荷塘阅色

氮化镓（GaN）作为一种高效能半导体材料，在高频应用和极端辐射环境中展现出显著优势。本文通过原子级模拟（TTM-MD）和透射电子显微镜（TEM）实验，深入研究了快速重离子（SHI）辐射对GaN的影响。研究结果表明，SHI辐射在GaN中形成熔融轨迹，随后通过再结晶过程恢复晶体结构。模拟与实验结果高度一致，验证了TTM-MD模型在预测GaN损伤行为中的有效性。此外，研究还揭示了电子能量损失与材料损伤阈值之间的关系，为未来在辐射环境下的GaN应用提供了重要参考。

基于电气特性表征、光谱分辨的电致发光测量以及退化测试相结合的方法，研究了p-GaN肖特基栅高电子迁移率晶体管（HEMTs）中栅极可靠性的负激活能现象。实验结果表明，栅极漏电流源于三种不同机制，且高温下器件寿命延长是由于空穴注入和复合增加，减少了发生雪崩倍增的电子数量，从而推迟了击穿。该研究结果对提高GaN基功率器件的可靠性和优化其在高温环境中的应用具有重要意义。

东南大学Weihao Lu团队在《IEEE Transactions on Electron Devices》发表研究，通过实验与仿真结合的方式揭示了650V级Cascode GaN HEMT在单脉冲浪涌电流应力下的失效机制。研究表明，器件失效源于耗尽型GaN HEMT漏极处的高峰值电流引发焦耳热积聚，导致金属烧蚀并形成栅-源短路。TCAD仿真证实漏极电场与电流密度集中引发的热失控是根本原因。研究提出优化漏极金属焊盘热沉设计的方案，可显著提升器件浪涌耐受能力。

南京大学研究人员在《Applied Physics Letters》发表关于GaN HEMT射频可靠性的研究。通过2GHz大信号实验结合热成像和电学表征，发现阻抗匹配条件下器件仅出现轻微陷阱效应导致的性能衰退，而50Ω失配时反射功率引发的焦耳热会显著升高沟道温度，形成双电场峰并加剧局部热应力，导致输出功率、跨导等参数严重退化。该研究揭示了阻抗匹配对GaN射频器件可靠性的关键影响，为5G功放设计提供了重要依据。

北京大学、西北核技术研究所与厦门大学等多家单位的XUE等人，基于原位透射电子显微学方法，在800 °C下对GaN材料进行400 keV N离子辐照，系统研究了缺陷簇尺寸与密度随辐照剂量（最高达2.48 dpa）的动态演化规律，实验结果表明GaN在高剂量下仍保持晶体结构未非晶化，缺陷簇以位错、层错和空洞为主，且几乎不在本征位错处聚集，N₂气泡在极低剂量（0.02 dpa）即可形核，该研究的结果对揭示GaN本征抗辐照机制及指导极端环境下功率电子器件与辐射探测器的辐射加固设计具有重要意义。

原文首先指出，GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借更宽带隙、更高临界电场及电子迁移率，相对于 Si 与 SiC 器件在功率电子系统表现出“unrivaled switching speed”，从而带来更轻、更小、更高效的电源、快充、数据中心和 LiDAR 等应用[1]–[5]。然而，作者指出，上述手段在高温（≥150 °C）DC 或脉冲应力下仍受限于一种新的失效机制——隔离区 N 注入导致的栅指暴露区域击穿，该机制在文献 [15]、[27] 中首次被观察到。

2013年2月21日，美国弗吉尼亚联邦大学的 Demchenko 等人在《Physical Review Letters》发表了题为《Yellow Luminescence of Gallium Nitride Generated by Carbon Defect Complexes》的文章，基于混合密度泛函理论（HSE06）与低温光致发光实验，系统研究了 GaN 中备受争议的 2.2–2.3 eV 黄光发射带；

2025 年 1 月 7 日，弗吉尼亚联邦大学与纽约州立大学 Albany 分校的 Reshchikov 等人在《Nanotechnology》期刊发表文章，基于光致发光（PL）实验与第一性原理 HSE 计算，系统研究了 GaN 中 BeGa、CN 及 MgGa 受主与氢的复合、钝化和再激活过程；结果表明，350–800 °C 退火释放的氢会钝化 BeGa 与 CN 受主，导致其特征黄光带强度骤降，而 900 °C 以上退火则通过氢脱附恢复受主发光，且 BeGaHi 复合体解离能高达 2.2 eV，显著高于

