(chǎn)生干擾信號(hào),再通過(guò)近場(chǎng)線纜耦合的方式實(shí)施放電干擾。

圖5 電場(chǎng)模擬及測(cè)試示意圖Fig.5 Diagram of electric field simulation and testing

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)分析結(jié)果擬定的試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

1.2.3 MTT測(cè)定敲減Fascin對(duì)細(xì)胞增殖影響 取對(duì)照組、陰性組、干擾組細(xì)胞按照每孔中添加4000個(gè)細(xì)胞種植到96孔板中，設(shè)置不接種細(xì)胞的孔為空白調(diào)零孔，在CO2培養(yǎng)箱中孵育24、48、72、96 h后分別取出培養(yǎng)板，每孔中添加MTT溶液，放在37℃反應(yīng)4 h，將孔內(nèi)的液體分別吸除，添加150 μL的二甲基亞砜工作液，置于酶標(biāo)儀上測(cè)定波長(zhǎng)A490 nm。

表3 試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Test parameters

由于選擇了多個(gè)能量的質(zhì)子實(shí)施試驗(yàn),需要匹配不同的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。另外為了研究質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合作用特性,還需要對(duì)比單獨(dú)質(zhì)子輻照試驗(yàn)與綜合試驗(yàn)結(jié)果,因此擬定了3個(gè)階段的試驗(yàn)項(xiàng)目,如表4所示。

表4 試驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)Table 4 Test items and parameters

2 質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn)

2.1 50 keV質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)

基于北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所φ800 mm綜合輻照試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖6)初步開展了50 keV質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn),試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

圖6 φ800 mm綜合輻照試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 φ800 mm comprehensive irradiation testing system

表5 φ800 mm綜合輻照試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)Table 5 Parameters and indexes of φ800 mm comprehensive irradiation testing system

電場(chǎng)試驗(yàn)通過(guò)在GaN器件的下方布置平板電極的方式實(shí)現(xiàn),由于φ800 mm綜合輻照試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的樣品臺(tái)為金屬材質(zhì),為了隔離高壓,在高壓電極的上方和下方分別布置絕緣材料(聚四氟乙烯薄片),如圖7所示。為避免高壓部分在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)絕緣擊穿,高壓部分的線纜和接頭都做了絕緣處理,另外高壓端與低壓端分開避免干擾和絕緣問(wèn)題。平板狀高壓電極距離設(shè)備頂部熱沉壁(接地)約為 12 cm,所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)約為8.3 kV/m。為了模擬GaN器件的工作狀態(tài),利用器件供電電源使GaN器件處于加電工作狀態(tài),使用半導(dǎo)體測(cè)試儀在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)器件電性能進(jìn)行測(cè)試。后續(xù)試驗(yàn)中將采用北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的空間ESD模擬源施加放電干擾,根據(jù)需要注入不同放電等級(jí)和時(shí)序的放電信號(hào)。

圖7 真空容器內(nèi)高壓電極布置示意圖Fig.7 Diagram of high-voltage electrode in vacuum vessel

這本書將一年級(jí)教材分為“識(shí)字寫字”“閱讀”“口語(yǔ)交際”“寫話”“快樂(lè)讀書吧”五部分內(nèi)容，每一部分的論述都聚焦教學(xué)策略的研究和指導(dǎo)。曹老師把她的理性思考上升到理論，把教材的本質(zhì)揭示給每一位讀者。我結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐體悟老師提出的閱讀教學(xué)策略，頗有收獲。

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2.2 50 keV質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn)初步結(jié)果

