SiC功率器件輻照效應(yīng)研究進(jìn)展

第第22卷第6期總總第230期2022年6月2022年6月Vol.22，No.6·特邀綜述· (1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院，哈爾濱150001;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214072)摘要：SiC功率器件是許多航天器用電子設(shè)備的重要組成部分，是保障深空探測(cè)任務(wù)順利進(jìn)行的前提和基礎(chǔ)。在梳理SiC功率器件發(fā)展概況的同時(shí)，針對(duì)不同SiC功率器件(SiCSBD、SiCJBS、SiCMOSFET)在空間輻射環(huán)境下的性能退化規(guī)律進(jìn)行了概述，重點(diǎn)分析了輻射環(huán)境下SiC功率器件的損傷機(jī)理，為SiC功率器件抗輻射技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供了參考。SiCMOSFET輻射效應(yīng)；損傷機(jī)理中文引用格式：劉超銘，王雅寧，魏軼聃，等.SiC功率器件輻照效應(yīng)研究進(jìn)展[J].電子與封裝，2022，22(6)：英文引用格式：LIUChaoming,WANGYaning,WEIYidan,etal.ProgressinthestudyofirradiationeffectsofSiCkagingunhua aKeywords:SiCpowerdevices;schottkybarrierdiode;junctionbarrierschottkydiode;MOSFET;spaceE-mail:劉超銘cmliu@第22卷第6期電子與封裝1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(chǎng)強(qiáng)和高載流子飽和速度等優(yōu)勢(shì)，因此已成為國(guó)際上普遍公認(rèn)的新一代電力電子器光伏逆變器可再生能源發(fā)電、軍工國(guó)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(guó)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(shì)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[1]。隨著航空航天事業(yè)向深空探測(cè)方向迅速發(fā)展，電子器件面臨的工作環(huán)境越來(lái)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?？臻g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，會(huì)對(duì)航天器中的半導(dǎo)體元器件造成威脅[2]。對(duì)于多數(shù)半導(dǎo)體材料而言，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材料大得多，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[4]。本文主要介紹了國(guó)內(nèi)外針對(duì)SiC基肖特基二極管 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(duì)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。2SiC器件發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)近60年的持續(xù)發(fā)展，硅基功率器件已成為當(dāng)今社會(huì)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20世紀(jì)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3.3kV及以上電壓等級(jí)場(chǎng)合，并以其較好的動(dòng)靜態(tài)性能在中壓應(yīng)用場(chǎng)合逐漸取得了優(yōu)勢(shì)地位。進(jìn)入21世紀(jì)后，大功率變流裝置對(duì)功率器件提出了更高的需求：阻斷電壓更高，基功率器件經(jīng)過(guò)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(109~1010W/S)，通過(guò)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)展的瓶頸一[5]。近二十年來(lái)，SiC單晶生長(zhǎng)技術(shù)又取得了很大突SiC寸上都有了穩(wěn)步提高，促進(jìn)了外研究和生產(chǎn)SiC單晶的研究機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)集中不斷發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)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外延從過(guò)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(jí)要求的不斷提高，SiC外延晶片的厚度也從過(guò)去的十微米量級(jí)發(fā)展到目前的百微米量級(jí)，最高達(dá)到了250μm以件成品率、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(guò)去的每平方厘米幾個(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隨著SiC外延生長(zhǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，主要發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展SiC功率器件制造技術(shù)，近來(lái)多家國(guó)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)管器件的最高電壓達(dá)到了27kV[11-13]。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和JBS；CIGBT等；SiC功率模塊分為全SiC功率模塊和混合SiC功率模塊[13]。SBD采用4H-SiC的襯底及高阻保護(hù)環(huán)終端技術(shù)，并用勢(shì)壘更高的Ni和Pt金屬改善電流密度，適用于阻斷電壓在0.6~1.5kV范圍內(nèi)的應(yīng)用；JBS兼具SBD導(dǎo)通壓降低和PIN二極管阻斷電壓高、反向電第22卷第6第22卷第6期功率開關(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[14]。目前在深空探測(cè)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)器件進(jìn)行了研究。3空間輻射效應(yīng)隨著航空航天事業(yè)向深空探測(cè)方向迅速發(fā)展，電子器件面臨的工作環(huán)境越來(lái)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(duì)于太陽(yáng)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(duì)電子元器件的正常使用有著重要的影響?？臻g輻照及核輻照環(huán)境存在著諸多輻射體材料內(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)[15-16]。