《電子束輻照GaN》課件

電子束輻照GaN寬禁帶半導(dǎo)體材料研究前沿電子束輻照效應(yīng)與應(yīng)用分析半導(dǎo)體材料重要性5000億美元半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模2023年全球產(chǎn)值18%GaN應(yīng)用增長(zhǎng)高端電子領(lǐng)域年均增速3.4eV寬禁帶高效率高頻應(yīng)用GaN材料研究發(fā)展歷史11990年代首次商業(yè)應(yīng)用22014年藍(lán)光LED獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)3近十年研究論文年增長(zhǎng)率達(dá)18%為什么研究電子束輻照GaN應(yīng)對(duì)極端環(huán)境需求航空航天、核能領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用探索材料本征機(jī)理深入理解載流子行為與晶格互動(dòng)開發(fā)高可靠性器件提升電子元器件使用壽命電子束輻照技術(shù)簡(jiǎn)介原理與能量范圍加速電子束轟擊靶材料能量范圍：keV至MeV量級(jí)主要設(shè)備系統(tǒng)靶區(qū)加速器透射電子顯微鏡高能電子束源應(yīng)用領(lǐng)域材料改性器件可靠性測(cè)試航空航天電子本課題內(nèi)容與研究目標(biāo)構(gòu)建評(píng)估材料工程對(duì)策提升抗輻照性能探索輻照對(duì)器件性能影響挖掘機(jī)制關(guān)聯(lián)性分析GaN受輻照損傷機(jī)理缺陷形成與演變課件結(jié)構(gòu)概覽材料基礎(chǔ)GaN特性、制備與應(yīng)用輻照技術(shù)電子束原理、設(shè)備與參數(shù)損傷機(jī)制缺陷形成、演變與表征應(yīng)用前景案例分析與未來展望GaN基本物理與化學(xué)特性寬禁帶3.4eV直接帶隙藍(lán)光/紫外光領(lǐng)域應(yīng)用高熱穩(wěn)定性高溫工作能力熱導(dǎo)率高于Si晶體結(jié)構(gòu)六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)強(qiáng)極化場(chǎng)效應(yīng)GaN的主要制備方法MOCVD金屬有機(jī)化合物氣相沉積主流工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)HVPE氫化物氣相外延高速生長(zhǎng)厚膜MBE分子束外延高純度精確控制GaN在電子器件中的應(yīng)用30億美元功率器件市場(chǎng)2024年全球規(guī)模5G射頻應(yīng)用基站與雷達(dá)系統(tǒng)3x高導(dǎo)熱率相較硅材料10x擊穿場(chǎng)強(qiáng)相較傳統(tǒng)半導(dǎo)體GaN優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)勢(shì)高頻特性優(yōu)異高溫穩(wěn)定性好高功率密度抗輻射能力強(qiáng)挑戰(zhàn)位錯(cuò)密度高生產(chǎn)成本高襯底匹配難題熱管理復(fù)雜典型GaN器件結(jié)構(gòu)剖析GaN材料中的典型缺陷點(diǎn)缺陷空位、間隙原子和雜質(zhì)位錯(cuò)刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)影響器件性能體缺陷微管、堆垛層錯(cuò)表面缺陷懸掛鍵、吸附雜質(zhì)GaN的輻射效應(yīng)敏感環(huán)節(jié)晶格損傷原子位移與點(diǎn)缺陷產(chǎn)生載流子壽命影響遷移率下降與復(fù)合增強(qiáng)表面態(tài)變化能帶彎曲與電子陷阱產(chǎn)生電子束輻照技術(shù)基礎(chǔ)原理電子加速keV~MeV能量范圍高速電子束形成與材料相互作用彈性/非彈性散射電離與位移損傷能量沉積與缺陷形成閾值能量效應(yīng)空位-間隙對(duì)產(chǎn)生常見電子束設(shè)備類型靶區(qū)加速器能量范圍大、樣品處理量高透射電子顯微鏡精確控制、同步觀察損傷工業(yè)級(jí)設(shè)備穩(wěn)定性高、自動(dòng)化程度高電子束能量與劑量參數(shù)參數(shù)類型單位典型范圍影響效果電子能量eV、keV、MeV50keV-10MeV穿透深度輻照劑量Gy、C/cm210?