2024年6月25日，印度J. Charles Pravin等人发表文章，基于对质子、中子、γ射线、α粒子和电子等多种辐射源下GaN基HEMT、肖特基及薄膜二极管的实验与文献综述，系统研究了总电离剂量效应、位移损伤、单粒子效应及协同效应导致的缺陷形成机制与可靠性退化规律。结果表明，GaN材料因其高位移阈值能量而展现出优于传统III-V族器件的抗辐射能力，但在高剂量辐射下仍会出现载流子迁移率降低、阈值电压漂移及漏电流增加等性能退化。

美国国家标准与技术研究院（NIST）与海军研究实验室团队在《Applied Physics Letters》发表了关于同质外延GaN二极管中扩展表面缺陷电子特性的研究。通过光电发射电子显微术（PEEM）、导电原子力显微术（cAFM）及电致发光表征，对比分析了HVPE“点芯”与氨热法GaN衬底上的星形和三角形缺陷。结果表明：星形缺陷源于螺位错，显著增加漏电流并降低击穿电压，属于致命缺陷；三角形缺陷可能由层错引起，其随机分布导致器件性能离散和失效风险升高。

摘要：西班牙圣地亚哥-德孔波斯特拉大学的研究团队通过TCAD数值仿真，论证了氮化镓（GaN）替代砷化镓（GaAs）作为空间激光无线能量传输光伏转换器基材的优越性。研究表明，GaN器件在10W/cm²功率密度下转换效率达78.5%，较现有GaAs纪录提升9.6%，且在100W/cm²下峰值效率达79.6%。GaN展现出更好的耐高温性（温度系数-1.5mV/K）、耐辐射性和抗串联电阻损耗能力，在1000W/cm²极端条件下仍保持75%以上效率。

中国科学院微电子研究所Yixu Yao团队在《Nature Communications》发表研究，揭示了氮化镓(GaN)外延层中位错对载流子输运的影响机制。研究发现螺位错通过形成电子势垒促进电子泄漏，而刃位错则通过引入空穴陷阱增强空穴输运。结合多种表征技术，证实较高刃位错比例的器件能有效缓解电流崩溃退化。该研究为GaN外延生长优化和缺陷工程提供了重要依据，对提升GaN基电子器件性能具有指导意义。

2016 年 2 月 16 日，美国国家可再生能源实验室的 Ji-Hui Yang 等人（通讯作者为 Su-Huai Wei）发表文章研究了半导体 CdTe 中非辐射载流子复合的增强机制。文章提出了一个新的双能级复合机制：缺陷先通过一个能级捕获一种载流子形成亚稳态，随后缺陷结构快速变化至稳定态，再通过另一个能级捕获另一种载流子完成复合。以 CdTe 中的 TeCd 2+ 缺陷为例，研究表明这种双能级过程可使复合速率显著提升三个数量级，与实验结果吻合。

本文研究了通过缺陷工程优化III族氮化物LED中载流子注入不对称性的问题。研究发现，在GaN/AlN量子阱界面引入氮空位(VN)可显著改善电子弛豫特性，使电子弛豫时间从8.61皮秒缩短至0.15皮秒，接近空穴弛豫时间(0.12皮秒)。通过第一性原理计算和非绝热分子动力学模拟，揭示了VN缺陷态在导带内形成"阶梯"，增强电子-声子耦合，从而加速热电子冷却过程。该研究为优化III族氮化物光电器件性能提供了新思路，通过精确控制缺陷工程解决载流子注入不对称问题。

本文通过第一性原理计算研究了InGaN发光器件中的新型非辐射复合机制。研究发现电子激发态下，弗兰克尔对(FP)缺陷形成能显著降低(从4.42eV降至0.56eV)，形成瞬态缺陷并促进非辐射复合。该过程与传统SRH和AR模型不同，是宽禁带半导体的特有现象。计算表明FP形成时间(160ns)与辐射复合时间(88ns)相当，解释了器件效率下降的机制。研究结果为理解非辐射复合提供了新视角，对提高InGaN器件效率具有重要指导意义。

法国IEMN-CNRS研究所Kabouche等人研究了AlN势垒厚度对GaN HEMT器件可靠性的影响。通过对比3nm与4nm AlN势垒器件在40GHz下的24小时射频应力测试，发现3nm器件在30V、室温下性能稳定，140℃高温下仍保持良好可靠性；而4nm器件在12V即出现显著性能衰减，更高电压下快速失效。研究指出3nm势垒接近临界厚度，缺陷密度低，具有更优的应变特性。该成果为5G/卫星通信等毫米波应用的GaN器件优化提供了重要依据。

