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針對(duì) SiC 功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)器件進(jìn)行了抗輻照試驗(yàn)的研究，利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬空間輻照進(jìn)行了試驗(yàn)，采用 60Co γ 射線源與測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展了總劑量輻照試驗(yàn)研究，對(duì) SiC MOSFET 器件的閾值電壓與導(dǎo)通電阻的漂移進(jìn)行了表征，得到輻照后閾值電壓的漂移小于 0.8 V，導(dǎo)通電阻的變化小于 0.02 Ω。同時(shí)采用 Br、I、Au 三種離子作為單粒子輻射源，研究了 SiC MOSFET 器件的單粒子?xùn)糯?single event gate rupture，SEGR)和單粒子燒毀(single event burnout，SEB)機(jī)制。通過(guò)試驗(yàn)獲得了 SiC MOSFET 器件抗輻照特性參數(shù)，為其在航空、航天等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。 空間輻射輻照環(huán)境中存在大量的高能電子、質(zhì)子、γ 射線和重離子等，將會(huì)對(duì)空間飛行器中的半導(dǎo)體元件造成威脅。功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)器件一般作為空間系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)器件，其性能的變化將會(huì)引起系統(tǒng)的失效，因此對(duì)功率MOSFET器件的抗輻照能力提出了更高的要求[1-2]。 對(duì)于多數(shù)半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)需要的平均能量為其禁帶寬度的 3~5 倍[3]，SiC 材料的禁帶寬度比傳統(tǒng) Si 材料大的多，因此輻照引入的電子空穴對(duì)更少。材料的臨界位移能反映了其抗位移輻照能力，SiC 材料臨界位移能是 Si 材料的近 2倍，可減少位移缺陷的產(chǎn)生。SiC 材料具有大的禁帶寬度和高的臨界位移能，理論上具有很好的抗輻照性能，結(jié)合 SiC 材料的抗輻照特性和 MOSFET良好的電學(xué)性能，SiC MOSFET 器件是一種很有潛力的抗輻照器件。但是，目前對(duì)于 SiC 輻照特性的研究主要還停留在材料的抗輻照性能，國(guó)內(nèi)對(duì)于SiC MOSFET 器件的輻照特性研究還在仿真模擬階段[3-4]，試驗(yàn)研究還處于空白。 針對(duì)空間環(huán)境可采用總劑量輻照、單粒子輻照等方法來(lái)研究器件的抗輻照性能。研究表明，總劑量輻照將在 MOSFET 柵氧化層界面處產(chǎn)生陷阱電荷和界面態(tài)，引起閾值電壓漂移、跨導(dǎo)特性退化、漏電流增加、擊穿電壓降低等效應(yīng)。單粒子效應(yīng)一般會(huì)造成功率 MOSFET 柵極漏電增大，引起單粒子?xùn)艙舸┬?yīng)(single event gate rupture，SEGR)；另外還可能會(huì)造成器件寄生晶體管的雪崩倍增效應(yīng)，產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致單粒子燒毀效應(yīng)(single event burnout，SEB)。 本文通過(guò)總劑量輻照和單粒子效應(yīng)試驗(yàn)?zāi)M空間輻照環(huán)境，對(duì) SiC MOSFET 器件的抗輻照能力進(jìn)行研究。通過(guò)總劑量輻照，研究了 SiC MOSFET器件在輻照前后閾值電壓與導(dǎo)通電阻的變化；在單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中，主要關(guān)注了器件的單粒子燒毀效應(yīng)和單粒子?xùn)糯┬?yīng)。通過(guò)試驗(yàn)分析，得到了 SiC MOSFET 器件抗輻照性能的基本指標(biāo)，說(shuō)明了其具有抗輻照應(yīng)用的潛力，同時(shí)探討了 SiC 器件結(jié)構(gòu)與工藝的抗輻照加固技術(shù)。 