01

引 言

隨著微電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，作為傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的硅（Si）與砷化鎵（GaAs）在半導(dǎo)體器件中表現(xiàn)出的電學(xué)性能已逐漸接近其理論極限。作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅（SiC）材料以其比硅材料更為優(yōu)良的物理及電學(xué)特性，吸引了眾多功率器件業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，SiC材料具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿場強(qiáng)和高載流子飽和速度等優(yōu)勢，因此已成為國際上普遍公認(rèn)的新一代電力電子器件材料，已被應(yīng)用于輸配電系統(tǒng)、軌道交通、新能源汽車、光伏逆變器可再生能源發(fā)電、軍工國防等前沿科技領(lǐng)域。其中，SiC材料在功率開關(guān)器件中的應(yīng)用引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注；SiC功率器件最突出的性能優(yōu)勢在于其高壓、高頻和高溫工作特性，可以有效地降低電力電子系統(tǒng)的功率損耗。

隨著航空航天事業(yè)向深空探測方向迅速發(fā)展，電子器件面臨的工作環(huán)境越來越多樣，在復(fù)雜空間環(huán)境中保證器件工作的穩(wěn)定性顯得尤為重要。空間輻射環(huán)境中充斥著大量的高能電子、質(zhì)子、γ射線和重離子等粒子，對航天器中的半導(dǎo)體元器件造成威脅。對于多數(shù)半導(dǎo)體材料而言，產(chǎn)生一對電子空穴對需要的平均能量為其禁帶寬度的3~5倍，SiC材料的禁帶寬度比傳統(tǒng)Si材料大得多，因此輻照引入的電子空穴對更少。材料的臨界位移能反映其抗位移輻照能力，因此SiC材料臨界位移能是Si材料的近2倍，可有效減少位移缺陷的產(chǎn)生。

本文主要介紹了國內(nèi)外針對SiC基SBD、JBS、MOSFET器件空間輻射效應(yīng)的研究成果，闡述了幾種常用SiC功率器件在高能粒子輻射下的性能變化規(guī)律與損傷機(jī)理，并對SiC功率器件抗輻射性能的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

02

SiC器件發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過近60年的持續(xù)發(fā)展，硅基功率器件已成為當(dāng)今社會各種電能轉(zhuǎn)換接口設(shè)備的主流選擇。20世紀(jì)50年代末，硅基晶閘管（Thyristor）的成功研制標(biāo)志著功率半導(dǎo)體器件的開端；80年代中期開始，可關(guān)斷晶閘管（GTO）開始廣泛應(yīng)用于高壓大功率變換器；而從90年代開始，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）突破了阻斷電壓偏低的限制，成功應(yīng)用于3.3 kV及以上電壓等級場合，并以其較好的動靜態(tài)性能在中壓應(yīng)用場合逐漸取得了優(yōu)勢地位。進(jìn)入21世紀(jì)后，大功率變流裝置對功率器件提出了更高的需求：阻斷電壓更高，導(dǎo)通壓降更低，開關(guān)損耗更低，溫度特性更好。然而硅基功率器件經(jīng)過了60年的發(fā)展后，性能已經(jīng)趨近于體二極管的材料極限（109~1010 WHz），通過器件原理的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的改良及工藝的進(jìn)步已經(jīng)難以明顯提升其總體性能，這已成為制約電力電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一。

近二十年來，SiC單晶生長技術(shù)又取得了很大突破，在SiC晶片質(zhì)量和尺寸上都有了穩(wěn)步提高，促進(jìn)了SiC外延、器件、封裝等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。目前，國外研究和生產(chǎn)SiC單晶的研究機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)集中在美國、日本、德國等國家。與此同時(shí)，SiC外延技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)一步推動了SiC功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。增大SiC外延晶片尺寸是降低SiC功率器件成本的關(guān)鍵，隨著SiC襯底制造技術(shù)的不斷提高，SiC外延晶片己從過去的2、3英寸，逐漸發(fā)展到目前主流的4、6英寸。另一方面，隨著SiC功率器件耐壓等級要求的不斷提高，SiC外延晶片的厚度也從過去的十徵米量級發(fā)展到目前的百微米量級，最高達(dá)到了250 μm以上。另外，降低SiC外延層表面缺陷是提高SiC功率器件成品率、降低制造成本的關(guān)鍵途徑，因此降低外延層表面缺陷是外延工作的重中之重。目前表面缺陷密度已從過去的毎平方厘米幾個(gè)缺陷，降低到每平方厘米小于一個(gè)缺陷的水平，最低達(dá)到了每平方厘米0.05個(gè)缺陷。

