SiC MOSFET伽马辐照效应及静态温度特性研究*

唐常钦，王多为，龚 敏，马 瑶，杨治美

(1.四川大学物理学院微电子技术四川省重点实验室，成都610064；2.四川大学辐射物理及技术教育部重点实验室，成都610064)

1 引言

碳化硅(SiC)相比于硅(Si)具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和漂移速度和高热导率等优势[1]，因而被认为在高功率抗辐照半导体器件应用方面具有极大潜力[2-3]。同时，随着科学技术在空间和航天领域的迅猛发展，极端恶劣的强辐射环境以及环境温度使人们对电子系统提出了越来越高的要求。空间辐射环境引起的辐射效应造成电子设备性能退化[4-5]，而环境温度同样会影响电子设备系统的工作状态[6-7]。

自SiC功率MOSFET出现以来，其辐照总剂量效应引起了大量的研究关注。据报道，MOSFET性能易受γ辐照影响，经辐照后MOS器件的阈值电压发生漂移和泄露电流增大，阈值电压漂移量和泄漏电流增量均与辐照剂量正相关，阈值电压漂移量还受辐照过程中的栅极电压设置的影响，在辐照过程中对器件设置正向栅压将引起更严重的阈值电压漂移[8]。辐照剂量率同样会影响器件阈值电压、泄漏电流和器件击穿电压的退化程度[9]。高温热氧化工艺制备SiO2介质的方式将在SiC/SiO2界面处产生碳团簇，这是导致沟道迁移率降低的根本原因[10]。同时，在SiC MOS器件的栅氧化层中也会存在大量C元素，使得SiC/SiO2系统相较于Si/SiO2在氧化层SiO2中存在更多的空位型缺陷[11]。这些缺陷会将辐照产生的空穴束缚在氧化层中，使栅极氧化层正电荷增加而导致阈值电压负向漂移[12]。栅氧化层的辐照损伤是SiC MOSFET性能退化的主要原因，HU D Q等[13]关于Co-60 γ辐射源对SiC MOSFET的阈值电压影响的研究发现，栅氧化层电荷是导致阈值电压负向漂移的主要因素，界面态对阈值电压的变化几乎没有影响。

由于温度对半导体材料物理性质影响十分明显，SiC功率器件的工作状态对环境温度十分敏感。研究表明SiC MOSFET的阈值电压随温度升高而变小的主要原因是MOS结构中SiO2/SiC界面处存在的高浓度界面陷阱所致[14]。同时其静态特性具有明显的温度依赖性，阈值电压具有负温度系数，跨导具有正温度系数，而导通电阻对温度的依赖关系还受栅极电压的影响[15]。

在实际空间应用中，极端环境温度很可能会导致电子系统性能退化。随着天问一号等深空探测任务的推进，电子元器件将面临更为严峻的极端环境。火星极端低温为-123℃，月球极端低温为-180℃。电子元器件将面临着极低温和强辐照等多物理场耦合效应，深空探测环境已超过宇航元器件的工作极限。而业内目前缺乏商业SiC功率MOSFET经γ辐照后的极端温度特性研究。因此，为了将SiC功率MOSFET应用到航空航天等极端环境中，有必要明确辐照及环境温度对其静态工作特性及电学参数的影响。为此，本文基于SiC功率MOSFET器件，就不同总剂量的γ射线辐照后从50 K（-223℃）到400 K（127℃）温度范围内的工作状态进行实验研究，主要探讨了γ辐照总剂量效应以及环境温度对SiC功率MOSFET器件静态电学参数的影响，为地面模拟此类SiC功率MOSFET在空间环境中的工作情况提供参考。

2 实验

实验样品为国产商用N沟道SiC功率MOSFET器件WM1A080120K（1200 V，35.5 A），室温下阈值电压在2~4 V之间，一般为2.3 V，封装形式为TO-247-3。辐照实验中每个剂量各选取同一批次的2颗样品进行辐照，辐照源为四川省农科院Co-60 γ辐射源，剂量率为104.2 rad/s。在静态电学特性及温度特性测试方面，采用Agilent B1500半导体分析仪、高低温探针台、Cryocon 22C温控仪、液氦压缩机以及T-Station85涡轮分子泵搭建测试系统。首先，在室温下对所有样品进行辐照前的输出特性和转移特性测试，然后对样品进行γ辐照，辐照剂量分别为200 krad、1000 krad和3000 krad。在辐照过程中，衬底与源极短接并且所有样品电极浮空。辐照实验结束后，样品立即存放在液氮中，并在辐照实验结束后的72 h内以相同测试内容对被辐照样品进行室温电学特性测试。测试完毕后将所有辐照样品在室温环境下存放100天，存放期间不对器件进行其他处理。室温存放结束后对所有样品进行静态电学特性测试以观察器件的室温退火情况，并对各器件在50~400 K温度范围内进行电学特性测试，测试温度间隔为50 K，共计测试8个温度节点，并基于测试数据提取并分析了SiC功率MOSFET器件漏极饱和电流IDsat、阈值电压Vth和跨导gm。

