SiC MOSFET 器件抗辐照特性研究

针对 SiC 功率金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)器件进行了抗辐照试验的研究，利用实验室环境模拟空间辐照进行了试验，采用 60Co γ 射线源与测试系统开展了总剂量辐照试验研究，对 SiC MOSFET 器件的阈值电压与导通电阻的漂移进行了表征，得到辐照后阈值电压的漂移小于 0.8 V，导通电阻的变化小于 0.02 Ω。同时采用 Br、I、Au 三种离子作为单粒子辐射源，研究了 SiC MOSFET 器件的单粒子栅穿(single event gate rupture，SEGR)和单粒子烧毁(single event burnout，SEB)机制。通过试验获得了 SiC MOSFET 器件抗辐照特性参数，为其在航空、航天等领域中的应用提供了技术参考。空间辐射辐照环境中存在大量的高能电子、质子、γ 射线和重离子等，将会对空间飞行器中的半导体元件造成威胁。功率金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)器件一般作为空间系统的开关器件，其性能的变化将会引起系统的失效，因此对功率MOSFET器件的抗辐照能力提出了更高的要求。对于多数半导体材料，产生一对电子空穴对需要的平均能量为其禁带宽度的 3~5 倍，SiC 材料的禁带宽度比传统 Si 材料大的多，因此辐照引入的电子空穴对更少。材料的临界位移能反映了其抗位移辐照能力，SiC 材料临界位移能是 Si 材料的近 2倍，可减少位移缺陷的产生。SiC 材料具有大的禁带宽度和高的临界位移能，理论上具有很好的抗辐照性能，结合 SiC 材料的抗辐照特性和 MOSFET良好的电学性能，SiC MOSFET 器件是一种很有潜力的抗辐照器件。但是，目前对于 SiC 辐照特性的研究主要还停留在材料的抗辐照性能，国内对于SiC MOSFET 器件的辐照特性研究还在仿真模拟阶段，试验研究还处于空白。针对空间环境可采用总剂量辐照、单粒子辐照等方法来研究器件的抗辐照性能。研究表明，总剂量辐照将在 MOSFET 栅氧化层界面处产生陷阱电荷和界面态，引起阈值电压漂移、跨导特性退化、漏电流增加、击穿电压降低等效应。单粒子效应一般会造成功率 MOSFET 栅极漏电增大，引起单粒子栅击穿效应(single event gate rupture，SEGR)；另外还可能会造成器件寄生晶体管的雪崩倍增效应，产生大电流，导致单粒子烧毁效应(single event  burnout，SEB)。本文通过总剂量辐照和单粒子效应试验模拟空间辐照环境，对 SiC MOSFET 器件的抗辐照能力进行研究。通过总剂量辐照，研究了 SiC MOSFET器件在辐照前后阈值电压与导通电阻的变化；在单粒子效应试验中，主要关注了器件的单粒子烧毁效应和单粒子栅穿效应。通过试验分析，得到了 SiC  MOSFET 器件抗辐照性能的基本指标，说明了其具有抗辐照应用的潜力，同时探讨了 SiC 器件结构与工艺的抗辐照加固技术。1 总剂量辐照试验及分析总剂量试验样品采用 SiC MOSFET 器件，TO-257-B 金属陶瓷封装如图 1 所示，测量其器件基本参数，阈值电压 Uth 为 2.2 V，漏源击穿电压UBR 为 1 200 V。总剂量辐照试验在北京师范大学60Co γ 射线源上进行辐照，辐照剂量率为10 rad(Si)/s。为了测试器件的抗辐照性能，试验中 γ 射线直接辐照器件，没有采取屏蔽措施。①在零偏器件测试中，偏置条件为 UGS=0 V，UDS=0 V，在不同的辐照总剂量下测量器件的开启电压 Uth 和开启电阻 Rdson 等电学参数；②对于栅源偏置器件，偏置条件为UGS=12 V，UDS=0 V，在不同总剂量辐照后测量器件参数；③对于漏源偏置器件，偏置条件为 UGS=0 V，UDS=160 V，在不同总剂量辐照后测量器件参数。在阈值电压 Uth 测量时，UDS=UGS，取 ID=1 mA 时为 UGSth；导通电阻测量时，取 UGS=12 V，IDS=7.6 A。从图 2 试验结果可以看出，在不加栅压的条件下，总剂量辐照引起的阈值电压漂移较小，小于 10%，导通电阻保持在 0.12~0.13 Ω，导通电阻变化小于0.01 Ω；在施加栅极电压偏置时，总剂量辐照引起的阈值电压漂移明显，辐照总剂量达到 150 krad(Si)时，阈值偏移为 0.8 V，导通电阻在 0.11~0.13 Ω。