-10?Gy缺陷密度束流強(qiáng)度μA/cm21-1000μA/cm2劑量率效應(yīng)電子束輻照實(shí)驗(yàn)流程樣品前處理清洗、標(biāo)記、初始表征輻照參數(shù)設(shè)定能量、劑量、溫度控制輻照過程控制照射均勻性后處理表征電學(xué)、光學(xué)、結(jié)構(gòu)分析輻照過程中常見安全措施輻射防護(hù)屏蔽墻設(shè)計(jì)劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)鉛防護(hù)服等冷卻系統(tǒng)溫度監(jiān)控水循環(huán)降溫?zé)岱€(wěn)定維持國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16138輻射工作人員限值設(shè)備年檢制度電子束與其他輻射源對(duì)比穿透能力離子化效率缺陷生成效率國(guó)內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)及現(xiàn)狀中科院半導(dǎo)體所GaN輻照損傷修復(fù)技術(shù)領(lǐng)先清華大學(xué)表面缺陷控制研究突出美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室器件級(jí)輻照硬化技術(shù)電子束與GaN材料的相互作用機(jī)理非彈性散射電子空穴對(duì)生成原子位移達(dá)到閾值能量后晶格原子移位能量損失電子阻止與核阻止共同作用缺陷形成空位與間隙原子產(chǎn)生常見輻照缺陷類型Frenkel對(duì)空位-間隙對(duì)基本缺陷單元溫度依賴性強(qiáng)空位Ga空位VGaN空位VN形成能不同間隙原子Ga間隙GaiN間隙Ni遷移勢(shì)壘低缺陷濃度與劑量依賴性輻照劑量(10^xGy)點(diǎn)缺陷濃度(cm^-3)復(fù)合缺陷濃度(cm^-3)輻照對(duì)GaN導(dǎo)電性的影響60%載流子遷移率降低1MGy劑量下典型值2x散射中心增加點(diǎn)缺陷形成導(dǎo)致PRB83文獻(xiàn)報(bào)道153202引用量高輻照對(duì)GaN光學(xué)性能的影響PL/CL發(fā)光變化帶邊發(fā)光強(qiáng)度下降黃光帶發(fā)光增強(qiáng)缺陷能級(jí)新發(fā)光峰光譜峰位移動(dòng)藍(lán)移：晶格收縮紅移：點(diǎn)缺陷復(fù)合半峰寬增大：無序增加輻照對(duì)GaN結(jié)構(gòu)的影響表面與界面效應(yīng)表面勢(shì)壘變化缺陷誘導(dǎo)能帶彎曲氧化物層影響表面鈍化層厚度增加界面缺陷富集應(yīng)力區(qū)域成為缺陷捕獲中心器件級(jí)別的性能劣化1HEMT遷移率下降二維電子氣密度降低2崩潰電壓降低擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降10-30%3LED外量子效率減小非輻射復(fù)合中心增加4SBD反向泄漏提升肖特基勢(shì)壘高度改變電子束誘發(fā)的失效機(jī)制硬損傷永久性晶格破壞難以恢復(fù)軟損傷電荷累積效應(yīng)可通過退火恢復(fù)失效時(shí)間預(yù)估器件參數(shù)加速衰減壽命評(píng)估模型輻照損傷與材料應(yīng)力變化熱應(yīng)力輻照產(chǎn)熱導(dǎo)致熱膨脹熱循環(huán)引發(fā)晶格應(yīng)變退火過程應(yīng)力恢復(fù)機(jī)械應(yīng)力點(diǎn)缺陷導(dǎo)致局部晶格畸變宏觀晶格參數(shù)變化薄膜應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變極化場(chǎng)變化應(yīng)力影響壓電極化載流子重分布界面電荷密度調(diào)整缺陷演化與自愈合機(jī)制動(dòng)態(tài)恢復(fù)溫度依賴型簡(jiǎn)單缺陷遷移正交缺陷互相湮滅熱退火高溫加速缺陷重組晶格重構(gòu)與有序化材料對(duì)比InAlN/GaN更優(yōu)異抗輻照性自愈合效率更高材料抗輻照性的提升策略系統(tǒng)級(jí)輻照硬化冗余設(shè)計(jì)與容錯(cuò)技術(shù)器件工藝優(yōu)化柵極結(jié)構(gòu)與鈍化層改進(jìn)材料改性技術(shù)摻雜調(diào)控與表面處理缺陷工程預(yù)置缺陷陷阱設(shè)計(jì)表征方法總覽結(jié)構(gòu)表征TEM/XRD/Raman/AFM光學(xué)表征PL/TRPL/CL/透射反射譜電學(xué)表征霍爾效應(yīng)/IV特性/DLTS低溫光致發(fā)光（PL）檢測(cè)波長(zhǎng)(nm)未輻照樣品輻照后樣品時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）載流子壽命縮短輻照后非輻射復(fù)合增強(qiáng)指數(shù)衰減特性變化強(qiáng)度衰減加快3-5倍能級(jí)分裂現(xiàn)象缺陷能級(jí)形成雙指數(shù)衰減行為新共振峰出現(xiàn)電子自旋共振(ESR)技術(shù)缺陷定量分析自旋濃度測(cè)量g因子確定超精細(xì)結(jié)構(gòu)解析電子空穴對(duì)探測(cè)順磁性缺陷識(shí)別缺陷微觀結(jié)構(gòu)解析溫度依賴性研究實(shí)驗(yàn)條件要求低溫環(huán)境（<10K）高靈敏度探測(cè)微波頻段選擇透射電子顯微鏡(TEM)分析輻照前晶格規(guī)整有序輻照后點(diǎn)缺陷團(tuán)簇形成原子分辨分析位錯(cuò)環(huán)與無序區(qū)域X射線衍射（XRD）和拉曼光譜電學(xué)性能表征霍爾效應(yīng)測(cè)量載流子濃度與遷移率變化I-V特性電阻率與導(dǎo)電機(jī)制改變脈沖響應(yīng)測(cè)試瞬態(tài)電學(xué)特性評(píng)估低溫電學(xué)表征載流子散射機(jī)制分析原子力顯微鏡與表面形貌檢測(cè)表面粗糙度輻照后增加50-200%統(tǒng)計(jì)均方根計(jì)算納米尺度變化量化微觀形貌缺陷團(tuán)簇形成表面隆起與坑洼納米結(jié)構(gòu)重組最近五年國(guó)際研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)GaN電子束輻照研究現(xiàn)狀2全球論文排名中國(guó)學(xué)者發(fā)文量50+研究團(tuán)隊(duì)活躍科研小組2大型平臺(tái)合肥、蘇州建設(shè)代表性案例一：高劑量輻照損傷調(diào)控1實(shí)驗(yàn)參數(shù)MeV電子束劑量>10MGy2主要發(fā)現(xiàn)導(dǎo)帶邊界空位復(fù)合體形成3技術(shù)突破缺陷控制方法改進(jìn)4應(yīng)用價(jià)值器件壽命延長(zhǎng)25%代表性案例二：低溫輻照增益機(jī)制低溫效應(yīng)77K下復(fù)合缺陷效率變化Ti摻雜提升抗輻照性50%以上機(jī)理解析缺陷遷移抑制與捕獲性能提升載流子壽命延長(zhǎng)3倍代表性案例三：輻照后的"自修復(fù)"現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)退火與原位監(jiān)測(cè)觀察發(fā)現(xiàn)20%缺陷自愈報(bào)告機(jī)理解析臨界溫度點(diǎn)與缺陷活化能關(guān)聯(lián)應(yīng)用前景：空間和核能領(lǐng)域衛(wèi)星通信耐輻照性GaN電子元器件高能物理探測(cè)粒子探測(cè)器性能提升核能設(shè)施GaN器件壽命提升2倍挑戰(zhàn)與技術(shù)瓶頸材料制備大面積低缺陷GaN難題成本控制障礙輻照工藝損傷可控性與一致性高能加速設(shè)施建設(shè)表征困難原位監(jiān)測(cè)技術(shù)不足微觀機(jī)理解析不全