3 实验结果与分析

3.1 室温静态特性

器件在辐照前后以及室温退火后在半对数坐标下的转移特性曲线如图1所示，在测试过程中漏极电压VDS固定为0.1 V，栅极电压VGS从-1 V扫描到5 V。取漏极电流为1 mA时的栅压为Vth，通过转移特性曲线提取器件在不同辐照总剂量下的Vth。分析发现随着辐照剂量的增加，Vth从未辐照时的2.31 V分别降至了1.24 V、0.73 V与0.24 V，同时，为了分析在辐照和退火过程中的阈值电压漂移机制，采用中带电压法[13]对SiC MOSFET的氧化物陷阱电荷进行提取，得到各辐照剂量下及室温退火后的栅氧化层陷阱电荷面密度增量ΔNot，如表1所示。

图1 SiC MOSFET经γ辐照及室温退火后的转移特性

表1 SiC MOSFET在γ辐照前后及室温退火后的电学参数

实验结果表明辐照后Vth均负向漂移，漂移量分别为1.07 V、1.58 V以及2.07 V。而在对Si功率MOS器件γ辐照效应的报道中[11]，2款Si MOSFET在经过剂量约700 Gy（等于70 krad）的γ辐照后阈值电压从2.50 V降至0.20 V和0.05 V，漂移量则达到了2.30 V和2.45 V，该值比本文中最高辐照剂量下的SiC MOSFET的阈值电压漂移量还大。这表明就γ辐照而言，SiC MOSEFT的阈值电压相较于Si功率MOS器件应具有更高的辐照稳定性。但是由于辐照剂量率有一定差异，因此需要进一步控制剂量率进行对比研究。而器件在室温下存放100天后，所有辐照剂量下的阈值电压均有所恢复。在考虑工艺制造和辐照均会产生氧化层陷阱电荷与界面态陷阱电荷的情况下，N沟道MOSFET阈值电压Vth数学模型为[16]

其中Not是氧化层陷阱电荷面密度，Nit是界面陷阱电荷面密度，COX是单位面积栅氧化层电容，εs是SiC的介电常数，NA是P型基区的有效掺杂浓度，φFp是P型衬底的费米势，φMS是金属半导体功函数差，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，ni是SiC本征载流子浓度。

Vth的负向漂移主要是由于γ辐照在栅氧化层中诱导产生大量电子-空穴对所引起的。由于电子在氧化层中的迁移率高于空穴，因此电子能够在较短时间内离开栅氧化层，而空穴在氧化层中的移动速度相对较慢，甚至会被栅氧化层中的本征缺陷俘获[12,17]，最终导致了栅氧化层陷阱电荷面密度Not增加，使得Vth降低。阈值电压的改变将严重影响MOS管的工作状态，因此，在SiC MOS器件的制造过程中需要严格把控工艺条件以降低栅氧化层缺陷浓度。而经过室温放置后，辐照后器件的阈值电压均有所恢复，这主要是由于部分被栅氧化层俘获的空穴在室温下被退火掉，从而降低了氧化层陷阱电荷量，使MOSFET器件的阈值电压回升。对被辐照器件进行高温退火与外加电场退火处理可以降低栅氧化层陷阱电荷量[13]，如果对该器件进行类似的退火处理，有望使其阈值电压继续回升，电学性能得到优化。

样品在辐照前后及室温退火后的输出特性如图2所示，图中数据对应的测试栅极偏压VGS为1 V，取VDS为3 V时的电流以获取饱和电流IDsat。SiC MOSFET的输出特性经辐照后上升，且上升程度随辐照剂量增加而增大。漏极饱和电流数学模型如下。

图2 器件在辐照前后及室温退火后的输出特性

饱和区电流：

亚阈值区电流：

其中VFb是平带电压，CD是沟道下单位面积耗尽层电容。

根据式(3)(4)并结合上述所获取的Vth可知，此时未辐照器件与经200 krad辐照后的器件均工作在亚阈值区，而较大2个剂量辐照后器件则工作在饱和区，饱和漏极电流IDsat分别为2.76×10-6A、1.25×10-3A、8.14×10-3A以及3.00×10-2A。由于阈值电压的负向漂移，导致器件的SiC/SiO2界面处的P型基区更易形成反向层，使器件在较低的VGS下便可以处于开启状态。业界有过相关γ辐照会在SiC/SiO2产生界面态，从而增强对载流子的散射，导致沟道电子有效迁移率降低的相关报道[13]。载流子迁移率的降低将会导致漏极电流的下降，但是Vth漂移对输出特性的影响占据了主导地位，这也是输出特性曲线随着辐照总剂量的增加而上升的根本原因。辐照样品的输出特性经室温放置后出现部分回落，这是由于室温退火效应使SiC MOSFET阈值电压回升所致。