由于在栅极零偏时，辐照产生的电子空穴大量复合，只有少量空穴被 SiC/SiO2 界面附近的陷阱俘获，因此对 SiC MOSFET 器件的阈值电压和导通电阻影响较小；当栅极加正电压偏置时，辐照产生的电子向栅极漂移，空穴向 SiC/SiO2界面漂移，大量空穴被界面陷阱俘获，形成正氧化层电荷，从而引起器件阈值电压的漂移与导通电阻的变化。、、2 单粒子辐照试验及分析单粒子试验分别采用 Br、I、Au 三种离子作为单粒子辐射源，对 SCV01~SCV03、SiV01~SiV03六个样品进行单粒子辐照试验。单粒子辐照系统如图 3 所示。SCV01~SCV03 样品为 SiC MOSFET 器件，采用 TO-257-B 金属陶瓷封装，进行开帽辐照测试；SiV01~SiV03 为国内某型抗辐照 Si VDMOS 器件(漏源击穿电压 200 V)。辐照离子的参数如表 1 所示，其中离子的射程采用的是离子在硅中射程进行标定的。待测器件放置在真空辐照室中，通过远程控制系统对离子的总注量进行监测和控制，同时根据测试要求，通过测试计算机系统选择测试接头，测量 IDSS和 IGSS。测试主要步骤如下：1）在辐照前，栅极加工作电压 UGS=20 V，测量器件正常工作状态的电流。2）栅极电压 UGS=0 V，漏极加正电压，从UDS=90 V 开始偏置，进行单粒子辐照试验，当总注量计数达到 1.0×107 /cm2 时停止辐照，测量器件的IGS与 IDS，判断是否发生 SEB 或 SEGR。
3）若未发生 SEB 与 SEGR，则增加漏源电压UDS，重复以上步骤，测试栅源电流与漏源电流；如果发生 SEB 与 SEGR，则可以给出阈值。
如表 2 所示，所有样品栅极电压均为 0 V。对SCV01、SiV01 两个样品，采用 Br 源进行单粒子辐照，参数如表 1 所示，总注量为 1.0×107 /cm2，其中SCV01 在 UDS=120 V 下发生 SEGR，由于样品栅极已经发生破坏性损伤，无法进一步测试 SEB 阈值，但可以看出在测试范围内样品未发生 SEB；SiV01在UDS=120 V下发生SEB。进一步对SCV02与SiV02样品采用 I 源进行单粒子辐照，参数如表 1 所示，总注量为 1.0×107 /cm2，SCV02 样品在 UDS=110 V 下发生 SEGR；SiV02 在 UDS=90 V 下发生 SEGR。对SCV03 与 SiV03 样品，采用 Au 源进行单粒子辐照，参数如表 1 所示，总注量为 1.0×107 /cm2，SCV03样品在 UDS=100 V 下发生 SEGR；SiV03 在 UDS=90 V下发生 SEGR。
可以看出，3 个 SiC MOSFET 样品在测试中首先发生 SEGR，并且随着注入离子 LET 值的增大，击穿阈值不断减小。这主要是由于 SiC MOSFET器件的栅极接地，漏极接正电压，通过单粒子辐照，将在 SiC 漂移区产生电子空穴对，在漏极电场的作用下，电子向漏极移动，空穴在栅极 SiO2/SiC 界面处形成积累，导致栅介质中电场增大，引起栅介质烧毁，造成栅极漏电增大。通过与加固后 Si  VDMOS 器件比较，可以看出 SiC MOSFET 具有抗单粒子效应潜力。但是 SiC MOSFET 器件由于栅氧层较薄，因此对 SEGR 更为敏感，可以通过对SiC MOSFET 器件的栅氧化层结构改进，适当增加栅氧化层厚度或采用高 K 栅介质等，来提高 SiC  MOSFET 器件的 SEGR 阈值，进一步提高其抗单粒子效应能力。3 结论本文对 SiC MOSFET 器件的抗辐照性能进行了研究，进行了总剂量辐照与单粒子效应试验，为SiC MOSFET 器件在空间电力系统中的应用提供了技术参考。在总剂量辐照试验中，对 SiC MOSFET器件的阈值电压与导通电阻的漂移进行了表征，得到辐照后阈值电压的漂移小于 0.8 V，导通电阻的变化小于 0.02 Ω。单粒子效应试验中，通过采用 Br、I、Au 三种重离子对 SiC MOSFET 进行单粒子辐照测试，得到了器件的 SEGR 阈值。通过辐照试验可以看出，SiC MOSFET 器件具有一定的抗辐照能力，但若今后应用于空间元器件中，仍需要对器件栅极进行改进，对栅氧化层进行抗辐照加固，进一步提高 SiC MOSFET 抗辐照性能。（智 能 电 网  文献2016 年 11 月）碳化硅MOSFETs与SiC模块产品概览


分享电力电子信息，碳化硅器件应用技术等行业资料，一起交流学习。公众号：碳化硅MOS与SiC模块技术漫谈。文章为转载或网友发布，目的在于传递和分享信息，文章版权归原作者及原出处所有，如涉及作品内容、版权和其它问题，将根据著作权人的要求，第一时间更正或删除。