SiC器件單粒子效應(yīng)敏感性分析

于慶奎，曹 爽，張洪偉，梅 博，孫 毅，王 賀，李曉亮，呂 賀，李鵬偉，唐 民

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100029；2.國(guó)防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100029)

為了提高性能、降低重量，新一代航天器需使用高壓功率器件，如新一代長(zhǎng)壽命衛(wèi)星電推進(jìn)技術(shù)需使用工作電壓為1 200 V的高壓功率器件。美國(guó)NASA以太陽(yáng)能電源系統(tǒng)為例進(jìn)行推算，使用300 V電壓的太陽(yáng)能電池陣，相比120 V電壓方案，可降低重量2 457 kg，且越高的電壓就會(huì)節(jié)省更多的重量[1]。第3代半導(dǎo)體SiC的禁帶寬度是Si的2～3倍、臨界電場(chǎng)強(qiáng)度是Si的10倍、熱導(dǎo)率是Si的3倍、本征載流子濃度比Si低19個(gè)數(shù)量級(jí)，因而SiC器件在高溫、高壓、大功率、低功耗等方面具有硅器件不可比的巨大優(yōu)勢(shì)，成為新一代航天器用高壓功率器件的理想選擇。

來自銀河宇宙射線、太陽(yáng)宇宙射線和地球輻射帶的質(zhì)子、重離子和電子等帶電粒子，在電子器件中會(huì)引起單粒子效應(yīng)(SEE)、電離總劑量(TID)效應(yīng)和位移損傷(DD)效應(yīng)。為降低空間輻射效應(yīng)對(duì)航天器在軌長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作的危害，根據(jù)任務(wù)重要性和軌道環(huán)境嚴(yán)酷度，航天器對(duì)電子器件提出了抗輻射要求，如對(duì)于地球軌道長(zhǎng)壽命衛(wèi)星，一般要求抗單粒子燒毀(SEB)的線性能量傳輸(LET)大于75 MeV·cm2/mg。對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體材料，高能粒子入射產(chǎn)生1對(duì)電子-空穴對(duì)所需的平均能量為其禁帶寬度的3～5倍[2]，SiC具有較寬的禁帶寬度，理論上SiC器件具有優(yōu)于Si器件的抗電離輻照能力，包括抗單粒子效應(yīng)能力。近年來，針對(duì)空間應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)外對(duì)當(dāng)今世界上已有的SiC MOSFET和SiC肖特基二極管開展了大量輻射效應(yīng)研究，研究表明，SiC器件抗單粒子能力弱[3-5]，抗電離總劑量和位移損傷能力強(qiáng)[6-13]。本文給出國(guó)內(nèi)外4個(gè)生產(chǎn)廠的SiC MOSFET和SiC肖特基二極管的重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析單粒子效應(yīng)機(jī)理，討論SiC器件空間應(yīng)用需解決的相關(guān)問題。

1 SiC器件重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)

樣品包括SiC肖特基二極管(以下簡(jiǎn)稱二極管)和SiC MOSFET，均為商用器件，來自國(guó)內(nèi)3個(gè)生產(chǎn)廠(分別稱為A、B、C)和美國(guó)Cree公司。試驗(yàn)前所有樣品開帽，去除芯片表面的防護(hù)膠，以減少入射離子在到達(dá)器件敏感體前的能量損失。

重離子試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的重離子加速器(HIRFL)和中國(guó)原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器上進(jìn)行，離子垂直入射。所有試驗(yàn)均在室溫環(huán)境下進(jìn)行。

1.1 重離子引起的SiC器件單粒子燒毀

對(duì)來自3個(gè)生產(chǎn)廠的樣品進(jìn)行單粒子燒毀試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)條件測(cè)試1只樣品。輻照過程中，SiC二極管施加靜態(tài)反向偏壓VR；SiC MOSFET的柵源間短接，即VGS=0 V，施加漏源電壓VDS。SiC器件重離子單粒子燒毀試驗(yàn)條件和測(cè)試結(jié)果列于表1。

從表1可看出：1) 入射離子LET在37 MeV·cm2·mg-1發(fā)生單粒子燒毀，沒有器件抗單粒子燒毀LET大于81.4 MeV·cm2·mg-1；2) 來自3個(gè)生產(chǎn)廠的額定工作電壓1 200 V的SiC器件，在600 V偏置下均發(fā)生了單粒子燒毀，發(fā)生單粒子燒毀的電壓不高于50%的額定工作電壓；3) SiC二極管和SiC MOSFET均發(fā)生了單粒子燒毀，表明單粒子燒毀與器件類型關(guān)系不大。用顯微鏡檢查單粒子燒毀的樣品，發(fā)現(xiàn)芯片表面有熔坑。