隨著SiC外延生長技術(shù)的不斷進(jìn)步，主要發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展SiC功率器件制造技術(shù)，近來多家國際大公司向以使用6英寸外延晶片為主導(dǎo)的6英寸SiC功率器件制造工藝轉(zhuǎn)移，SiC器件產(chǎn)品也在向高壓端擴(kuò)展，如3300 V級，目前己實(shí)現(xiàn)10 kV的SiC肖特基二極管、PiN二極管、MOSFET、IGBT、GTO晶體管的生產(chǎn)，其中單管器件的最高電壓達(dá)到了27 kV。

SiC功率器件主要包括SiC二極管、SiC開關(guān)管和SiC功率模塊。其中SiC二極管又分為SBD二極管和JBS二極管；SiC開關(guān)管分為SiC MOSFET、SiC JFET和SiC IGBT等；SiC功率模塊分為全SiC功率模塊和混合SiC功率模塊。SBD采用4H-SiC的襯底及高阻保護(hù)環(huán)終端技術(shù)，并用勢壘更高的Ni和Pt金屬改善電流密度，適用于阻斷電壓在0.6 ~1.5 kV范圍內(nèi)的應(yīng)用；JBS二極管兼具SBD二極管導(dǎo)通壓降低和PiN二極管阻斷電壓高、反向電流小的優(yōu)點(diǎn)，阻斷電壓范圍為1.5~3 kV；MOSFET等功率開關(guān)器件是電力電子系統(tǒng)中的重要組成部分，主要應(yīng)用于中低壓領(lǐng)域。目前在深空探測領(lǐng)域航天器用電子設(shè)備中應(yīng)用的主要為SiC二極管與SiC開關(guān)管，因此本文針對SiC SBD、SiC JBS與SiC MOSFET器件進(jìn)行了研究。

03

空間輻射效應(yīng)

隨著航空航天事業(yè)向深空探測方向迅速發(fā)展，電子器件面臨的工作環(huán)境越來越多樣，在復(fù)雜空間環(huán)境中保證器件工作的穩(wěn)定性顯得尤為重要。特別是對于太陽系中冰冷天體的探索，例如火星和木星，輻射環(huán)境和空間低溫環(huán)境對電子元器件的正常使用有著重要的影響。空間輻照及核輻照環(huán)境存在著諸多輻射源。在長期輻照過程中，高能射線、粒子入射會在半導(dǎo)體材料內(nèi)產(chǎn)生大量的電荷累積，從而引起器件性能的退化甚至失效，產(chǎn)生總劑量效應(yīng)。在航天器和空間系統(tǒng)的應(yīng)用中，總劑量效應(yīng)的影響主要分為電離作用和原子位移作用。電離作用是指輻照材料的原子通過電離吸收入射粒子的能量，產(chǎn)生電子空穴對；原子位移作用是指輻照材料的原子被高能粒子擊中脫離原有位置，造成晶格損傷。相較于原子位移損傷，電離損傷的影響更加顯著，且更易于發(fā)生。其中，電離損傷又根據(jù)高能粒子的作用數(shù)量分為單粒子效應(yīng)（SEE）與電離總劑量效應(yīng)（TID）。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，SiC功率器件的抗總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)能力較強(qiáng)，單粒子效應(yīng)則遠(yuǎn)不如預(yù)期。航天器上的單粒子效應(yīng)主要是由重離子和質(zhì)子引起的,質(zhì)子通過與半導(dǎo)體材料的核相互作用產(chǎn)生重離子進(jìn)而由重離子誘發(fā)單粒子效應(yīng)。單粒子效應(yīng)包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)等軟錯(cuò)誤，單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯┑扔插e(cuò)誤。

