SiC MOSFET伽馬輻照效應及靜態溫度特性研究*

唐常欽，王多為，龔 敏，馬 瑤，楊治美

(1.四川大學物理學院微電子技術四川省重點實驗室，成都610064；2.四川大學輻射物理及技術教育部重點實驗室，成都610064)

1 引言

碳化硅(SiC)相比于硅(Si)具有大禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和漂移速度和高熱導率等優勢[1]，因而被認為在高功率抗輻照半導體器件應用方面具有極大潛力[2-3]。同時，隨著科學技術在空間和航天領域的迅猛發展，極端惡劣的強輻射環境以及環境溫度使人們對電子系統提出了越來越高的要求。空間輻射環境引起的輻射效應造成電子設備性能退化[4-5]，而環境溫度同樣會影響電子設備系統的工作狀態[6-7]。

自SiC功率MOSFET出現以來，其輻照總劑量效應引起了大量的研究關注。據報道，MOSFET性能易受γ輻照影響，經輻照后MOS器件的閾值電壓發生漂移和泄露電流增大，閾值電壓漂移量和泄漏電流增量均與輻照劑量正相關，閾值電壓漂移量還受輻照過程中的柵極電壓設置的影響，在輻照過程中對器件設置正向柵壓將引起更嚴重的閾值電壓漂移[8]。輻照劑量率同樣會影響器件閾值電壓、泄漏電流和器件擊穿電壓的退化程度[9]。高溫熱氧化工藝制備SiO2介質的方式將在SiC/SiO2界面處產生碳團簇，這是導致溝道遷移率降低的根本原因[10]。同時，在SiC MOS器件的柵氧化層中也會存在大量C元素，使得SiC/SiO2系統相較于Si/SiO2在氧化層SiO2中存在更多的空位型缺陷[11]。這些缺陷會將輻照產生的空穴束縛在氧化層中，使柵極氧化層正電荷增加而導致閾值電壓負向漂移[12]。柵氧化層的輻照損傷是SiC MOSFET性能退化的主要原因，HU D Q等[13]關于Co-60 γ輻射源對SiC MOSFET的閾值電壓影響的研究發現，柵氧化層電荷是導致閾值電壓負向漂移的主要因素，界面態對閾值電壓的變化幾乎沒有影響。

由于溫度對半導體材料物理性質影響十分明顯，SiC功率器件的工作狀態對環境溫度十分敏感。研究表明SiC MOSFET的閾值電壓隨溫度升高而變小的主要原因是MOS結構中SiO2/SiC界面處存在的高濃度界面陷阱所致[14]。同時其靜態特性具有明顯的溫度依賴性，閾值電壓具有負溫度系數，跨導具有正溫度系數，而導通電阻對溫度的依賴關系還受柵極電壓的影響[15]。

在實際空間應用中，極端環境溫度很可能會導致電子系統性能退化。隨著天問一號等深空探測任務的推進，電子元器件將面臨更為嚴峻的極端環境。火星極端低溫為-123℃，月球極端低溫為-180℃。電子元器件將面臨著極低溫和強輻照等多物理場耦合效應，深空探測環境已超過宇航元器件的工作極限。而業內目前缺乏商業SiC功率MOSFET經γ輻照后的極端溫度特性研究。因此，為了將SiC功率MOSFET應用到航空航天等極端環境中，有必要明確輻照及環境溫度對其靜態工作特性及電學參數的影響。為此，本文基于SiC功率MOSFET器件，就不同總劑量的γ射線輻照后從50 K（-223℃）到400 K（127℃）溫度范圍內的工作狀態進行實驗研究，主要探討了γ輻照總劑量效應以及環境溫度對SiC功率MOSFET器件靜態電學參數的影響，為地面模擬此類SiC功率MOSFET在空間環境中的工作情況提供參考。