表1 SiC器件重離子單粒子燒毀試驗(yàn)條件和測(cè)試結(jié)果Table 1 Heavy ion SEB experiment condition and test result for SiC device

1.2 重離子引起SiC器件漏電流增加

對(duì)來自2個(gè)生產(chǎn)廠的樣品進(jìn)行重離子試驗(yàn)。輻照過程中，SiC二極管施加靜態(tài)反向偏壓VR；SiC MOSFET的柵源間短接，即VGS=0 V，施加漏源電壓VDS。重離子引起SiC器件漏電流增加的測(cè)試結(jié)果列于表2。

表2 重離子引起SiC器件漏電流增加的測(cè)試結(jié)果Table 2 Test result of leakage current increase induced by heavy ion for SiC device

a——正向I-V特性；b——反向I-V特性圖1 1 200 V SiC二極管重離子輻照前后正、反向I-V特性Fig.1 Positive and reverse I-V characteristics of 1 200 V SiC diode before and after heavy ion irradiation

從表2可看出，重離子輻照下，在單粒子燒毀失效前的更低電壓下，SiC器件出現(xiàn)漏電流增加的現(xiàn)象。如A廠額定工作電壓1 200 V的SiC二極管在LET為37 MeV·cm2/mg的離子輻照下，在240～300 V下出現(xiàn)漏電流增加；漏電流隨注量的增加而增加。試驗(yàn)結(jié)果顯示SiC二極管和SiC MOSFET均出現(xiàn)漏電流增加；來自不同生產(chǎn)廠的SiC器件重離子引起的漏電流增加現(xiàn)象類似。

1 200 V SiC二極管重離子輻照前后正、反向I-V特性如圖1所示。可看出，輻照后漏電流增加的樣品正向I-V特性未發(fā)生明顯變化；PN結(jié)雪崩擊穿電壓未降低。

對(duì)重離子輻照后漏電流增加的芯片，在顯微鏡下檢查表面未發(fā)現(xiàn)異常，用紅外熱像儀檢查，芯片表面未發(fā)現(xiàn)異常熱點(diǎn)。為分析重離子引起SiC器件漏電流增加的原因，對(duì)1 200 V SiC二極管進(jìn)行重離子微束試驗(yàn)。試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所重離子微束裝置上進(jìn)行。離子為Kr，能量為2.15 GeV，在硅中LET為18.5 MeV·cm2/mg，在硅中射程為124.9 μm，離子束斑尺寸約40 μm×40 μm。離子束以每秒5～10個(gè)離子的速率、在芯片200 μm×200 μm區(qū)域內(nèi)，以30 μm步長(zhǎng)、600 ms/步的頻率進(jìn)行掃描輻照。1 200 V SiC二極管Kr離子微束輻照中漏電流隨入射離子的變化如圖2所示。

圖2 1 200 V SiC二極管Kr離子微束輻照中 漏電流隨入射離子的變化Fig.2 Leakage current of 1 200 V SiC diode irradiated by Kr microbeam as a function of incident ion

從圖2可看出，器件漏電流與入射離子數(shù)量呈線性關(guān)系：當(dāng)有離子束輻照，漏電流線性增加；停止離子束輻照，漏電流不增加。停止離子輻照后，器件漏電流未出現(xiàn)恢復(fù)現(xiàn)象。微束試驗(yàn)結(jié)果表明，器件漏電流隨入射離子數(shù)量的增加是由于多個(gè)離子分別作用的結(jié)果，SiC器件漏電流增加具有累積效應(yīng)。

總結(jié)SiC器件重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果：1) 重離子會(huì)引起SiC器件漏電流增加和單粒子燒毀；2) 漏電流增加和單粒子燒毀與入射離子LET和偏置電壓有關(guān)；3) 發(fā)生單粒子燒毀的電壓不高于50%額定電壓，在更低的電壓下發(fā)生漏電流增加；4) 重離子引起的漏電流隨入射離子注量增加，具有累積效應(yīng)。

2 單粒子效應(yīng)機(jī)理

國(guó)際上大部分研究認(rèn)為，SiC器件重離子輻照下的漏電退化和燒毀失效與熱有關(guān)[14-21]。基本觀點(diǎn)是，在電場(chǎng)作用下重離子電離產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)聚集，導(dǎo)致局部溫度過高，超過SiC熔點(diǎn)，造成晶格損傷。美國(guó)Witulski等[17]通過試驗(yàn)和TCAD仿真，得到離子入射的中心位置的溫度最大值超過3 600 K(高于SiC熔化溫度)，認(rèn)為SiC二極管漏電退化是由于離子入射導(dǎo)致局部生熱，SiC與金屬相互作用達(dá)到共融狀態(tài)；單粒子燒毀是由于局部生熱超過SiC熔點(diǎn)，晶格結(jié)構(gòu)徹底損壞的結(jié)果。