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(guò)電離吸收入射粒子的能量，產(chǎn)生電子空穴對(duì)；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傷的影響更加顯著，且更易于發(fā)生[17]。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(guó)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(guò)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)在航天以及核應(yīng)用中，輻照對(duì)器件性能的影響會(huì)擴(kuò)大到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行上，美國(guó)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(guó)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)生了析表明，其主要是由于空間高能帶電粒子對(duì)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[19-20]。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)定性以及安全性[21]。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)[22]。然而，半導(dǎo)體器件的空間輻射效應(yīng)評(píng)估主要是通過(guò)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(duì)被測(cè)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[23]。因此，為在地面準(zhǔn)確評(píng)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(duì)單粒子效應(yīng)的影響，以免出現(xiàn)過(guò)于保守或過(guò)于低估的情況。4SiC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(guò)程中會(huì)通過(guò)庫(kù)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。SBD的射線輻照效應(yīng)進(jìn)行了報(bào)道，研究結(jié)果顯示，在經(jīng)過(guò)總劑量為4Mrad(Si)的射線輻照后，所采用的3種肖特基接觸的SiCSBD的直流正向和反向特性均無(wú)明顯退化現(xiàn)象，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(guò)輻照的器件相比，經(jīng)過(guò)輻照后的SiCSBD的擊穿電壓增加了約200V，并通過(guò)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[25]研究了Ni/4H-SiCSBD的40MeV高能質(zhì)子輻照效應(yīng)，輻照后，Ni/4H-SiCSBD的整流特性有輕微的下降，反向擊穿電壓也下降了50V。研究結(jié)果表明Ni/4H-SiCSBD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。SiCSBD乎沒有變化，見圖1，這意味著在這種低通量快中子輻照下，SiCSBD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300krad的60Co-γ射線對(duì)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(duì)SiCSBD電性能的影響并不第22卷第6期電第22卷第6期明顯，正向與反向I-V曲線基本不變。為進(jìn)一步評(píng)估中子位移損傷對(duì)SiCSBD造成的影響，實(shí)驗(yàn)將快中子的可以看到此時(shí)SiCSBD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(guò)計(jì)算得知高通量的快中子輻SiCSBD內(nèi)形成了高密度的缺陷[27,31]。與此同時(shí)，從圖3中還可以看到阻斷電壓顯著降低，造成SiCSBD性能的嚴(yán)重劣化。因此，中子引起的位移損傷會(huì)在SiCSBD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。13cm-2的中子輻照前后SiCSBD正向與反向I-V曲線[26]圖2300krad60Co-γ射線輻照前后SiCSBD正向與反向I-V曲線[26]cmHSiCSBD果如圖4所示，隨著電子注量的增加，器件的感應(yīng)電流IPBD1015cm-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SBD的感應(yīng)電流波動(dòng)也急劇增大。這是由于SiCSBDSiC之間的界面[29-31]內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量缺陷，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電流的減小。HEMMINGSSON等[34]利用深能級(jí)瞬態(tài)譜(DLTS)研究了電子輻照化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的4H-SiC外延層中的深能級(jí)缺陷。在100~750K溫度范圍內(nèi)對(duì)電子輻照的P-N結(jié)進(jìn)行的測(cè)量顯示，電子陷阱和空穴陷阱的熱電離能范圍為0.35~1.65eV，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分析第22卷第6第22卷第6期cmSiCSBDIV26]陷能級(jí)(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Z超過(guò)100keV時(shí)會(huì)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。OMOTOSOHSiCSBDSiCSBD子輻照后，會(huì)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。圖4感應(yīng)電流隨電子注量的實(shí)時(shí)變化曲線[28]針對(duì)SiCSBD工藝的改進(jìn)，葉毅等[39]研究了表面電場(chǎng)降低(D-Resurf)技術(shù)，可提高反向擊穿電壓，改善正向?qū)ㄌ匦?，還通過(guò)仿真對(duì)參數(shù)進(jìn)行了一系列的優(yōu)SBD為1100V時(shí)，Ni/SiC5SiC基JBS器件的輻射效應(yīng)研究極管為主的傳統(tǒng)二極管已無(wú)法滿足高頻率、大功率及低功耗的市場(chǎng)需求，前者擊穿電壓低、反向漏電大，而性較差。因此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強(qiáng)抗過(guò)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(guò)程中不僅要考慮半導(dǎo)體-金屬肖特基結(jié)的輻射效P-N結(jié)的輻照效應(yīng)。能級(jí)瞬態(tài)光譜、C-V曲線和I-V曲線測(cè)量對(duì)輻射缺陷、熱穩(wěn)定性和對(duì)二極管特性的影響進(jìn)行表征。