2 實驗

實驗樣品為國產商用N溝道SiC功率MOSFET器件WM1A080120K（1200 V，35.5 A），室溫下閾值電壓在2~4 V之間，一般為2.3 V，封裝形式為TO-247-3。輻照實驗中每個劑量各選取同一批次的2顆樣品進行輻照，輻照源為四川省農科院Co-60 γ輻射源，劑量率為104.2 rad/s。在靜態電學特性及溫度特性測試方面，采用Agilent B1500半導體分析儀、高低溫探針臺、Cryocon 22C溫控儀、液氦壓縮機以及T-Station85渦輪分子泵搭建測試系統。首先，在室溫下對所有樣品進行輻照前的輸出特性和轉移特性測試，然后對樣品進行γ輻照，輻照劑量分別為200 krad、1000 krad和3000 krad。在輻照過程中，襯底與源極短接并且所有樣品電極浮空。輻照實驗結束后，樣品立即存放在液氮中，并在輻照實驗結束后的72 h內以相同測試內容對被輻照樣品進行室溫電學特性測試。測試完畢后將所有輻照樣品在室溫環境下存放100天，存放期間不對器件進行其他處理。室溫存放結束后對所有樣品進行靜態電學特性測試以觀察器件的室溫退火情況，并對各器件在50~400 K溫度范圍內進行電學特性測試，測試溫度間隔為50 K，共計測試8個溫度節點，并基于測試數據提取并分析了SiC功率MOSFET器件漏極飽和電流IDsat、閾值電壓Vth和跨導gm。

3 實驗結果與分析

3.1 室溫靜態特性

器件在輻照前后以及室溫退火后在半對數坐標下的轉移特性曲線如圖1所示，在測試過程中漏極電壓VDS固定為0.1 V，柵極電壓VGS從-1 V掃描到5 V。取漏極電流為1 mA時的柵壓為Vth，通過轉移特性曲線提取器件在不同輻照總劑量下的Vth。分析發現隨著輻照劑量的增加，Vth從未輻照時的2.31 V分別降至了1.24 V、0.73 V與0.24 V，同時，為了分析在輻照和退火過程中的閾值電壓漂移機制，采用中帶電壓法[13]對SiC MOSFET的氧化物陷阱電荷進行提取，得到各輻照劑量下及室溫退火后的柵氧化層陷阱電荷面密度增量ΔNot，如表1所示。

圖1 SiC MOSFET經γ輻照及室溫退火后的轉移特性

表1 SiC MOSFET在γ輻照前后及室溫退火后的電學參數

實驗結果表明輻照后Vth均負向漂移，漂移量分別為1.07 V、1.58 V以及2.07 V。而在對Si功率MOS器件γ輻照效應的報道中[11]，2款Si MOSFET在經過劑量約700 Gy（等于70 krad）的γ輻照后閾值電壓從2.50 V降至0.20 V和0.05 V，漂移量則達到了2.30 V和2.45 V，該值比本文中最高輻照劑量下的SiC MOSFET的閾值電壓漂移量還大。這表明就γ輻照而言，SiC MOSEFT的閾值電壓相較于Si功率MOS器件應具有更高的輻照穩定性。但是由于輻照劑量率有一定差異，因此需要進一步控制劑量率進行對比研究。而器件在室溫下存放100天后，所有輻照劑量下的閾值電壓均有所恢復。在考慮工藝制造和輻照均會產生氧化層陷阱電荷與界面態陷阱電荷的情況下，N溝道MOSFET閾值電壓Vth數學模型為[16]

其中Not是氧化層陷阱電荷面密度，Nit是界面陷阱電荷面密度，COX是單位面積柵氧化層電容，εs是SiC的介電常數，NA是P型基區的有效摻雜濃度，φFp是P型襯底的費米勢，φMS是金屬半導體功函數差，k是玻爾茲曼常數，T是絕對溫度，ni是SiC本征載流子濃度。

