电子辐照对SiC功率MOSFET器件动态特性的影响机理

付祥和,赵小龙,彭文博,郭书文,蔡亚辉,贺永宁

(1.西安交通大学电子与信息学部,710049,西安;2.西安市微纳电子与系统集成重点实验室,710049,西安)

功率半导体器件作为电能控制和电能转换系统的重要器件,其可靠性对于整个系统的安全运行是十分重要的。在加速老化的应力下可以加快器件的老化和失效过程,测试器件在老化过程中电学特性变化进而分析器件失效机理以及对其寿命进行预测[1-3]。用于航天和核工业领域的电力变换电路,需要在高能粒子辐照环境下进行大功率运行,这对功率器件和功率转换电路提出了新的可靠性和要求[1,4]。为了建立可靠的高功率密度和高效率转换电路,电力电子器件需要在辐照环境中具有安全可靠的开关性能。相对于硅材料,第三代半导体碳化硅材料具有更优越的性能[5]。碳化硅材料禁带宽度是硅材料3倍,临界击穿电场强度是硅材料10倍,热导率是硅材料3倍,并且具有更高抗辐照能力[6],其在航天、核工业等领域应用,使得辐照对碳化硅功率半导体器件性能影响问题越来越被重视。相对于硅基器件,基于宽禁带半导体电器元件和集成电路性能更加稳定,能适应更加恶劣的环境。

高压碳化硅MOSFET器件出现在商用市场之后,已经报道了电子辐照[7-9]、质子辐照[10-11]、中子辐照[12-13]、伽马射线辐照[14-17]以及单粒子效应[18-19]对碳化硅功率MOSFET器件特性影响。文献[7]研究了4.5 MeV电子辐照对1700 V SiC MOSFET器件静态特性的影响,结果表明在低剂量时,随辐照剂量增加,器件阈值电压迅速降低,并在辐照剂量达到1 kGy时,器件阈值电压小于规格书中的阈值电压最小值,并且导通电阻随着辐照剂量的增加而增大。文献[10]研究了15 MeV质子辐照对4H-SiC MOSFET器件静态特性的影响。随着质子辐照剂量的增大,在漂移区产生缺陷导致器件漂移区电阻增加,器件的关态漏电流也随着辐照剂量的增加而增大,栅极和漏极电容在辐照通量达到Φ=1014cm-2时增大了30倍。文献[14]研究了伽马射线辐照对SiC MOSFET器件的影响,随着辐照剂量的增加,器件的阈值电压减小,关态漏电流增大。上述文献对器件辐照后的静态特性变化进行了全面的研究,但是没有对器件开关特性受辐照影响的研究。电子辐照对SiC MOSFET器件主要影响是在栅氧层中引入了正固定电荷[7],由于栅氧层对于辐照很敏感,因此在功率半导体器件中MOSFET对于辐照耐受能力低,暴露在辐照环境中时,容易发生参数特性变化甚至失效。

对于辐照对碳化硅MOSFET器件特性影响,现有文献中研究工主要集中在辐照后碳化硅器件静态特性上。然而,碳化硅MOSFET器件在电力电子系统中长时间工作于开关状态,碳化硅器件动态特性是电力变换系统设计的关键,对整个系统运行可靠性有着至关重要的影响,本文研究重点在于电子辐照对器件动态特性的影响。在近地表面,地磁场捕获的电子和质子围绕地球运动形成了地球的两个辐射带,内辐射带主要由质子和电子组成,外辐射带主要由高能电子组成(电子能量范围约5～7 MeV),并且受到太阳活动的影响,辐射带中电子能量和通量也会发生剧烈变化。研究SiC MOSFET器件在电子辐照下的特性变化以及可靠性问题对于其在空间辐照环境中的应用是十分重要的。结合我们目前的实验条件,此次电子辐照实验选取的电子能量为10 MeV,与地球辐射带中电子能量在同一数量级。本文研究了电子辐照对碳化硅功率MOSFET动态特性的影响,并对其机理进行了分析。