在航天以及核應(yīng)用中，輻照對器件性能的影響會擴(kuò)大到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行上，美國和前蘇聯(lián)早年發(fā)射的衛(wèi)星曾發(fā)生多次故障，甚至失效。我國至今已發(fā)射了幾十種各類用途的衛(wèi)星，其中有的衛(wèi)星也發(fā)生了故障，縮短了工作壽命，造成很大的損失。故障結(jié)果分析表明，其主要是由于空間高能帶電粒子對航天器上電子系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射效應(yīng)造成的，這些效應(yīng)引起的故障占衛(wèi)星故障的絕大部分。因此，空間系統(tǒng)中電子器件的抗輻照性能直接關(guān)系到航天器的使用壽命、穩(wěn)定性以及安全。

空間粒子輻射環(huán)境具有能譜寬、粒子成分多、全方位立體角分布、不同時(shí)期不同種類粒子的注量率不同且注量率較低等特點(diǎn)。然而，半導(dǎo)體器件的空間輻射效應(yīng)評估主要是通過實(shí)驗(yàn)室的各種輻射模擬裝置或輻射源開展地面模擬試驗(yàn)。地面模擬試驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)的空間粒子輻射環(huán)境存在差異。地面試驗(yàn)時(shí)，能譜較窄，一般達(dá)到幾百兆電子伏；輻照粒子單一，一般采用單一粒子對被測器件進(jìn)行輻照；入射角度范圍小，一般采用單向入射；注量率較高，因成本限制采用加速試驗(yàn)方法。因此，為在地面準(zhǔn)確評估半導(dǎo)體器件的空間輻射效應(yīng)，需要充分考慮上述差異對單粒子效應(yīng)的影響，以免出現(xiàn)過于保守或過于低估的情況。

04

SiC基SBD器件的輻射效應(yīng)研究

半導(dǎo)體晶格在受到高能粒子轟擊的過程中會通過庫侖散射將高能粒子能量的一部分轉(zhuǎn)移給晶格原子。臨界位移能（Ed）就是表征轉(zhuǎn)移給晶格原子并使晶格原子離開其原始晶格位置所需要的最小能量。在抗輻照方面，材料的臨界位移能越高，其抗位移輻照的特性就越好，SiC因其較高的臨界位移能，在高能帶電粒子輻照的條件下產(chǎn)生位移輻照缺陷的幾率較小。

早在2002年，SHERIDAN等對Ni、Ti、Mo/4H-SiC SBD的射線輻照效應(yīng)進(jìn)行了報(bào)道，研究結(jié)果表現(xiàn)在經(jīng)過總劑量為4 Mrad（Si）的射線輻照后，所采用的3種肖特基接觸的SiC SBD的直流正向和反向特性均無明顯退化線性，該研究結(jié)果表明在高輻射環(huán)境下SiC在極端環(huán)境電子學(xué)中的特殊潛力，此外，與未經(jīng)過輻照的器件相比，經(jīng)過輻照后的SiC SBD的擊穿電壓增加了約200 V，并通過數(shù)值模擬確定了負(fù)極氧化電荷的增加是反向擊穿電壓提高的原因。2002年，NIGAM等人研究了Ni/4H-SiC SBD的40 MeV高能質(zhì)子輻照效應(yīng)，在輻照后，Ni/4H-SiC SBD的整流特性有較為輕微的下降，反向擊穿電壓也下降了50 V。研究結(jié)果表明Ni/4H-SiC SBD反向漏電流的增加原因是輻照在材料中產(chǎn)生了復(fù)合中心。

2019年，SHENG等人針對4H-SiC SBD進(jìn)行了中子與60Co-γ射線輻照實(shí)驗(yàn)。如圖1所示，在經(jīng)過1×1013 cm-2的中子輻照后，SiC SBD的正向和反向特性幾乎沒有變化，這意味著在這種低通量快中子輻照下，SiC SBD的電性能沒有表現(xiàn)出明顯的退化。此外實(shí)驗(yàn)還采用了總劑量為300 krad的60Co-γ射線對樣品進(jìn)行輻照，輻照前后正向與反向I-V曲線如圖2所示，與中子輻照結(jié)果類似，60Co-γ射線對SiC SBD電性能影響并不明顯，正向與反向I-V曲線基本不變。為進(jìn)一步評估中子位移損傷對SiC SBD造成的影響，實(shí)驗(yàn)將快中子的輻射通量提升至1.3×1015 cm-2，得到圖3中的結(jié)果，可以看到此時(shí)SiC SBD在輻照前后的I-V曲線發(fā)生了明顯的變化，除正向電流減小外，正向I-V曲線的斜率也產(chǎn)生了很大變化；通過計(jì)算得知高通量的快中子輻照后，SiC SBD的理想因子數(shù)值增加，表明器件內(nèi)形成了高密度的缺陷。與此同時(shí)，在圖3中還可以看到阻斷電壓顯著降低，造成SiC SBD性能的嚴(yán)重劣化。因此，中子引起的位移損傷會在SiC SBD中引入大量缺陷，從而極大地改變載流子運(yùn)輸性質(zhì)，影響器件的基本運(yùn)行。