跨导gm可由输出特性的线性区漏极电流拟合取得，为保证沟道导通，根据MOSFET在VGS=3.5 V时的输出特性的线性区提取跨导，结果如表1中所示，经γ辐照后，样品跨导增大，且变化趋势与辐照剂量正相关。跨导计算式为：

跨导随辐照剂量的增加而增大，虽然辐照引入界面态将增加对沟道电子的散射，使沟道电子有效迁移率μn降低，但是辐照导致的阈值电压的降低，将使式(2)中过驱动电压项(VGS-Vth)增加，跨导降低表示γ导致的辐照阈值电压漂移对跨导的影响占主导地位。

综上，通过SiC MOSFET的γ辐照及室温存放后的静态实验结果可以看出γ辐照对于此SiC MOSFET器件电学参数的巨大负面影响，已导致电学性能出现明显退化。由于电离辐射效应，γ辐照通过在栅氧化层造成净的正电荷增大使得阈值电压Vth降低，这也是引发这些电学特性退化的主要原因。阈值电压的降低使器件的静态功耗增加，甚至当器件在某个大小的栅极电压信号下本应表现为关态时，在辐照后即可开启，从而发生相关的逻辑错误、漏电增加甚至导致整个系统出现故障。大幅的阈值电压漂移表明γ辐照将严重影响该SiC MOSFET器件的工作能力，并且随着辐照剂量的增加，栅氧化层正电荷以及界面态将不断增加，从而使SiCMOSFET器件性能不断退化。可见SiC MOSFET在抗γ辐照方面，最为关键的因素是栅氧化层质量，氮气环境下的高温热退火可以使SiC/SiO2氧化层中的空位型缺陷明显减少[11]；其次是SiC/SiO2界面质量，界面态缺陷将严重影响沟道载流子迁移率[10]，因此在器件设计和制造过程中，需要重点考虑栅氧化层及SiC/SiO2界面的缺陷控制。而经室温存放后表现出的电学参数回复说明辐照后器件产生了室温退火过程，退火效应使器件性能部分回升，表明在优化被辐照器件的电学性能方面，退火处理是值得探索的方向。

3.2 静态温度特性

在测试温度范围为50~400 K的8个温度节点上，分别对辐照前后器件进行了输出特性与转移特性的相关测试，测试的结果与MOSFET的温度特性规律均是吻合的，即随着温度的升高其输出特性呈现出上升的趋势。由于曲线数量较多以及漏极电流随温度变化幅度大，为了更加清晰地识别与有效地分析，选取辐照剂量3000 krad下样品VGS为1 V时的半对数输出特性进行展示，如图3所示。

图3 器件经3000 krad的γ辐照后不同温度下的输出特性

SiC MOSFET器件在不同测试温度节点下的漏极饱和电流IDsat如图4所示，随着温度的增加，漏极饱和电流随之增加，3000 krad样品漏极饱和电流从50 K的3.29×10-3A增至400 K时的4.20×10-2A。这是由于温度上升会使式(1)中P型衬底的费米势φFp降低，从而使MOSFET阈值电压Vth降低，输出特性上升。SiC MOSFET在其他辐照剂量下的饱和漏极电流随温度呈现相同的变化趋势。