摘要：意大利帕多瓦大学Riccardo Fraccaroli团队在《Microelectronics Reliability》发表关于100V GaN晶体管关态应力退化机制的研究。通过Weibull分析和电致发光测量发现，器件存在双退化模式：强夹断条件下（VGS=-3V）因介质击穿快速失效（β=2.93）；弱夹断条件下（VGS=0V）因热电子陷阱导致电场降低而延长寿命（β=0.92），并伴随正电荷陷阱相关的亚阈值电流增加。电致发光信号显示局部漏电路径与表面缺陷相关。

摘要：意大利研究人员在《Applied Physics Letters》发表关于p-GaN HEMTs阈值电压不稳定性的研究。通过监测不同偏置应力下的栅极电流密度，发现金属/p-GaN/AlGaN/GaN系统中界面电荷俘获是导致阈值电压漂移的主因：低偏置时电子俘获导致正向漂移（VG<6V），高偏置时空穴俘获引起负向漂移（VG>6V）。实验测得电子陷阱能级（67meV和83meV）与氮空位相关，空穴陷阱能级（410meV）与镓空位相关。STEM分析还发现高应力下会产生贯穿界面的错位类缺陷。

浙江大学研究团队通过实验揭示了GaN帽层对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管栅极漏电流的影响机制。研究表明，去除GaN帽层的凹栅器件在高反向偏压下表现出更高的0.86eV陷阱能级，导致漏电流增加。高温反向偏压应力测试显示，凹栅器件在低反向偏压区的漏电机制由温度无关转变为温度相关，但通过高温退火可修复应力引入的陷阱态。该成果为优化高频应用器件可靠性提供了重要依据，建议未来研究可聚焦刻蚀工艺优化和新型介质层引入。论文发表于《AppliedPhysics Letters》2025年7月期。

摘要：德国研究团队通过高分辨率透射电镜与多尺度模拟，发现氮化镓（GaN）中存在新型四核位错结构。研究表明，即使在完全配位的重构核心中，GaN晶格常数小和巨大应变场仍会诱导深电子态，这一发现颠覆了传统认为位错电活性源于核心悬挂键的观点。该成果对理解GaN电子特性及优化光电器件性能具有重要意义，指出应变诱导的深电子态与核心重构无关，为器件设计提供了新思路。相关研究发表于《物理评论快报》（2004）。

2022 年 12 月 9 日，哈尔滨工业大学的万鹏飞等人在《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B》期刊发表了题为《Location identify of EC - 0.9 eV trap in AlGaN/GaN high electron mobility transistors》的文章，实验结果表明，该研究的结果对深入理解 AlGaN/GaN HEMTs 的辐照效应、明确缺陷位置以及提升其抗辐射性能具有重要意义。

西安电子科技大学Sunyan Gong等人研究了高温正向偏置（HTFB）应力对垂直Pt/Au β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管（SBD）电学性能的影响。实验显示，在200℃、13V应力下持续10ks后，器件正向电流密度下降60%，反向漏电流增加四个数量级，且性能退化不可逆。通过电导-频率分析和STEM表征发现，Pt扩散导致界面态密度显著增加，进而影响势垒高度与载流子传输。研究揭示了界面退化是性能劣化的主因，为提升β-Ga₂O₃器件可靠性提供了关键依据。

2022年3月8日，北京计算科学研究中心的黄兵等人在《Physical Review B》期刊发表研究，探讨了半导体中缺陷的电荷态转变能级（εα(q/q’)）随温度的变化规律。研究基于密度泛函理论结合准谐近似方法，推导了温度依赖的基本公式，并建立了分析施主和受主缺陷能级变化的两条基本规则。研究发现，εα(q/q’)随温度变化呈现多样化行为，包括变浅、变深或保持不变，这主要由自由能修正和带边变化的协同或拮抗效应决定。

该研究基于二次离子质谱（SIMS）、光致发光（PL）和X射线光电子能谱（XPS）等方法，研究了在Au-free gate-first工艺中，SiN和SiO₂两种钝化层对p-GaN/AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）阈值电压（VTH）特性的影响。