國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)試驗(yàn)研究質(zhì)子能量對(duì)GaN器件性能的影響,發(fā)現(xiàn)較低能量的質(zhì)子由于入射深度較淺,有較大的概率沉積在淺層的溝道附近,對(duì)GaN器件能夠造成更加顯著的損傷效應(yīng)。2004年,Hu等[9]測(cè)試了4種能量質(zhì)子輻照下AlGaN/GaNHEMT 的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性,發(fā)現(xiàn)在相同注量(1×1012cm-2)下,1.8 MeV質(zhì)子輻照下器件漏極飽和電流及跨導(dǎo)的退化值比105 MeV質(zhì)子輻照下的更多。由此推斷,1.8 MeV的質(zhì)子具有更大的非電離能量損失(Non-Ionizing Energy Loss,NIEL),導(dǎo)致器件的位移損傷更嚴(yán)重。2006年,Sonia等[10]利用聚焦離子束刻蝕法獲取了AlGaN/GaNHEMT柵區(qū)截面試樣,用透射電鏡對(duì)比未輻照、2 MeV以及 68 MeV 質(zhì)子輻照(質(zhì)子注量均為1×1013cm-2)后的試樣,發(fā)現(xiàn)2 MeV質(zhì)子比68 MeV質(zhì)子在柵區(qū)的沉積數(shù)目更多,損傷程度也更嚴(yán)重。2018年,Keum等[11]使用 1 MeV和2 MeV質(zhì)子輻照AlGaN/GaNHEMT,在質(zhì)子注量均為5×1014cm-2的條件下測(cè)試了器件的電學(xué)參數(shù),測(cè)試結(jié)果顯示,1 MeV質(zhì)子輻照后器件的漏源電流比2 MeV質(zhì)子輻照后下降幅度大,閾值電壓正向漂移的幅度也相對(duì)大一些。2021年,呂玲等[12]研究了質(zhì)子能量對(duì)AlGaN/GaNHEMT性能的影響,發(fā)現(xiàn)盡管140 keV質(zhì)子的注量(1×1014cm-2)是70 keV質(zhì)子的注量(1×1013cm-2)的10倍,70 keV質(zhì)子輻照試驗(yàn)后器件的跨導(dǎo)比140 keV質(zhì)子輻照試驗(yàn)后下降幅度更大。

圖8 GaN器件及電極裝置在試驗(yàn)容器中照片F(xiàn)ig.8 Photo of GaN devices and electrode in the test vessel

圖9 器件轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.9 Device transfer characteristic curves

為了更準(zhǔn)確地比較轉(zhuǎn)移特性曲線隨著輻照時(shí)間的變化,計(jì)算了轉(zhuǎn)移特性曲線的跨導(dǎo)并提取跨導(dǎo)峰值對(duì)應(yīng)的柵壓VGS,得到VGS隨輻照時(shí)間變化曲線,如圖10所示。由圖10可知,隨著時(shí)間的推移：器件1的轉(zhuǎn)移特性曲線逐漸向左漂移,在4.5 h處漂移幅度達(dá)到最大,隨后開始向右漂移;器件2的轉(zhuǎn)移特性曲線在3.0 h處漂移幅度達(dá)到最大,隨后同樣開始向右漂移;器件3的轉(zhuǎn)移特性曲線在3.5 h處漂移幅度達(dá)到最大,隨后同樣開始向右漂移。

圖10 器件1、2和3的跨導(dǎo)峰值對(duì)應(yīng)的VGS隨時(shí)間變化Fig.10 Change of VGS corresponding to peak transconductance of Device 1,2 and 3 with time

綜上可知,GaN器件對(duì)低能量質(zhì)子輻照更敏感,另外存在一個(gè)注量閾值,當(dāng)質(zhì)子輻照注量超過(guò)該閾值后,器件電性能退化幅度急劇增大。因此初步選擇質(zhì)子能量<1 MeV,質(zhì)子注量>1×1014cm-2。

1.2.2 黨參總皂苷含量測(cè)定。人參皂甙Re標(biāo)準(zhǔn)品用甲醇溶解，配制1.2 mg/mL標(biāo)準(zhǔn)品母液。移取標(biāo)準(zhǔn)品母液30、60、90、120、150 μL于具塞試管中，60 ℃水浴中蒸干，經(jīng)香草醛-高氯酸-冰醋酸顯色反應(yīng)后，以試劑空白(隨行處理的甲醇)為參比溶液，分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[11]。

3 結(jié)論

本文根據(jù)GaN器件質(zhì)子輻照損傷特性和劑量深度分布等效擬合原理,提出等效空間輻射環(huán)境的多能質(zhì)子綜合輻照試驗(yàn)方法;針對(duì)空間內(nèi)帶電效應(yīng)計(jì)算了電路板材料的充電電位,設(shè)計(jì)了內(nèi)帶電效應(yīng)電場(chǎng)模擬的方法及裝置;建立質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)并開展初步的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：相對(duì)于單獨(dú)質(zhì)子輻照,質(zhì)子和電場(chǎng)綜合作用下器件特征參數(shù)變化速度更快,變化幅度也更大,表明質(zhì)子輻照與電場(chǎng)綜合試驗(yàn)方法及系統(tǒng)的有效性。需要說(shuō)明的是,現(xiàn)階段的試驗(yàn)還不完善,僅開展了50keV質(zhì)子輻照試驗(yàn),后續(xù)會(huì)繼續(xù)實(shí)施 140 keV 和400 keV質(zhì)子輻照及電場(chǎng)耦合試驗(yàn),分析和評(píng)估GaN器件性能在軌退化特性和環(huán)境適應(yīng)性水平。