图4 器件经不同剂量的γ辐照后在不同温度下的漏极饱和电流

根据转移特性曲线提取出Vth与温度的关系如图5所示。Vth随温度的演变关系是符合相关物理规律的，由于温度上升导致SiC本征激发的增强将使式(2)中的本征载流子浓度指数增加，从而使P型衬底的费米势φFp降低，进而导致Vth亦随温度降低，辐照后的器件亦满足此变化规律。这里值得注意的是，若结合图3中选取的1 V的VGS，可以发现器件在部分低温区域工作在亚阈值区，而随温度升高则普遍工作在饱和区，这说明对于部分VGS信号，在较低温度依旧可以获得关断特性。未辐照器件在该温度范围内Vth演变范围是2.99~2.04 V，说明了若器件在该范围内工作，关断逻辑电压的上限与开启逻辑电压的下限应至少具有0.95 V的间隔，这一间隔在辐照后的器件中变化不大，分别为0.94 V、1.04 V与0.98 V，因此辐照主要引起的是Vth的平行漂移。这是因为，经γ辐照而增加的栅氧化层净正电荷是导致SiC MOSFET阈值电压偏移的主导因素，而对于阈值电压的温度漂移，主要是由于环境温度的变化将使衬底的费米势φFp以及界面电荷浓度改变，而不影响栅氧化层陷阱电荷量，所以阈值电压的温度系数与辐照几乎不相关，这也可以从式(1)看出。根据实验数据计算得到，该样品阈值电压随温度变化而漂移的平均速率均约为-2.71 mV/K，该值低于其他文献中报道的SiC功率MOSFET[16]及Si功率MOSFET[18]。这表明，本文所研究的SiC MOSFET的阈值电压具有较好的温度稳定性。另外，200 krad γ辐照所引起的Vth漂移量远大于高剂量与其的差值，这可以反映的是γ辐照对于Vth的影响虽然呈现增大趋势，但并非具有线性性，低剂量的破坏作用非常明显。业界有相关研究表明，界面陷阱电荷随着升温而降低，使库伦散射减弱，沟道电子有效迁移率增大[19]。由式(3)(4)知，饱和电流由沟道电子有效迁移率和阈值电流共同决定，阈值电压的降低和沟道电子有效迁移率增加的协同作用使漏极饱和电流增大。样品辐照前及室温退火后在不同温度下的跨导如图6所示，在低温下，跨导比室温时低，这是因为低温下沟道电子迁移率降低以及阈值电压的升高。由式(6)可知，迁移率升高和阈值电压的降低均会使MOSFET的跨导增加。

图5 SiC MOSFET器件在各温度下的阈值电压

图6 SiC MOSFET器件在各温度下的跨导gm

综上，实验中最低剂量200 krad的γ辐照即会引起Vth较大的漂移和载流子迁移率的变化，阈值电压漂移46.8%，并且SiC MOSFET的电学参数漂移量随着辐照剂量的增加而增大。实验结果表明该器件Vth具有较好的温度稳定性且γ辐照并未显著改变其随温度的变化规律，阈值电压和沟道电子有效迁移率均对gm的温度特性构成了影响，这些研究结果充分说明了SiC MOSFET器件具有较差的抗γ辐照能力，其中Vth的漂移是失效的主要原因。当其应用在富γ辐射环境中的时候，Vth可发生较大的漂移从而使其工作性能受到影响，甚至导致器件电学特性出错。Vth的温度漂移特性对于γ辐照并不敏感，因此当器件截止时对应的VGS信号范围上限较低、而开启时对应的VGS信号范围的下限较高时，可以在低温下防止其出现逻辑相关错误。但这并无法解决其作为电流源使用时，由于gm的明显变化使得电流出现大幅上升，这亦是导致一些错误与故障的可能原因。虽然SiC基于宽禁带宽度而具有较好的电离辐射损伤抗性，但对于MOS器件而言，栅氧化层损伤和SiC/SiO2界面损伤均会严重影响器件性能，因此该类器件需要针对栅氧化层和SiC/SiO2界面进行抗辐照加固及辐照后性能的优化处理，才能正常应用在富γ辐射及高低温环境中。

4 结论

本文研究了一款国产商用1200 V SiC功率MOSFET的γ辐照总剂量效应、辐照后室温退火效应以及高低温下的静态工作特性。实验结果显示，器件性能及电学参数经辐照后发生明显退化，其中阈值电压的降低主要与辐照引入的栅氧化层陷阱电荷有关，同时辐照产生的界面态电荷将增强对沟道电子的库伦散射，导致沟道电子有效迁移率降低。对应输出特性的上升表明辐照导致的阈值电压漂移在输出特性的辐照效应中占主要影响。样品经室温存放100天后，由于部分栅氧化层中被俘获的空穴被退火掉，使器件电学参数有所恢复。变温实验表明，辐照前样品的阈值电压随着温度的增加呈线性下降趋势，约-2.71 mV/K的漂移速率说明其阈值电压具有较好的温度稳定性。而经γ辐照后，虽然阈值电压整体降低，但随温度的变化率不变，表明该SiC MOSFET阈值电压的温度特性不受γ辐照影响。但器件性能易受辐照影响的情况仍然存在，随γ辐照总剂量增加和环境温度变化导致的阈值电压漂移甚至会使SiC功率MOSFET器件的静态工作状态发生变化。在将SiC MOSFET应用到空间环境时，需要重点关注其辐照效应及温度特性，栅氧化层缺陷和SiC/SiO2界面态缺陷是辐照及温度影响器件性能的两个关键因素，在器件制造过程中需严格把控工艺条件以降低这两类缺陷，从而提高器件电学性能的抗辐照能力及温度稳定性。另外，无论是在器件制造还是辐照后处理中，退火都是一种优化MOS器件物理结构和电学性能的有效方式。因此接下来有必要开展该类SiC MOSFET器件辐照后的退火研究并探索有效的退火方案。