文中先介绍失效分析流程，包括使用 EMMI 定位失败区、FIB 解剖、SEM 等观察截面与元素分析、TCAD 模拟找原因等步骤；再详细阐述静电放电（ESD）、高电应力、高热应力、高磁场以及辐照效应等不同条件下的失效机制，像 ESD 下金属迁移、寄生 SBD 击穿等，高电应力下电化学反应致结构变形等现象；最后讨论了表面钝化、栅极凹槽深度、接触结构以及几何结构优化等优化方法。

2025年X月X日，布里斯托大学的Akhil S. Kumar等人在《Nature Electronics》期刊发表了r-文章，基于AlGaN/GaN超晶格多通道场效应晶体管的研究，通过实验测量、模拟和电致发光成像，首次在GaN基多通道晶体管中观察到类似硅基器件的“闩锁效应”，即在高于14V的漏极偏压下，漏极电流会从“关断态”急剧变化到“高电流通态”，并在低于60 mV/decade的阈值电压范围内出现极陡峭的亚阈值斜率。

1997年5月9日，北卡罗来纳州立大学的P.Bogusławski和J.Bernholc等人在《Physical Review B》期刊发表了一篇关于碳（C）、硅（Si）和锗（Ge）在氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）中掺杂特性的研究。该研究采用量子分子动力学方法，详细分析了这些杂质在不同晶体位置上的取代构型、电子结构及掺杂效率。研究发现，Si和Ge在GaN中作为浅施主，而在AlN中Ge则变为深施主；C在GaN中为浅施主，在AlN中则为深施主。

探讨了低剂量率辐照下基于GaN的p型栅高电子迁移率晶体管（HEMTs）的栅漏退化机制。研究通过60Co γ射线源对p-GaN HEMTs进行辐照，结合实验分析和TCAD仿真，发现负向阈值电压变化及栅漏电流增加主要由于p-GaN/AlGaN界面附近供体类陷阱的形成，这些陷阱由辐照过程中的去氢化作用引发。TCAD仿真进一步指出，陷阱辅助隧穿（TAT）过程是栅漏电流增加的主要机制。该研究为理解低剂量率辐照环境下p-GaN栅HEMTs的辐射诱导陷阱对电学参数退化的作用提供了重要理论支持。

2025年5月19日，西安电子科技大学的Ling Lv等人在《IEEE Transactions on Electron Devices》期刊发表了题为《Single-Event Effects of AlGaN/GaN HEMTs Under Different Biases》的文章，基于实验和TCAD仿真模拟方法，研究了单粒子效应对关断状态、半开启状态和开启状态下AlGaN/GaN HEMT器件的影响。

2025年5月，电子科技大学的Xintong Xie和成都信息工程大学的Xiaorong Luo等人在《IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS》期刊发表了一篇关于p-GaN HEMTs在关断状态下负栅极电压（VGS）对单粒子效应（SEE）抗性影响的研究。该研究通过实验和Sentaurus TCAD仿真方法，探讨了100-V E模式p-GaN HEMTs在重离子辐照下的表现。实验使用回旋加速器产生的Ta离子进行辐照，仿真则构建了包含p-GaN层、AlGaN障碍层等结构的模型。

2025年1月16日，Virginia Commonwealth University的M.A. Reshchikov和SUNY–Albany的B. McEwen等人在《Physical Review B》期刊发表了题为《Identity of the shallowest acceptor in GaN》的文章，研究了氮化镓（GaN）中最浅的受主缺陷。通过光致发光实验和第一性原理计算，研究团队发现Be掺杂GaN中的3.38 eV紫外发光带（UVLBe）是由BeGaONBeGa复合体引起的，其离化能仅为0.

2023年7月，瑞士洛桑联邦理工学院的Hongkeng Zhu和Elison Matioli在《IEEE Transactions on Power Electronics》期刊发表文章，提出了一种稳态测量方法，用于研究氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的动态导通电阻（Ron）。实验结果显示，商业GaN器件在稳态下的动态Ron变化显著，稳定时间可达数分钟且与电压相关。传统的脉冲测量方法由于测试时间不足，可能导致结果不准确。该

2025年，南洋理工大学的Pradip Dalapati等人在《Applied Surface Science》期刊发表研究，探讨了外延HfO₂钝化层对原位Si₃N₄/AlN/GaN基MIS-HEMTs性能的提升及其在高能X射线辐照下的退化抑制效果。研究通过X射线光电子能谱（XPS）和电学特性测试，发现HfO₂钝化层能有效钝化表面陷阱，显著提高器件的最大漏极电流和峰值跨导，同时降低电流崩溃现象。在X射线辐照后，具有HfO₂钝化层的器件性能退化率明显低于未钝化器件，展现出较好的辐射硬化特性。