圖11×1013 cm-2的中子輻照前后SiC SBD正向與反向I-V曲線

圖2300 krad 60Co-γ射線輻照前后SiC SBD正向與反向I-V曲線

圖31.3×1015 cm-2的中子輻照前后SiC SBD正向與反向I-V曲線

同一時(shí)間，國內(nèi)的楊桂霞等人選取了能量為1.8 MeV、通量為9.62×1012 cm-2s-1、總注量為9.05×1017 cm-2的電子對4H-SiC SBD進(jìn)行輻照試驗(yàn)。如圖4所示，隨著電子注量的增加，器件的感應(yīng)電流不斷減小；當(dāng)電子注量達(dá)到1×1015 cm-2時(shí)，電流減小到1.24×10-5 A，可以認(rèn)為SiC SBD足以抵抗通量低于1×1015 cm-2的電子輻照。然而隨著電子注量的進(jìn)一步增加，器件的感應(yīng)電流開始急劇下降，輻照結(jié)束時(shí)，電流達(dá)到1.82×10-6 A，相比于初始值降低了85%，同時(shí)SiC SBD的感應(yīng)電流波動也急劇增大。這是由于SiC SBD受到高注量電子輻照時(shí)，在SiO2層、SiC層以及金屬和SiC之間的界面內(nèi)會產(chǎn)生大量缺陷，這些缺陷會在1.8 MeV電子輻照時(shí)對電荷載流子產(chǎn)生去除效應(yīng)，導(dǎo)致感應(yīng)電流的減小。

圖4感應(yīng)電流隨電子注量的實(shí)時(shí)變化曲線

HEMMINGSSON等人利用深能級瞬態(tài)譜（DLTS）研究了電子輻照化學(xué)氣相沉積生長的4H-SiC外延層中的深能級缺陷。在100~750 K溫度范圍內(nèi)對電子輻照的p-n結(jié)進(jìn)行的測量顯示，電子陷阱和空穴陷阱的熱電離能范圍為0.35~1.65 eV，這是導(dǎo)致器件性能惡化的主要原因。實(shí)驗(yàn)中常采用I-V、C-V與DLTS分析研究缺陷對SiC SBD性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，DLTS缺陷能級（EH1、EH3和Z1/2）極有可能是電子輻照后電荷收集效率降低的原因之一，其中EH1和EH3與碳間隙有關(guān)，Z1/2與碳空位有關(guān)。研究表明，當(dāng)輻照電子能量超過100 keV時(shí)會在SBD中引入Z1/2和EH6/7，Z1/2和EH6/7的濃度隨著輻照注量的增大而提高。OMOTOSO等的研究表明，電子輻照會導(dǎo)致Ni/4H-SiC SBD自由載流子濃度降低。SiC SBD經(jīng)電子輻照后，會在半導(dǎo)體/金屬界面附近形成缺陷，顯著增加理想因子并出現(xiàn)瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)電流。

針對SiC SBD工藝的改進(jìn)，葉毅等研究了表面電場降低（D-Resurf）技術(shù)，可提高反向擊穿電壓，改善正向?qū)ㄌ匦裕€通過仿真對參數(shù)進(jìn)行了一系列的優(yōu)化；陳剛等則制備了Ni/SiC SBD，Ni/SiC作為終端放置在SBD邊緣，在反向擊穿電壓為1100 V時(shí)，Ni/SiC SBD依然保持較小的漏電流，且正向?qū)ㄌ匦员憩F(xiàn)良好。