Vth的負向漂移主要是由于γ輻照在柵氧化層中誘導產生大量電子-空穴對所引起的。由于電子在氧化層中的遷移率高于空穴，因此電子能夠在較短時間內離開柵氧化層，而空穴在氧化層中的移動速度相對較慢，甚至會被柵氧化層中的本征缺陷俘獲[12,17]，最終導致了柵氧化層陷阱電荷面密度Not增加，使得Vth降低。閾值電壓的改變將嚴重影響MOS管的工作狀態，因此，在SiC MOS器件的制造過程中需要嚴格把控工藝條件以降低柵氧化層缺陷濃度。而經過室溫放置后，輻照后器件的閾值電壓均有所恢復，這主要是由于部分被柵氧化層俘獲的空穴在室溫下被退火掉，從而降低了氧化層陷阱電荷量，使MOSFET器件的閾值電壓回升。對被輻照器件進行高溫退火與外加電場退火處理可以降低柵氧化層陷阱電荷量[13]，如果對該器件進行類似的退火處理，有望使其閾值電壓繼續回升，電學性能得到優化。

樣品在輻照前后及室溫退火后的輸出特性如圖2所示，圖中數據對應的測試柵極偏壓VGS為1 V，取VDS為3 V時的電流以獲取飽和電流IDsat。SiC MOSFET的輸出特性經輻照后上升，且上升程度隨輻照劑量增加而增大。漏極飽和電流數學模型如下。

圖2 器件在輻照前后及室溫退火后的輸出特性

飽和區電流：

亞閾值區電流：

其中VFb是平帶電壓，CD是溝道下單位面積耗盡層電容。

根據式(3)(4)并結合上述所獲取的Vth可知，此時未輻照器件與經200 krad輻照后的器件均工作在亞閾值區，而較大2個劑量輻照后器件則工作在飽和區，飽和漏極電流IDsat分別為2.76×10-6A、1.25×10-3A、8.14×10-3A以及3.00×10-2A。由于閾值電壓的負向漂移，導致器件的SiC/SiO2界面處的P型基區更易形成反向層，使器件在較低的VGS下便可以處于開啟狀態。業界有過相關γ輻照會在SiC/SiO2產生界面態，從而增強對載流子的散射，導致溝道電子有效遷移率降低的相關報道[13]。載流子遷移率的降低將會導致漏極電流的下降，但是Vth漂移對輸出特性的影響占據了主導地位，這也是輸出特性曲線隨著輻照總劑量的增加而上升的根本原因。輻照樣品的輸出特性經室溫放置后出現部分回落，這是由于室溫退火效應使SiC MOSFET閾值電壓回升所致。

跨導gm可由輸出特性的線性區漏極電流擬合取得，為保證溝道導通，根據MOSFET在VGS=3.5 V時的輸出特性的線性區提取跨導，結果如表1中所示，經γ輻照后，樣品跨導增大，且變化趨勢與輻照劑量正相關。跨導計算式為：

跨導隨輻照劑量的增加而增大，雖然輻照引入界面態將增加對溝道電子的散射，使溝道電子有效遷移率μn降低，但是輻照導致的閾值電壓的降低，將使式(2)中過驅動電壓項(VGS-Vth)增加，跨導降低表示γ導致的輻照閾值電壓漂移對跨導的影響占主導地位。

綜上，通過SiC MOSFET的γ輻照及室溫存放后的靜態實驗結果可以看出γ輻照對于此SiC MOSFET器件電學參數的巨大負面影響，已導致電學性能出現明顯退化。由于電離輻射效應，γ輻照通過在柵氧化層造成凈的正電荷增大使得閾值電壓Vth降低，這也是引發這些電學特性退化的主要原因。閾值電壓的降低使器件的靜態功耗增加，甚至當器件在某個大小的柵極電壓信號下本應表現為關態時，在輻照后即可開啟，從而發生相關的邏輯錯誤、漏電增加甚至導致整個系統出現故障。大幅的閾值電壓漂移表明γ輻照將嚴重影響該SiC MOSFET器件的工作能力，并且隨著輻照劑量的增加，柵氧化層正電荷以及界面態將不斷增加，從而使SiCMOSFET器件性能不斷退化。可見SiC MOSFET在抗γ輻照方面，最為關鍵的因素是柵氧化層質量，氮氣環境下的高溫熱退火可以使SiC/SiO2氧化層中的空位型缺陷明顯減少[11]；其次是SiC/SiO2界面質量，界面態缺陷將嚴重影響溝道載流子遷移率[10]，因此在器件設計和制造過程中，需要重點考慮柵氧化層及SiC/SiO2界面的缺陷控制。而經室溫存放后表現出的電學參數回復說明輻照后器件產生了室溫退火過程，退火效應使器件性能部分回升，表明在優化被輻照器件的電學性能方面，退火處理是值得探索的方向。

