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針對 SiC 功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)器件進行了抗輻照試驗的研究，利用實驗室環(huán)境模擬空間輻照進行了試驗，采用 60Co γ 射線源與測試系統(tǒng)開展了總劑量輻照試驗研究，對 SiC MOSFET 器件的閾值電壓與導(dǎo)通電阻的漂移進行了表征，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)機制。通過試驗獲得了 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，將會對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)的開關(guān)器件，其性能的變化將會引起系統(tǒng)的失效，因此對功率MOSFET器件的抗輻照能力提出了更高的要求[1-2]。 對于多數(shù)半導(dǎo)體材料，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[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，目前對于 SiC 輻照特性的研究主要還停留在材料的抗輻照性能，國內(nèi)對于SiC MOSFET 器件的輻照特性研究還在仿真模擬階段[3-4]，試驗研究還處于空白。 針對空間環(huán)境可采用總劑量輻照、單粒子輻照等方法來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)。 本文通過總劑量輻照和單粒子效應(yīng)試驗?zāi)M空間輻照環(huán)境，對 SiC MOSFET 器件的抗輻照能力進行研究。通過總劑量輻照，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)。通過試驗分析，得到了 SiC MOSFET 器件抗輻照性能的基本指標(biāo)，說明了其具有抗輻照應(yīng)用的潛力，同時探討了 SiC 器件結(jié)構(gòu)與工藝的抗輻照加固技術(shù)。 1 總劑量輻照試驗及分析 總劑量試驗樣品采用 SiC MOSFET 器件，TO-257-B 金屬陶瓷封裝如圖 1 所示，測量其器件基本參數(shù)，閾值電壓 Uth 為 2.2 V，漏源擊穿電壓UBR 為 1 200 V。總劑量輻照試驗在北京師范大學(xué)60Co γ 射線源上進行輻照，輻照劑量率為10 rad(Si)/s。為了測試器件的抗輻照性能，試驗中 γ 射線直接輻照器件，沒有采取屏蔽措施。①在零偏器件測試中，偏置條件為 UGS=0 V，UDS=0 V，在不同的輻照總劑量下測量器件的開啟電壓 Uth 和開啟電阻 Rdson 等電學(xué)參數(shù)；②對于柵源偏置器件，偏置條件為UGS=12 V，UDS=0 V，在不同總劑量輻照后測量器件參數(shù)；③對于漏源偏置器件，偏置條件為 UGS=0 V，UDS=160 V，在不同總劑量輻照后測量器件參數(shù)。在閾值電壓 Uth 測量時，UDS=UGS，取 ID=1 mA 時為 UGSth；導(dǎo)通電阻測量時，取 UGS=12 V，IDS=7.6 A。
從圖 2 試驗結(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，總劑量輻照引起的閾值電壓漂移明顯，輻照總劑量達到 150 krad(Si)時，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，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 SiC MOSFET 器件的閾值電壓和導(dǎo)通電阻影響較��；當(dāng)柵極加正電壓偏置時，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 單粒子輻照試驗及分析 單粒子試驗分別采用 Br、I、Au 三種離子作為單粒子輻射源，對 SCV01~SCV03、SiV01~SiV03六個樣品進行單粒子輻照試驗。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，進行開帽輻照測試；SiV01~SiV03 為國內(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行標(biāo)定的。待測器件放置在真空輻照室中，通過遠程控制系統(tǒng)對離子的總注量進行監(jiān)測和控制，同時根據(jù)測試要求，通過測試計算機系統(tǒng)選擇測試接頭，測量 IDSS和 IGSS。測試主要步驟如下：
1）在輻照前，柵極加工作電壓 UGS=20 V，測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 開始偏置，進行單粒子輻照試驗，當(dāng)總注量計數(shù)達到 1.0×107 /cm2 時停止輻照，測量器件的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SCV01、SiV01 兩個樣品，采用 Br 源進行單粒子輻照，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，無法進一步測試 SEB 閾值，但可以看出在測試范圍內(nèi)樣品未發(fā)生 SEB；SiV01在UDS=120 V下發(fā)生SEB。進一步對SCV02與SiV02樣品采用 I 源進行單粒子輻照，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SCV03 與 SiV03 樣品，采用 Au 源進行單粒子輻照，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 SiC MOSFET 樣品在測試中首先發(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，通過單粒子輻照，將在 SiC 漂移區(qū)產(chǎn)生電子空穴對，在漏極電場的作用下，電子向漏極移動，空穴在柵極 SiO2/SiC 界面處形成積累，導(dǎo)致柵介質(zhì)中電場增大，引起柵介質(zhì)燒毀，造成柵極漏電增大。通過與加固后 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 SEGR 更為敏感，可以通過對SiC MOSFET 器件的柵氧化層結(jié)構(gòu)改進，適當(dāng)增加?xùn)叛趸瘜雍穸然虿捎酶?K 柵介質(zhì)等，來提高 SiC MOSFET 器件的 SEGR 閾值，進一步提高其抗單粒子效應(yīng)能力。 3 結(jié)論 本文對 SiC MOSFET 器件的抗輻照性能進行了研究，進行了總劑量輻照與單粒子效應(yīng)試驗，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。在總劑量輻照試驗中，對 SiC MOSFET器件的閾值電壓與導(dǎo)通電阻的漂移進行了表征，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)試驗中，通過采用 Br、I、Au 三種重離子對 SiC MOSFET 進行單粒子輻照測試，得到了器件的 SEGR 閾值。通過輻照試驗可以看出，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，仍需要對器件柵極進行改進，對柵氧化層進行抗輻照加固，進一步提高 SiC MOSFET 抗輻照性能。（智 能 電 網(wǎng) 文獻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：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)和其它問題，將根據(jù)著作權(quán)人的要求，第一時間更正或刪除。 |
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SiC MOSFET、Si CoolMOS 和 IGBT 的特性詳細對比 https://mp.weixin.qq.com/s/BD5SbOJz5_yLb8o1LzZYWA  |