05

SiC基JBS器件的輻射效應(yīng)研究

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以肖特基二極管（SBD）和PiN二極管為主的傳統(tǒng)二極管已無法滿足高頻率、大功率及低功耗的市場需求，前者擊穿電壓低、反向漏電大，而后者高頻特性較差。因此結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS）應(yīng)運(yùn)而生，該結(jié)構(gòu)將SBD結(jié)構(gòu)和PiN結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合在一起，結(jié)合了SBD良好的開關(guān)特性和PiN二極管高擊穿電壓和低漏電流特性，具有高耐壓、低壓降、小漏電、高頻特性好及強(qiáng)抗過壓和浪涌電流能力。與SBD相比，JBS中有P-N結(jié)存在，輻照效應(yīng)更加復(fù)雜，包括了在SBD中不存在的少子效應(yīng)。因此，在研究分析JBS輻照效應(yīng)的過程中不僅要考慮半導(dǎo)體-金屬肖特基結(jié)的輻射效應(yīng)，還要考慮P-N結(jié)的輻照效應(yīng)。

2014年，HAZDRA等人針對1700 V SiC JBS功率二極管進(jìn)行了注量分別為1.3×1013、6.6×1013、1.7×1014、4×1014 cm-2的中子輻照實(shí)驗(yàn)，通過電容深能級瞬態(tài)光譜、電容－電壓（C-V）曲線和電流－電壓（I-V）曲線測量對輻射缺陷、熱穩(wěn)定性和對二極管特性的影響進(jìn)行表征。由圖5可知，不同注量下SiC JBS所有正向I-V曲線在低偏壓下都呈線性變化，而在較大的正向電壓下，串聯(lián)電阻決定其變化趨勢；隨著輻照注量的增加，I-V曲線的線性區(qū)域變小，在較高電壓下的電流也有所下降，這與輻照后JBS串聯(lián)電阻增加的趨勢相符，此時(shí)在較低偏壓下器件的肖特基結(jié)勢壘高度基本保持不變，這正是由于隨著輻照注量的增加，引入了類受體輻射缺陷或氮摻雜劑失活，導(dǎo)致JBS低摻雜N外延層中自由載流子數(shù)目減少。同時(shí)隨著輻照劑量的增加，外延層中摻雜數(shù)目的減少可能與遷移率的降低相結(jié)合。圖5中的反向I-V特性表明中子輻照對SiC JBS在低反向電壓下的泄漏電流不會造成太大影響，這是由于碳化硅的寬帶隙抑制了輻照引入的深能級電荷載流子的產(chǎn)生，引入的深能級則表現(xiàn)為電荷陷阱，而非產(chǎn)生中心；引入缺陷的受主特性降低了外延層中的N型摻雜水平，從而降低了反向偏置JBS結(jié)的空間電荷區(qū)（SCR）中的電場強(qiáng)度，因此輻照后二極管的擊穿電壓保持不變甚至略有增加。

而在高中子注量輻照下，二極管的反向I-V特性在低電壓下表現(xiàn)為泄漏電流迅速增長，并隨著中子注量的增加而增加，這種異常現(xiàn)象是由深能級或表面態(tài)捕獲的電子的熱釋放引起的，此后測試電流與SCR延伸的速度成正比關(guān)系變化。在輻照后的二極管中，有效氮摻雜減少；并且在低電壓（大于40 V）時(shí)SCR比未輻照的樣品擴(kuò)展得更快。當(dāng)SCR延伸率相等時(shí)，電流過沖在較高的電壓下停止。應(yīng)該注意的是，隨著中子輻照劑量的增加，肖特基結(jié)勢壘高度的增加抑制了受輻照二極管在高電壓（大于1000 V）區(qū)域的反向電流；在高電壓（大于1000 V）區(qū)域，泄漏是由結(jié)勢壘上的熱離子發(fā)射給出的。因此我們可以得出結(jié)論，中子輻照對工作在關(guān)閉狀態(tài)下的SiC二極管基本不會產(chǎn)生影響。