圖3 SiC肖特基二極管單粒子微燒毀剖面示意圖Fig.3 Profile diagram of SiC Schottky diode micro-SEB

分析認(rèn)為，重離子輻照下發(fā)生了單粒子微燒毀，局部肖特基結(jié)被破壞，形成漏電通路，引起反向漏電流增大。圖3為SiC肖特基二極管單粒子微燒毀剖面示意圖，虛線區(qū)域?yàn)橥茢嗟奈龤窂健iC肖特基二極管發(fā)生的單粒子微燒毀后的正、反向偏置等效電路如圖4所示。二極管D為原始設(shè)計(jì)的二極管，電阻R為漏電通路的等效電阻。當(dāng)入射離子LET和偏壓相對(duì)較低時(shí)，損傷形成的漏電通路較小，R較大，對(duì)并聯(lián)的肖特基二極管正向I-V特性未產(chǎn)生明顯影響，因?yàn)槠渥杩馆^反向二極管的小，引起反向漏電流增大。隨入射離子LET或偏壓增加，損傷形成的漏電通路增大，R的阻抗降低，漏電流增大；隨入射離子注量的增加，損傷形成的漏電通路數(shù)量增加，漏電流增加。在高LET和高偏壓下，損傷形成的漏電通路足夠大，導(dǎo)致短路發(fā)生，器件出現(xiàn)致命燒毀失效。因而，SiC二極管重離子輻照后漏電流隨入射離子LET、注量及偏壓增加而增大，在高LET、高偏壓下發(fā)生單粒子燒毀。

圖4 SiC肖特基二極管發(fā)生的單粒子微燒毀后的 正(a)、反(b)向偏置等效電路Fig.4 Positive (a) and reverse (b) bias equivalent circuits of SiC Schottky diode after micro-SEB

3 SiC高壓功率器件空間應(yīng)用需解決的問題

綜合分析國(guó)內(nèi)外對(duì)現(xiàn)有SiC器件單粒子效應(yīng)研究的進(jìn)展，認(rèn)為需進(jìn)一步開展以下研究工作。

1) 輻照損傷演化機(jī)制

對(duì)于理論上抗輻射能力強(qiáng)的SiC器件，現(xiàn)有理論難以解釋為何SiC器件實(shí)際抗單粒子能力弱，需研究導(dǎo)致在較低的電壓下發(fā)生性能退化和燒毀失效的輻照損傷的演化機(jī)制，為航天器選用及器件加固提供支撐。

2) 輻照損傷對(duì)器件可靠性的影響

為降低空間輻射效應(yīng)帶來的危害，航天器可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求器件必須工作在安全工作區(qū)內(nèi)。安全工作區(qū)是指器件在該范圍內(nèi)工作不會(huì)發(fā)生輻射引起的故障。SiC器件在低電壓下輻照就出現(xiàn)漏電流增加，目前對(duì)漏電流增加對(duì)可靠性的影響不清楚，無法準(zhǔn)確確定器件安全工作區(qū)。

3) SiC器件輻照試驗(yàn)方法

航天器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定了抗輻射設(shè)計(jì)的要求，抗輻射設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是元器件抗輻照能力數(shù)據(jù)。要準(zhǔn)確評(píng)估器件抗單粒子能力，需研究掌握SiC器件性能退化和燒毀失效隨入射離子能量/LET和角度、電壓、溫度等變化的規(guī)律，例如，SiC器件存在載流子凍析效應(yīng)。在室溫只有不足60%的雜質(zhì)離化，當(dāng)溫度達(dá)700 K時(shí)，所有雜質(zhì)才全部離化[22]。SiC器件可能工作在高溫環(huán)境，有必要在全溫度范圍內(nèi)對(duì)SiC器件單粒子效應(yīng)進(jìn)行研究。基于SiC器件輻射效應(yīng)規(guī)律特點(diǎn)，制定科學(xué)可行的輻照試驗(yàn)方法。

4) SiC器件加固技術(shù)研究

和硅器件比，SiC材料特性和加工工藝不同，器件輻射效應(yīng)也存在差異，已有的硅器件的加固技術(shù)對(duì)SiC器件不完全適用，需針對(duì)SiC特點(diǎn)，開發(fā)針對(duì)性的器件加固技術(shù)。

4 結(jié)論

新一代航天器迫切希望使用SiC高壓功率器件。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有SiC器件抗單粒子能力弱，在低于50%額定電壓下，重離子入射器件內(nèi)部導(dǎo)致永久損傷，引起器件漏電流增加，甚至單粒子燒毀，不滿足空間應(yīng)用要求，有必要開展SiC器件輻射效應(yīng)及加固技術(shù)研究。