由圖5可知，不同注量下SiCJBS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(shì)；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(shì)相符，此時(shí)在較低偏壓下器件的肖特基結(jié)勢(shì)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(duì)SiCJBS在低反向電壓下的泄漏電流不會(huì)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(jí)電荷載流子的產(chǎn)生，引入的深能級(jí)則表現(xiàn)為電荷陷阱，而非產(chǎn)生中心；引第22卷第6期電第22卷第6期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(chǎng)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(zhǎng)，并隨著中子注量的增加而增加，這種異?，F(xiàn)象是由深能級(jí)或表面態(tài)捕獲的電子的熱釋放引起的，此后測(cè)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40V)時(shí)SCR比未輻照的樣品擴(kuò)展得更快。當(dāng)SCR延伸率相等意的是，隨著中子輻照劑量的增加，肖特基結(jié)勢(shì)壘高度的增加抑制了受輻照二極管在高電壓(大于1000V)區(qū)域的反向電流；在高電壓(大于1000V)區(qū)域，泄漏是由結(jié)勢(shì)壘上的熱離子發(fā)射給出的。可以得出結(jié)論，中子輻照對(duì)工作在關(guān)閉狀態(tài)下的SiC二極管基本不會(huì)產(chǎn)生影響。圖5中子輻照前后4H-SiCJBS的正向與反向I-V特性[41]哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉超銘等[43]采用注量為5×1014cm-2和5×1015cm-2的1MeV電子對(duì)4H-SiCJBS進(jìn)行了電子輻照實(shí)驗(yàn)，研究了不同注量電子對(duì)4H-SiCJBS的I-V特性、C-V特性和缺陷的輻照效應(yīng)，其中I-V特性曲線如圖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49.8mΩ增長(zhǎng)到81.2mΩ。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[44-46]。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m注量下漏電流的降低原因可能是電子輻照對(duì)SiCJBS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-SiCJBS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)[49-50]?？傮w來(lái)說(shuō)，電子輻照強(qiáng)烈影響SiC的晶格結(jié)構(gòu)和周期勢(shì)場(chǎng)，并能在禁帶內(nèi)引入缺陷能級(jí)，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(jí)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[51]。缺陷濃度的增加也會(huì)導(dǎo)致4H-SiCJBS的I-V和C-V特性變化[52]。圖6電子輻照前后4H-SiCJBS的正向與反向I-V特性[43]第22卷第6第22卷第6期HSiCJBSPL光譜[43]6SiC基MOSFET器件的輻射效應(yīng)研究2014年，ALEXANDRU等[53]研究了質(zhì)子與電子輻4H-SiCnMOSFET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5MeV質(zhì)子電子輻照：100krad(Si)、1Mrad(Si)、2Mrad(Si)與MradSi后4H-SiCMOSFET重要電學(xué)參數(shù)表15MeV質(zhì)子輻照后4H-SiCMOSFET電學(xué)參數(shù)[53]注量/(p·cm－2)0BSIVμEFF/(cm2·V-1·s-1)IDSAT/μAgm/(μA·V-1)表215MeV電子輻照后4H-SiCMOSFET電學(xué)參數(shù)[53]吸收劑量/Mrad(Si)0123μEFF/(cm2·V-1·s-1)IDSAT/μAgm/(μA·V-1)4H-SiCMOSFET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。閾值電壓和柵漏電流變化如圖8所示，可以看出在經(jīng)過(guò)質(zhì)子輻照后，閾值電壓降低并且隨時(shí)間增長(zhǎng)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(shì)；電子輻照前后變化與質(zhì)子輻照相似；同時(shí)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，其柵漏電流仍幾乎保持不變。圖8不同輻照劑量下閾值電壓和柵漏電流變化[53]第22卷第6期電第22卷第6期國(guó)內(nèi)的梁曉雯等[54]為探究SiCMOSFET在空間輻射環(huán)境下的性能穩(wěn)定性，選取了60Co-γ射線為輻照采用1.74Gy(SiO2)/s的劑量率對(duì)36A1200VSiCMOSFET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(shì)如圖9所示，在較低的外加電場(chǎng)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(chǎng)下輻照的器件的O曲線向負(fù)方向移動(dòng)；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，當(dāng)在0V和5V偏壓VTH0V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(duì)，SiO2中電子的遷移率遠(yuǎn)高于空穴的遷移率，因此在20V的輻照偏壓條件下，強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電子向柵極快速漂空穴會(huì)被氧空位俘獲，形成正的氧化物陷阱電荷[55]。而在-5V和0V偏壓配置下，空穴的動(dòng)能很小，大部分空穴被電子復(fù)合，氧化物中無(wú)法形成正電荷。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[54]圖10輻照后SiCMOSFET轉(zhuǎn)移特性與閾值電壓變化曲線[54]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SiCMOSFET器件的單粒子燒毀效應(yīng)，哈爾濱工程大學(xué)的于成浩[56]仿真分析了功率MOSFET的單粒子燒毀效應(yīng)，圖11給出了線性能量傳輸(LET)值為0.01pC/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)漏源電壓VDS=260V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=250V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1ns左右開始下應(yīng)。