圖5 中子輻照前后4H-SiC JBS的正向與反向I-V特性

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉超銘等人采用注量為5×1014 cm-2和5×1015 cm-2的1 MeV電子對4H-SiC JBS進(jìn)行了電子輻照實(shí)驗(yàn)，研究了不同注量電子對4H-SiC JBS的I-V特性、C-V特性和缺陷的輻照效應(yīng)。如圖6所示，隨著電子注量的增加，正向電流減小；根據(jù)計(jì)算可得輻照后，串聯(lián)電阻由49.8 mΩ增長到81.2 mΩ。輻照產(chǎn)生的缺陷可以俘獲SiC中的自由載流子，使凈載流子濃度降低并產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)，從而導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加。而漏電流隨輻照注量先增加后降低，載流子濃度隨輻照注量的增加而降低，載流子去除率為0.37 cm-1。較低注量下漏電流的增加原因可能是輻照引起原子位移產(chǎn)生“形成-復(fù)合中心”；較高注量下漏電流的降低原因可能是電子輻照對SiC JBS注入退火效應(yīng)，也可能是電子輻照引入補(bǔ)償缺陷導(dǎo)致載流濃度的降低。圖7中的PL研究結(jié)果表明，輻照后VC、VSi顯著增加。輻照引起缺陷濃度增加并捕獲載流子導(dǎo)致載流子濃度降低，這是4H-SiC JBS器件的I-V特性、C-V特性退化的主要原因。同時(shí)載流子濃度降低和輻照產(chǎn)生的非輻射復(fù)合中心可能引起了淬滅效應(yīng)。總體來說，電子輻照強(qiáng)烈影響SiC的晶格結(jié)構(gòu)和周期勢場，并能在禁帶內(nèi)引入缺陷能級，降低材料中的載流子遷移率和載流子濃度。此外，由電子輻照引起的深能級缺陷常常充當(dāng)非輻射復(fù)合中心，抑制發(fā)光效率，從而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度降低。缺陷濃度的增加也會導(dǎo)致4H-SiC JBS的I-V和C-V特性變化。

圖6電子輻照前后4H-SiC JBS的正向與反向I-V特性

圖7 電子輻照前后4H-SiC JBS的PL光譜圖

06

SiC基MOSFET器件的輻射效應(yīng)研究

2014年，ALEXANDRU等人研究了質(zhì)子與電子輻照對MOSFET電學(xué)參數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)主要針對4H-SiC nMOSFET器件進(jìn)行了帶電粒子輻照與分析。輻照部分選取了基于4種不同注量下的5 MeV質(zhì)子輻照：5×1011 p/cm2、5×1012 p/cm2、5×1013 p/cm2與5×1014 p/cm2；以及基于4種不同吸收劑量的15 MeV電子輻照：100 krad（Si）、1 Mrad（Si）、2 Mrad（Si）與3 Mrad（Si）。輻照前后4H-SiC MOSFET重要電學(xué)參數(shù)變化如表1、2所示。

表15 MeV質(zhì)子輻照后4H-SiC MOSFET電學(xué)參數(shù)

表215 MeV電子輻照后4H-SiC MOSFET電學(xué)參數(shù)

由實(shí)驗(yàn)可知，不同注量輻照前后4H-SiC MOSFET的閾值電壓、溝道遷移率與柵漏電流都發(fā)生了較為明顯的變化。閾值電壓變化如圖8所示，可以看出在經(jīng)過質(zhì)子輻照后，閾值電壓降低并且隨時(shí)間增長而趨于穩(wěn)定，隨著質(zhì)子注量的增加，閾值電壓呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；電子輻照前后變化與質(zhì)子輻照相似；同時(shí)我們還可以看到，即使在最高通量的質(zhì)子輻照與最大注量的電子輻照下，其柵極漏電流仍幾乎保持不變。