1 總劑量輻照試驗(yàn)及分析 總劑量試驗(yàn)樣品采用 SiC MOSFET 器件，TO-257-B 金屬陶瓷封裝如圖 1 所示，測(cè)量其器件基本參數(shù)，閾值電壓 Uth 為 2.2 V，漏源擊穿電壓UBR 為 1 200 V�？倓┝枯椪赵囼�(yàn)在北京師范大學(xué)60Co γ 射線源上進(jìn)行輻照，輻照劑量率為10 rad(Si)/s。為了測(cè)試器件的抗輻照性能，試驗(yàn)中 γ 射線直接輻照器件，沒(méi)有采取屏蔽措施。①在零偏器件測(cè)試中，偏置條件為 UGS=0 V，UDS=0 V，在不同的輻照總劑量下測(cè)量器件的開(kāi)啟電壓 Uth 和開(kāi)啟電阻 Rdson 等電學(xué)參數(shù)；②對(duì)于柵源偏置器件，偏置條件為UGS=12 V，UDS=0 V，在不同總劑量輻照后測(cè)量器件參數(shù)；③對(duì)于漏源偏置器件，偏置條件為 UGS=0 V，UDS=160 V，在不同總劑量輻照后測(cè)量器件參數(shù)。在閾值電壓 Uth 測(cè)量時(shí)，UDS=UGS，取 ID=1 mA 時(shí)為 UGSth；導(dǎo)通電阻測(cè)量時(shí)，取 UGS=12 V，IDS=7.6 A。
從圖 2 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不加?xùn)艍旱臈l件下，總劑量輻照引起的閾值電壓漂移較小，小于 10%，導(dǎo)通電阻保持在 0.12~0.13 Ω，導(dǎo)通電阻變化小于0.01 Ω；在施加?xùn)艠O電壓偏置時(shí)，總劑量輻照引起的閾值電壓漂移明顯，輻照總劑量達(dá)到 150 krad(Si)時(shí)，閾值偏移為 0.8 V，導(dǎo)通電阻在 0.11~0.13 Ω。 由于在柵極零偏時(shí)，輻照產(chǎn)生的電子空穴大量復(fù)合，只有少量空穴被 SiC/SiO2 界面附近的陷阱俘獲，因此對(duì) SiC MOSFET 器件的閾值電壓和導(dǎo)通電阻影響較小；當(dāng)柵極加正電壓偏置時(shí)，輻照產(chǎn)生的電子向柵極漂移，空穴向 SiC/SiO2界面漂移，大量空穴被界面陷阱俘獲，形成正氧化層電荷，從而引起器件閾值電壓的漂移與導(dǎo)通電阻的變化。 、
2 單粒子輻照試驗(yàn)及分析 單粒子試驗(yàn)分別采用 Br、I、Au 三種離子作為單粒子輻射源，對(duì) SCV01~SCV03、SiV01~SiV03六個(gè)樣品進(jìn)行單粒子輻照試驗(yàn)。單粒子輻照系統(tǒng)如圖 3 所示。
SCV01~SCV03 樣品為 SiC MOSFET 器件，采用 TO-257-B 金屬陶瓷封裝，進(jìn)行開(kāi)帽輻照測(cè)試；SiV01~SiV03 為國(guó)內(nèi)某型抗輻照 Si VDMOS 器件(漏源擊穿電壓 200 V)。輻照離子的參數(shù)如表 1 所示，其中離子的射程采用的是離子在硅中射程進(jìn)行標(biāo)定的。待測(cè)器件放置在真空輻照室中，通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)離子的總注量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，同時(shí)根據(jù)測(cè)試要求，通過(guò)測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇測(cè)試接頭，測(cè)量 IDSS和 IGSS。測(cè)試主要步驟如下：
1）在輻照前，柵極加工作電壓 UGS=20 V，測(cè)量器件正常工作狀態(tài)的電流。 2）柵極電壓 UGS=0 V，漏極加正電壓，從UDS=90 V 開(kāi)始偏置，進(jìn)行單粒子輻照試驗(yàn)，當(dāng)總注量計(jì)數(shù)達(dá)到 1.0×107 /cm2 時(shí)停止輻照，測(cè)量器件的IGS與 IDS，判斷是否發(fā)生 SEB 或 SEGR。3）若未發(fā)生 SEB 與 SEGR，則增加漏源電壓UDS，重復(fù)以上步驟，測(cè)試柵源電流與漏源電流；如果發(fā)生 SEB 與 SEGR，則可以給出閾值。 如表 2 所示，所有樣品柵極電壓均為 0 V。