Estudo de transistores de potência de alta mobilidade eletrônica baseados em GaN: tolerância aos efeitos da radiação Ionizante

Abstract

Esta tese de Doutorado apresenta um estudo comparativo da robustez de transistores comerciais de alta mobilidade eletrônica baseados em nitreto de gálio (GaN) sob a exposição a diferentes tipos de radiação ionizante, incluindo raios X (10 keV), raios gama (1,25 MeV), e nêutrons rápidos monoenergéticos (14 MeV). O objetivo principal é investigar os mecanismos físicos subjacentes às interações de cada tipo de radiação com a estrutura dos dispositivos, avaliando suas implicações nas propriedades elétricas. A partir dessa análise, busca-se desenvolver uma metodologia de caracterização, permitindo a estimativa da robustez dos transistores para aplicações em ambientes extremos. Com a perspectiva de comparar a tolerância da estrutura semicondutora frente às três fontes de radiação, foram adquiridos os seguintes parâmetros característicos: tensão de limiar (VTH), transcondutância máxima (gmmax), corrente de fuga (Ioff), inverso da inclinação de sublimiar (S) e resistência de canal (RDSON), antes, durante e após a exposição aos feixes de radiação. A análise desses parâmetros permitiu identificar os mecanismos de aprisionamento e liberação de cargas nas interfaces e/ou óxidos dos dispositivos, resultantes principalmente do efeito de dose total ionizante (TID – Total Ionizing Dose). Além disso, foram observadas alterações associadas a danos por deslocamento atômico (DD – Displacement Damage). No entanto, não foi detectada uma seção de choque significativa para eventos únicos, corroborando a robustez do dispositivo frente a esse tipo de radiação. Os dispositivos analisados, modelo GS61008T (GaN-Systems), foram irradiados nos modos <on= (polarizado, VG = 5 V) e <off= (não polarizado). Os resultados demonstraram excelente recuperação funcional após TID de até 360 krad(Si), com menor degradação no modo <on=. A interação com raios gama (60Co, 1,25 MeV) indicou possíveis efeitos combinados de TID e DD, possivelmente como resultado da geração de pares de Frenkel por elétrons secundários devido ao espalhamento Compton, enquanto os raios X (10 keV) apresentaram comportamento dominado pelo efeito fotoelétrico, favorecendo a análise exclusiva de efeitos de TID. Discrepâncias entre os efeitos das radiações eletromagnéticas motivaram a inclusão de irradiação por nêutrons rápidos (14 MeV), que revelou características específicas do dano de deslocamento. Os resultados mostraram que os parâmetros elétricos dos transistores de alta mobilidade, sendo o termo em inglês HEMTs: High 2

Electron Mobility transistores, de estrutura baseada em AlGaN/GaN, variam significativamente conforme o tipo de radiação e os mecanismos físicos envolvidos. Os resultados obtidos com a irradiação por nêutrons rápidos evidenciaram a contribuição dos danos por deslocamento atômico (DD) na degradação dos HEMTs de GaN, permitindo concluir que a escolha da fonte de radiação é um fator determinante na caracterização e qualificação desses dispositivos. Especificamente, a irradiação com 60Co não se mostrou ideal para a avaliação isolada dos efeitos da dose total ionizante (TID), devido à superposição dos danos estruturais induzidos por DD. Para estudos específicos de TID, esta pesquisa demonstra que é mais eficiente a utilização de raios X de 10 keV, nos quais o efeito fotoelétrico predomina, minimizando a interferência de espalhamentos secundários. Assim, a seleção criteriosa da fonte de irradiação é essencial para garantir a precisão dos testes e a correta estimativa da robustez dos dispositivos em aplicações críticas

This doctoral thesis presents a comparative study of the robustness of commercial high electron mobility transistors based on gallium nitride (GaN) under exposure to different types of ionizing radiation, including X-rays (10 keV), gamma rays (1.25 MeV), and monoenergetic fast neutrons (14 MeV). The main objective is to investigate the underlying physical mechanisms of each radiation type's interactions with the device structure, evaluating their implications on electrical properties. Through this analysis, a characterization methodology is developed to estimate transistor robustness for extreme environment applications. To compare the semiconductor structure's tolerance to these three radiation sources, the following characteristic parameters were acquired: threshold voltage (VTH), maximum transconductance (gmmax), leakage current (Ioff), subthreshold swing (S), and channel resistance (RDSON), before, during, and after radiation exposure. Analysis of these parameters identified charge trapping and release mechanisms at device interfaces and/or oxides, primarily due to total ionizing dose (TID) effects. Additionally, changes associated with displacement damage (DD) were observed. However, no significant cross-section for single-event effects was detected, confirming device robustness against this type of radiation. The analyzed devices, model GS61008T (GaN-Systems), were irradiated in ON (biased, VG = 5 V) and OFF (unbiased) modes. Results showed excellent functional recovery after TID up to 360 krad(Si), with lesser degradation in the ON mode. Interaction with gamma rays (60Co, 1.25 MeV) indicated combined effects of TID and DD, possibly due to Frenkel pair generation by secondary electrons from Compton scattering, whereas X-rays (10 keV) behavior was dominated by the photoelectric effect, facilitating exclusive TID effects analysis. Discrepancies in electromagnetic radiation effects prompted inclusion of fast neutron irradiation (14 MeV), revealing specific displacement damage characteristics. Results highlighted significant contribution of atomic displacement damage (DD) in GaN HEMTs degradation, emphasizing radiation source selection being crucial in device characterization and qualification. Specifically, 60Co irradiation proved suboptimal for isolated TID evaluation due to overlapping structural damage induced by DD. For specific TID studies, 10 keV X-rays are recommended, where photoelectric effect predominates, minimizing secondary scattering interference. Thus, meticulous radiation source selection is essential to ensure test accuracy and correct estimation of device robustness in critical applications.