（a）5 MeV不同注量質(zhì)子輻照

（b）15 MeV不同劑量電子輻照

(c)不同質(zhì)子和電子輻照通量/劑量下的平均漏電流隨時(shí)間的變化

圖8 不同輻照劑量下閾值電壓和柵漏電流變化

國內(nèi)的梁曉雯等人為探究SiC MOSFET在空間輻射環(huán)境下的性能穩(wěn)定性，選取了60Co-γ射線為輻照源，采用1.74 Gy(SiO2)/s的劑量率對36 A 1200 V SiC MOSFET進(jìn)行總劑量輻射實(shí)驗(yàn)。器件轉(zhuǎn)移特性曲線隨輻射劑量變化趨勢如圖9所示，在較低的外加電場條件下，隨著輻射總劑量的增加，轉(zhuǎn)移特性曲線基本沒有變化；圖10（a）顯示了在高電場下輻照的器件的IDS-VGS曲線，從中我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)劑量小于58 krad(SiO2)時(shí)，曲線幾乎沒有變化，當(dāng)劑量大于58 krad(SiO2)時(shí)，曲線向負(fù)方向移動；圖10（b）給出了從圖9和圖10（a）中提取的閾值電壓的變化情況，如圖所示，當(dāng)在0 V和5 V偏壓下照射時(shí)，閾值電壓變化量ΔVth很小，而當(dāng)在20 V偏壓下照射時(shí)，閾值電壓變化量ΔVth顯著降低。

這種現(xiàn)象主要是由氧化物中正電荷的積累所導(dǎo)致的。γ射線輻照在氧化物中產(chǎn)生電子－空穴對，SiO2中電子的遷移率遠(yuǎn)高于空穴的遷移率，因此在20 V的輻照偏壓條件下，強(qiáng)電場會導(dǎo)致電子向柵極快速漂移，空穴向SiC/SiO2界面緩慢漂移。在此過程中，部分空穴會被氧空位俘獲，形成正的氧化物陷阱電荷。而在-5 V和0 V偏壓配置下，空穴的動能很小，大部分空穴被電子復(fù)合，氧化物中無法形成正電荷。

(a) VGS=0 V@RT

(b)VGS=-5 V@RT

圖9 不同偏置條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線與輻射劑量關(guān)系

（a）VGS=20 V下的轉(zhuǎn)移特性曲線與輻射劑量關(guān)系

（b）不同偏置條件下閾值電壓變化量ΔVth與輻射劑量關(guān)系

圖10 輻照后SiC MOSFET轉(zhuǎn)移特性與閾值電壓變化曲線

相比于輻照總劑量效應(yīng)，單粒子會對SiC MOSFET造成更為嚴(yán)重的損傷，其中單粒子燒毀（SEB）作為一種破壞型的SEE，在N型溝道功率晶體管中極易發(fā)生。為探究SiC MOSFET器件的單粒子燒毀效應(yīng)，哈爾濱工程大學(xué)的于成浩等人仿真分析了功率MOSFET的單粒子燒毀效應(yīng)，圖11給出了LET=0.01 pC/μm的離子在頸區(qū)位置入射后，功率MOSFET漏源電流隨時(shí)間的變化曲線。可以看到，當(dāng)VDS=260 V時(shí)，器件的瞬態(tài)電流隨時(shí)間不斷增加，從初始較低的數(shù)值變?yōu)橐粋€(gè)高穩(wěn)態(tài)電流值，最終造成器件燒毀；而當(dāng)VDS=250 V時(shí)，初始一段時(shí)間內(nèi)瞬態(tài)電流隨時(shí)間不斷增加，在1 ns左右開始下降，并在10 ns時(shí)降低為零，沒有發(fā)生單粒子燒毀效應(yīng)。我們定義觸發(fā)SEB所需要的最低漏源電壓為SEB閾值電壓。若將不同LET值下功率MOSFET的SEB閾值電壓繪制成圖可得圖12中的曲線，如圖所示，SEB閾值電壓隨LET值的增加而不斷減小，直到達(dá)到SEB閾值電壓飽和值，該飽和值即為功率MOSFET器件的安全工作區(qū)（SOA）。SOA是表征功率MOSFET器件SEB性能的一個(gè)重要參數(shù)，用來定義對SEB效應(yīng)免疫的漏源電壓工作區(qū)域，通常用SEB閾值電壓隨LET值的變化曲線來定義。

圖11 離子入射后，功率MOSFET漏源電流隨時(shí)間的變化曲線

圖12 離子入射后，功率MOSFET SEB閾值電壓隨LET的變化曲線

于慶奎等人選取了不同廠家的SiC功率器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在重離子輻照后，在器件發(fā)生單粒子燒毀失效前的更低電壓下，SiC MOSFET的漏電流快速增加。由此可知，重離子輻照會引起SiC MOSFET單粒子燒毀，而漏電流增加和單粒子燒毀與入射粒子LET和偏置電壓有關(guān)；同時(shí)漏電流還會隨入射離子注量的增加而增大，因此具有一定的累積效應(yīng)。

