高性能抗辐照氮化镓功率电子器件技术

成果名称：高性能抗辐照氮化镓功率电子器件技术

成果背景：宽禁带半导体GaN由于具有高击穿电场、高电子饱和漂移速度等材料性能，成为制备功率电子器件的优选材料。GaN功率器件相比于传统Si基MOS结构器件具有重要的辐照应用优势，例如高原子阈值位移能缓解了辐照位移损伤和异质结栅极设计提升了抗总剂量辐照能力。这些特性优势使得GaN功率器件应用前景广阔，包括：（1）卫星电源系统。卫星的太阳能电池阵产生的电能需要经过转换和调节才能用于各类负载。抗辐照GaN器件能高效实现高压（如100V、300V）输入下的升降压转换，其低导通电阻和低栅极电荷有助于减少开关损耗和导通损耗，提升整体效率，并简化热管理设计；（2）电力推进系统。卫星和深空探测器依赖电推进系统（离子推进器）进行姿态调整和轨道维持。这些推进器需要高效、可靠且紧凑的功率转换和驱动单元。抗辐照GaN器件的高开关频率和高功率密度特性，使其能构建出更小、更轻、更高效的推进器电源与管理模块；（3）高海拔无人机与临近空间飞行器、科学观测站与通信中继站。这些应用在空气稀薄、大气中子辐射较强的高空持续工作，其电源系统要求高效、轻量化且能耐受辐射和极端温度。抗辐照GaN功率器件能帮助构建高效、紧凑的电源转换模块，提升无人机的续航能力和任务可靠性；（4）核电站。抗辐照氮化镓功率器件实现更精确、更可靠的核电站堆芯测量，延长设备维护周期，保障反应堆监测系统，并支持新一代紧凑型反应堆的设计。

技术痛点：在宇航级抗辐照GaN功率器件领域，我国长期面临国外技术垄断的困境，尤其在耐压300V以上、抗总剂量辐射超过1Mrad(Si)的高端器件全部依赖进口，代表性的国外企业包括：美国EPC Space、德国Infineon和日本瑞萨Intersil等，这一状况严重制约我国航天科技和核工业等关键领域的发展。目前国内科研机构虽已实现650V/800V级别器件的实验室研制，但商业化产品仍以中低端为主，且抗单粒子效应能力较弱。相比之下，国外产品不仅形成了完整的电压等级和抗辐射指标系列，且最高工作频率可达MHz级，抗单粒子烧毁阈值等综合产品性能领域于国内。

解决方案：南京大学团队在功研制出650V电压级别的抗辐照GaN功率器件。创新提出了“有序排布”电荷的外延结构设计和“分区栅极”器件结构技术的抗辐照加固设计，在82.5 MeV·cm2/mg的重离子辐照条件下，器件在650V偏置下的漏电流维持在极低水平（10-5~10-6 A），单粒子烧毁（SEB）电压退化率仅为6%~10%，显著优于传统硅基VDMOS器件；同时搭建了微区紫外脉冲激光辐照模拟实验装置，实现了对GaN功率器件动态开关特性和功率转换效率的辐照状态实验评估。在激光等效重离子辐照条件下，GaN加固器件展现出96%的能效，优于硅基VDMOS加固器件的91%；同时，利用脉冲激光技术，研究了抗辐照GaN半桥电路中高低测器件的串扰效应和兆赫兹开关能力，验证了GaN功率器件的优异抗辐照性能；此外，团队在国际上率先开展宽禁带半导体功率器件大气中子加固研究，研制出千伏级、低失效率GaN开关器件，推动了GaN器件在“青、康、藏”高海拔地区应用；针对武器核爆的瞬时极高剂量率辐照效应，研制出国际首个抗百万rad(Si)/s GaN器件，助力新型GF装备开发。

联系方式：周老师，e-mail：fengzhou@nju.edu.cn