對(duì)SCV01、SiV01 兩個(gè)樣品，采用 Br 源進(jìn)行單粒子輻照，參數(shù)如表 1 所示，總注量為 1.0×107 /cm2，其中SCV01 在 UDS=120 V 下發(fā)生 SEGR，由于樣品柵極已經(jīng)發(fā)生破壞性損傷，無(wú)法進(jìn)一步測(cè)試 SEB 閾值，但可以看出在測(cè)試范圍內(nèi)樣品未發(fā)生 SEB；SiV01在UDS=120 V下發(fā)生SEB。進(jìn)一步對(duì)SCV02與SiV02樣品采用 I 源進(jìn)行單粒子輻照，參數(shù)如表 1 所示，總注量為 1.0×107 /cm2，SCV02 樣品在 UDS=110 V 下發(fā)生 SEGR；SiV02 在 UDS=90 V 下發(fā)生 SEGR。對(duì)SCV03 與 SiV03 樣品，采用 Au 源進(jìn)行單粒子輻照，參數(shù)如表 1 所示，總注量為 1.0×107 /cm2，SCV03樣品在 UDS=100 V 下發(fā)生 SEGR；SiV03 在 UDS=90 V下發(fā)生 SEGR。
可以看出，3 個(gè) SiC MOSFET 樣品在測(cè)試中首先發(fā)生 SEGR，并且隨著注入離子 LET 值的增大，擊穿閾值不斷減小。這主要是由于 SiC MOSFET器件的柵極接地，漏極接正電壓，通過(guò)單粒子輻照，將在 SiC 漂移區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在漏極電場(chǎng)的作用下，電子向漏極移動(dòng)，空穴在柵極 SiO2/SiC 界面處形成積累，導(dǎo)致柵介質(zhì)中電場(chǎng)增大，引起柵介質(zhì)燒毀，造成柵極漏電增大。通過(guò)與加固后 Si VDMOS 器件比較，可以看出 SiC MOSFET 具有抗單粒子效應(yīng)潛力。但是 SiC MOSFET 器件由于柵氧層較薄，因此對(duì) SEGR 更為敏感，可以通過(guò)對(duì)SiC MOSFET 器件的柵氧化層結(jié)構(gòu)改進(jìn)，適當(dāng)增加?xùn)叛趸瘜雍穸然虿捎酶?K 柵介質(zhì)等，來(lái)提高 SiC MOSFET 器件的 SEGR 閾值，進(jìn)一步提高其抗單粒子效應(yīng)能力。 3 結(jié)論 本文對(duì) SiC MOSFET 器件的抗輻照性能進(jìn)行了研究，進(jìn)行了總劑量輻照與單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，為SiC MOSFET 器件在空間電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。在總劑量輻照試驗(yàn)中，對(duì) SiC MOSFET器件的閾值電壓與導(dǎo)通電阻的漂移進(jìn)行了表征，得到輻照后閾值電壓的漂移小于 0.8 V，導(dǎo)通電阻的變化小于 0.02 Ω。單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中，通過(guò)采用 Br、I、Au 三種重離子對(duì) SiC MOSFET 進(jìn)行單粒子輻照測(cè)試，得到了器件的 SEGR 閾值。通過(guò)輻照試驗(yàn)可以看出，SiC MOSFET 器件具有一定的抗輻照能力，但若今后應(yīng)用于空間元器件中，仍需要對(duì)器件柵極進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)柵氧化層進(jìn)行抗輻照加固，進(jìn)一步提高 SiC MOSFET 抗輻照性能。（智 能 電 網(wǎng) 文獻(xiàn)2016 年 11 月） 碳化硅MOSFETs與SiC模塊產(chǎn)品概覽
分享電力電子信息，碳化硅器件應(yīng)用技術(shù)等行業(yè)資料，一起交流學(xué)習(xí)。公眾號(hào)：碳化硅MOS與SiC模塊技術(shù)漫談。文章為轉(zhuǎn)載或網(wǎng)友發(fā)布，目的在于傳遞和分享信息，文章版權(quán)歸原作者及原出處所有，如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問(wèn)題，將根據(jù)著作權(quán)人的要求，第一時(shí)間更正或刪除。 |
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SiC MOSFET、Si CoolMOS 和 IGBT 的特性詳細(xì)對(duì)比 https://mp.weixin.qq.com/s/BD5SbOJz5_yLb8o1LzZYWA  |