3.2 靜態溫度特性

在測試溫度范圍為50~400 K的8個溫度節點上，分別對輻照前后器件進行了輸出特性與轉移特性的相關測試，測試的結果與MOSFET的溫度特性規律均是吻合的，即隨著溫度的升高其輸出特性呈現出上升的趨勢。由于曲線數量較多以及漏極電流隨溫度變化幅度大，為了更加清晰地識別與有效地分析，選取輻照劑量3000 krad下樣品VGS為1 V時的半對數輸出特性進行展示，如圖3所示。

圖3 器件經3000 krad的γ輻照后不同溫度下的輸出特性

SiC MOSFET器件在不同測試溫度節點下的漏極飽和電流IDsat如圖4所示，隨著溫度的增加，漏極飽和電流隨之增加，3000 krad樣品漏極飽和電流從50 K的3.29×10-3A增至400 K時的4.20×10-2A。這是由于溫度上升會使式(1)中P型襯底的費米勢φFp降低，從而使MOSFET閾值電壓Vth降低，輸出特性上升。SiC MOSFET在其他輻照劑量下的飽和漏極電流隨溫度呈現相同的變化趨勢。

圖4 器件經不同劑量的γ輻照后在不同溫度下的漏極飽和電流

根據轉移特性曲線提取出Vth與溫度的關系如圖5所示。Vth隨溫度的演變關系是符合相關物理規律的，由于溫度上升導致SiC本征激發的增強將使式(2)中的本征載流子濃度指數增加，從而使P型襯底的費米勢φFp降低，進而導致Vth亦隨溫度降低，輻照后的器件亦滿足此變化規律。這里值得注意的是，若結合圖3中選取的1 V的VGS，可以發現器件在部分低溫區域工作在亞閾值區，而隨溫度升高則普遍工作在飽和區，這說明對于部分VGS信號，在較低溫度依舊可以獲得關斷特性。未輻照器件在該溫度范圍內Vth演變范圍是2.99~2.04 V，說明了若器件在該范圍內工作，關斷邏輯電壓的上限與開啟邏輯電壓的下限應至少具有0.95 V的間隔，這一間隔在輻照后的器件中變化不大，分別為0.94 V、1.04 V與0.98 V，因此輻照主要引起的是Vth的平行漂移。這是因為，經γ輻照而增加的柵氧化層凈正電荷是導致SiC MOSFET閾值電壓偏移的主導因素，而對于閾值電壓的溫度漂移，主要是由于環境溫度的變化將使襯底的費米勢φFp以及界面電荷濃度改變，而不影響柵氧化層陷阱電荷量，所以閾值電壓的溫度系數與輻照幾乎不相關，這也可以從式(1)看出。根據實驗數據計算得到，該樣品閾值電壓隨溫度變化而漂移的平均速率均約為-2.71 mV/K，該值低于其他文獻中報道的SiC功率MOSFET[16]及Si功率MOSFET[18]。這表明，本文所研究的SiC MOSFET的閾值電壓具有較好的溫度穩定性。另外，200 krad γ輻照所引起的Vth漂移量遠大于高劑量與其的差值，這可以反映的是γ輻照對于Vth的影響雖然呈現增大趨勢，但并非具有線性性，低劑量的破壞作用非常明顯。業界有相關研究表明，界面陷阱電荷隨著升溫而降低，使庫倫散射減弱，溝道電子有效遷移率增大[19]。由式(3)(4)知，飽和電流由溝道電子有效遷移率和閾值電流共同決定，閾值電壓的降低和溝道電子有效遷移率增加的協同作用使漏極飽和電流增大。樣品輻照前及室溫退火后在不同溫度下的跨導如圖6所示，在低溫下，跨導比室溫時低，這是因為低溫下溝道電子遷移率降低以及閾值電壓的升高。由式(6)可知，遷移率升高和閾值電壓的降低均會使MOSFET的跨導增加。