2025年，宾夕法尼亚州立大学Miaomiao Jin团队通过分子动力学模拟，研究了AlGaN合金中铝含量对辐射响应的影响。研究发现，随着铝含量增加，单次碰撞产生的缺陷减少，但富铝系统在高剂量下更易形成扩展间隙缺陷簇，导致损伤加剧。25%铝含量的合金表现出最小的整体辐射损伤。该研究为优化AlGaN材料的抗辐射性能提供了原子尺度的理论支持，有助于开发适用于高辐射环境的电子器件。研究还揭示了缺陷形成与铝含量之间的复杂关系，为未来材料设计提供了重要参考。

2025年，北京大学的Guanhua Long等人研究了基于碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFTs）的超饱和特性，发现其具有由负微分电阻（NDR）效应诱导的电流超饱和现象。实验表明，CNT-TFTs在不同工作点可实现从10²到10⁶的内在增益变化，且在器件尺寸缩小至深亚微米区域时仍能维持高增益特性，展现出对缩放过程的免疫性。与传统的硅基晶体管相比，CNT-TFTs在柔性电子器件中表现出优异的性能，如高增益、宽NDR窗口和出色的静电控制能力。

2024年，华东师范大学彭胜国团队利用从头算分子动力学（AIMD）方法，探究了低能电子束辐照下温度对氮化镓（GaN）位移阈能（TDE）的影响。研究发现，在40至80eV的初始动能范围内，镓（Ga）和氮（N）原子作为初级击出原子（PKAs）时，其位移行为对温度的响应不同：Ga的TDE随温度升高而增加，且位移不确定性增强；而N的TDE受温度影响较小，位移更易发生。该研究为理解GaN在辐照环境下的缺陷形成机制提供了理论依据，对提升电子器件的辐射抗性具有重要意义。

2025年，宾夕法尼亚州立大学的Mansura Sadek团队研究了GaN横向功率器件中注入隔离区的电场依赖载流子传输特性。通过制备不同条件的隔离测试结构并进行电学特性测试，发现泄漏电流和击穿特性主要由注入的GaN区域决定，与缓冲层和未故意掺杂GaN无关。研究揭示了载流子传输在低、中、高电场下的不同特性，并指出击穿主要发生在注入区。该研究为优化GaN功率器件性能、提高击穿电压提供了理论依据，对推动GaN功率器件的发展和应用具有重要意义。

2019年，浙江大学的Rui Li、Xinke Wu等人基于双脉冲和多脉冲测试方法，研究了在硬开关和软开关条件下商用氮化镓（GaN）功率器件的动态导通电阻（R DSON ）特性。实验结果表明，不同GaN器件在硬开关和软开关条件下的动态R DSON 表现出不同的行为，这些行为受关断电压和频率的影响，且与器件技术相关。该研究还通过数值模拟验证了导致动态R DSON 增加的主要陷阱机制。研究结果对GaN基转换器的设计和损耗估算具有重要意义，为深入理解GaN功率器件的动态特性提供了实验和理论基础。

2024年，浙江大学的研究团队通过多组双脉冲测试方法，深入研究了两种商用p-GaN栅极HEMTs在正向和反向导通模式下的动态导通电阻（RON）特性。研究发现，肖特基型p-GaN栅极HEMTs在反向导通时动态RON比正向导通高3%-5%，而混合漏极嵌入栅注入晶体管在反向导通时动态RON降级较轻，降低约10%。此外，随着漏极电流（IDS）的增加，两种器件在反向导通时动态RON先减小后增加，形成“谷底”现象。

2013年，佛罗里达大学的Erin Patrick等人研究了质子辐照对AlGaN/GaN HEMTs（高电子迁移率晶体管）的影响，旨在探索辐照后临界电压增加及器件可靠性提升的物理机制。AlGaN/GaN HEMTs因其宽禁带、高击穿场强和高电子迁移率等特性，在商业和军事领域具有广泛应用前景，但其长期可靠性问题，尤其是栅极边缘的坑状缺陷，限制了其性能。研究通过实验和仿真结合的方法，利用TRIM和FLOODS模型，分析了质子辐照对器件电学性能的影响。