為驗(yàn)證SiC MOSFET在空間復(fù)雜輻照環(huán)境下的電性能可靠性，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉超銘等人針對SiC MOSFET在低溫與輻照耦合環(huán)境下性能的變化規(guī)律與損傷機(jī)理進(jìn)行了深入分析。實(shí)驗(yàn)選取了1200 V商用SiC MOSFET為研究對象，分別在300 K、200 K、40 K的溫度環(huán)境下對樣品進(jìn)行了60Co-γ射線輻照，輻射劑量分別為50 krad、100 krad、500 krad與1 Mrad。圖13為不同溫度下SiC MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線，可以很明顯地看出隨著輻射劑量的增加，轉(zhuǎn)移特性曲線負(fù)向漂移。若從圖13中提取器件的閾值電壓，可得到閾值電壓Vth在不同溫度下隨輻射劑量的變化曲線。如圖14所示，在同一輻射劑量下閾值電壓隨著溫度的降低而增大，在溫度為40 K時(shí)，閾值電壓達(dá)到極大值。

之前的研究結(jié)果表明，界面態(tài)密度隨溫度的降低而迅速增加，由于假定界面態(tài)為負(fù)電荷，因此低溫下閾值電壓產(chǎn)生圖中所示的正向偏移；與此同時(shí)，隨著溫度的降低，表面費(fèi)米能級向?qū)н吘塃c移動，界面態(tài)密度迅速增大，導(dǎo)致大量的電子在低溫下將被捕獲在界面態(tài)，得到更高的閾值電壓；而60Co-γ射線輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生了大量的電子－空穴對，空穴由于遷移速率較慢易被柵氧層中的氧空位捕獲，形成帶正電的氧化物陷阱電荷，造成了輻射后閾值電壓的負(fù)向偏移。

（a）T=300 K

（b）T=200 K

（c）T=40 K

圖13不同溫度下SiC MOSFET輻射后轉(zhuǎn)移特性曲線

圖14不同溫度下SiC MOSFET閾值電壓Vth與輻射劑量的關(guān)系

07

結(jié) 論

隨著半導(dǎo)體功率器件工藝與深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，我國將不斷加快向更深更遠(yuǎn)深空領(lǐng)域邁進(jìn)的步伐。由于深空環(huán)境中充斥著大量的高能粒子，嚴(yán)重威脅到在軌航天器的使用壽命與測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此對SiC功率器件在空間輻射環(huán)境下可靠性的研究顯得尤為關(guān)鍵。由國內(nèi)外學(xué)者對SiC功率器件空間輻射效應(yīng)的研究可知，高能粒子主要是通過在SiC SBD中造成高密度的缺陷，并且在材料中誘導(dǎo)復(fù)合中心的產(chǎn)生，降低了自由載流子濃度，從而影響其正向與反向泄漏電流，造成器件性能的退化；針對SiC JBS器件，電子輻照影響了SiC的晶格結(jié)構(gòu)，在禁帶內(nèi)部引入了缺陷能級，使得材料中的載流子遷移率和載流子濃度降低，同時(shí)輻照造成的深能級缺陷常常充當(dāng)非輻射復(fù)合中心，抑制了發(fā)光效率；SiC MOSFET的SiO2/SiC界面與柵氧層對空間輻射環(huán)境較為敏感，輻照在氧化層中產(chǎn)生大量的電子-空穴對，由于遷移速率較慢，導(dǎo)致大量的空穴被柵氧層內(nèi)的氧空位俘獲成為帶正電的有效氧化物陷阱電荷，導(dǎo)致了MOSFET閾值電壓的正向漂移。因此，SiC功率器件在空間輻射環(huán)境下的可靠性是SiC功率器件工藝發(fā)展與深空探測技術(shù)推進(jìn)的重要保障，改進(jìn)SiC功率器件工藝結(jié)構(gòu)以充分發(fā)揮SiC寬禁帶材料抗輻射性能的優(yōu)勢，對我國未來航空航天科技的發(fā)展具有關(guān)鍵作用。

審核編輯：劉清