定義觸發(fā)SEB所需要的最低漏源電壓為SEB閾值電壓，不同LET值下功率MOSFET的SEB閾值電壓如圖12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，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(lái)定義對(duì)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(lái)定義。第22卷第6第22卷第6期隨時(shí)間的變化曲線[56]隨LET的變化曲線[56]于慶奎等[57]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會(huì)引起SiCMOSFET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(huì)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SiCMOSFET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(duì)SiCMOSFET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1200V商用的溫度環(huán)境下對(duì)樣品進(jìn)行了60Co-γ射線輻照，輻射劑為不同溫度下SiCMOSFET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。從圖13中提取器件的閾值電壓，可得閾值電壓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(jí)向?qū)н吘塃c移動(dòng)，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[58]；而60Co-γ射線輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生了大量的電子－空穴對(duì)，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。圖13不同溫度下SiCMOSFET輻射后轉(zhuǎn)移特性曲線第22卷第6期電第22卷第6期圖14不同溫度下SiCMOSFET閾值電壓VTH與輻射劑量的關(guān)系7結(jié)論隨著半導(dǎo)體功率器件工藝與深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)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(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(guò)在SiCSBD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成器件性能的退化；針對(duì)SiCJBS器SiC晶格結(jié)構(gòu)，在禁帶內(nèi)部引入了缺陷能級(jí)，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(jí)缺陷常常充當(dāng)非輻射界面與柵氧層對(duì)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(duì)，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(cè)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(shì)，對(duì)我國(guó)未來(lái)航空航天科技的發(fā)展具有關(guān)鍵作用。[1]柏松，李士顏，費(fèi)晨曦，等.新一代SiC功率MOSFET器[2]高博，劉剛，王立新，等.功率VDMOS器件低劑量率輻[3]尚也淳，張義門，張玉明.SiC抗輻照特性的分析[J].西[4]王敬軒，吳昊，王永維，等.SiCMOSFET器件抗輻照特[5]漆宇，李彥涌，胡家喜，等.SiC功率器件應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].大功率變流技術(shù)，2016(5)：1-6.[6]盛柏賴，程文芳.碳化珪器件及其應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)[7]MüLLERM,BICKERMANNM,HOFMANND,etal.SiCbulkgrowthJMaterialsScienceForum,1998,264-[8]科信.II-VIAdvanced公司展示首款200mm碳化硅圓片mmH-SiC[10]SCOTT.中科院物理所成功研制6英寸碳化硅單晶襯底[11]申思，陳小龍.國(guó)產(chǎn)碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)的探路先鋒[J].高[12]劉春艷，張明福.蘇州維特萊恩公司高品質(zhì)6英寸電阻[13]張玉明，湯曉燕，宋慶文.碳化硅功率器件研究現(xiàn)狀[J].[14]WUJ.Designandfabricationof4H-siliconcarbiderseyTheStateUniversityofNew[15]GAOB,LIUG,WANGLX,etal.Investigationintolowhardenedelectronics[16]LAUENSTEINJM,LADBURYRL,GOLDSMANN,etinpowerMOSFETs[J].IEEETransactionsonNucleare[18]曹爽.宇航用SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管單粒子效應(yīng)研究[D].北京：中國(guó)空間技術(shù)研究院(航天五院)，2020.[19]HUGHESHL,BENEDETTOJM.RadiationeffectsandhardeningofMOStechnology:Devicesandcircuits[J].learScience第22卷第6第22卷第6期[21]王敬軒，吳昊，王永維，等.SiCMOSFET器件抗輻照特[22]向宏文.航天器空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)[C]//中國(guó)宇航學(xué)會(huì)飛行器總體專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)研討會(huì),[23]陳偉，郭曉強(qiáng)，姚志斌，等.空間輻射效應(yīng)地面模擬等J現(xiàn)代應(yīng)用物理，2017，8(2)：12.talTheeffectsofhigh-dosegammairradiationonhigh-voltage4H-SiCran[25]NIGAMS,KIMJ,RENF,etal.HighenergyprotonirradiationeffectsonSiCschottkyrectifiers[J].Applied[26]CHAODS,SHIHHY,JIANGJY,etal.Influenceofeffectivecarrierdensityin4H-SiCSBDsandMOSFETsapaneseJournalofAppliedPhysicsSBBD[28]YANGG,PANGY,YANGY,etal.High-doseelectronepitaxialSiCschottkybarrierdiodes[J].Nanomaterials,[29]AITKENJM,YOUNGDR,PANK.Electrontrappingin[30]STORASTAL,BERGMANJP,ANZ魪NE,etal.Deep 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