圖5 SiC MOSFET器件在各溫度下的閾值電壓

圖6 SiC MOSFET器件在各溫度下的跨導gm

綜上，實驗中最低劑量200 krad的γ輻照即會引起Vth較大的漂移和載流子遷移率的變化，閾值電壓漂移46.8%，并且SiC MOSFET的電學參數漂移量隨著輻照劑量的增加而增大。實驗結果表明該器件Vth具有較好的溫度穩定性且γ輻照并未顯著改變其隨溫度的變化規律，閾值電壓和溝道電子有效遷移率均對gm的溫度特性構成了影響，這些研究結果充分說明了SiC MOSFET器件具有較差的抗γ輻照能力，其中Vth的漂移是失效的主要原因。當其應用在富γ輻射環境中的時候，Vth可發生較大的漂移從而使其工作性能受到影響，甚至導致器件電學特性出錯。Vth的溫度漂移特性對于γ輻照并不敏感，因此當器件截止時對應的VGS信號范圍上限較低、而開啟時對應的VGS信號范圍的下限較高時，可以在低溫下防止其出現邏輯相關錯誤。但這并無法解決其作為電流源使用時，由于gm的明顯變化使得電流出現大幅上升，這亦是導致一些錯誤與故障的可能原因。雖然SiC基于寬禁帶寬度而具有較好的電離輻射損傷抗性，但對于MOS器件而言，柵氧化層損傷和SiC/SiO2界面損傷均會嚴重影響器件性能，因此該類器件需要針對柵氧化層和SiC/SiO2界面進行抗輻照加固及輻照后性能的優化處理，才能正常應用在富γ輻射及高低溫環境中。

4 結論

本文研究了一款國產商用1200 V SiC功率MOSFET的γ輻照總劑量效應、輻照后室溫退火效應以及高低溫下的靜態工作特性。實驗結果顯示，器件性能及電學參數經輻照后發生明顯退化，其中閾值電壓的降低主要與輻照引入的柵氧化層陷阱電荷有關，同時輻照產生的界面態電荷將增強對溝道電子的庫倫散射，導致溝道電子有效遷移率降低。對應輸出特性的上升表明輻照導致的閾值電壓漂移在輸出特性的輻照效應中占主要影響。樣品經室溫存放100天后，由于部分柵氧化層中被俘獲的空穴被退火掉，使器件電學參數有所恢復。變溫實驗表明，輻照前樣品的閾值電壓隨著溫度的增加呈線性下降趨勢，約-2.71 mV/K的漂移速率說明其閾值電壓具有較好的溫度穩定性。而經γ輻照后，雖然閾值電壓整體降低，但隨溫度的變化率不變，表明該SiC MOSFET閾值電壓的溫度特性不受γ輻照影響。但器件性能易受輻照影響的情況仍然存在，隨γ輻照總劑量增加和環境溫度變化導致的閾值電壓漂移甚至會使SiC功率MOSFET器件的靜態工作狀態發生變化。在將SiC MOSFET應用到空間環境時，需要重點關注其輻照效應及溫度特性，柵氧化層缺陷和SiC/SiO2界面態缺陷是輻照及溫度影響器件性能的兩個關鍵因素，在器件制造過程中需嚴格把控工藝條件以降低這兩類缺陷，從而提高器件電學性能的抗輻照能力及溫度穩定性。另外，無論是在器件制造還是輻照后處理中，退火都是一種優化MOS器件物理結構和電學性能的有效方式。因此接下來有必要開展該類SiC MOSFET器件輻照后的退火研究并探索有效的退火方案。