1 实 验

本实验选用CREE公司商用SiC功率MOSFET器件C2M0080120D:额定阻断电压VDS=1 200 V,导通电阻RDS(ON)=80 mΩ,额定电流ID=36 A。该器件为平面栅结构,器件结构示意图如图1所示。此次电子辐照使用的电子加速器型号为Rhodotron TT200(江苏达胜加速器制造有限公司),电子束能量10 MeV,加速器最大束流10 mA,最大功率100 kW。辐照时,使用的束流为9 mA,剂量率为15 kGy/s。10 MeV电子束单面标准(水)穿透深度为3.6 cm[20],在碳化硅中的穿透深度为1.125 cm(碳化硅密度为3.2 g/cm-3),器件中碳化硅芯片厚度约为300 μm,因此10 MeV电子能够完全穿透整个芯片,电子的部分能量沉积在芯片中。实验对器件进行总剂量为200 kGy的辐照,为了减小辐照过程中产生过多热量对器件特性产生影响,整个辐照过程分为4次进行,每次辐照剂量为50 kGy。在辐照过程中,器件的3个引脚未施加偏置电压,处于悬空状态。此次进行了1个样品的辐照,实验中测试对比的两个器件未辐照器件(器件A)和辐照之后的器件(器件B)为两个器件,为了避免器件之间的个体差异对实验结果的影响,所选用的两个器件为同一批次的器件(批次号:WA4720017)。图2给出了5个同批次器件均一性测试结果(亚阈值特性曲线和CGS-VGS曲线),可以看出这5个器件之间差异是很小的,因此文中器件A和器件B之间特性差异主要是电子辐照产生的。

为了能够快速准确表征功率MOSFET器件的开关性能,设计并搭建了一个双脉冲测试系统,其等效电路如图3所示。任意波形函数发生器产生两个方波脉冲施加到栅极驱动电路上,控制器件开通和关断。通过调节第一个脉冲时长,可以得到不同电流下器件关断瞬态和开通瞬态特性。双脉冲测试电路中待测器件位置在蓝色虚线框内,如图3所示。负载电感使用铜线绕制的单层空心线圈电感(电感大小为334 μH),具有低寄生电容并且没有磁饱和限制。续流二极管采用碳化硅肖特基二极管,其导通压降小,损耗低,可以减小电感续流期间能量损失。为了保证器件在开关瞬态器件漏极电压稳定,在直流电源上并联51.7 μF电容为器件开关瞬态提供电能。在测试过程中,使用示波器电压探头对器件栅极电压和漏极电压进行采样;漏极电流通过同轴分流器转换为电压信号传输到示波器中。

在完成动态测试以后,使用安捷伦B1505A功率半导体器件测试仪、安捷伦B2902A和安捷伦E4980AL对器件静态特性进行了测试,主要测试内容为亚阈值特性曲线测试、CGS-VGS曲线测试和输入电容Ciss-VDS曲线测试。结合动态测试结果,对器件受到辐照之后性能变化机理进行了分析。

2 结果与分析

2.1 辐照对器件动态特性的影响

器件动态测试结果如图4所示,其中器件A为未辐照器件,器件B为辐照之后的器件。在开关测试中,直流电源电压为800 V,负载电流15 A。为了能够更明显观察到辐照对器件特性的影响,测试中外接了一个200 Ω栅极电阻,减慢器件开启和关断过程。在开启瞬态,当栅极电压从0升高到阈值电压时,漏极电流开始增加,该段时间为开启延迟时间[21]

(1)

在关断瞬态,当栅极电压从开启电压减小至米勒平台电压时,漏极电压开始增加,该段时间称为关断延迟时间[21]

(2)

式中:RG为栅极输入电阻;CGS为栅源电极电容;CGD(VDS)为器启前栅漏电极电容;CGD(VON)为关断前栅漏电极电容;VTH为阈值电压;VGP为米勒平台电压;VGS(on)和VGS(off)分别为施加在栅极上的开启和关断驱动电压。

两个器件开关过程中主要参数如表1和表2所示,在开启瞬态,器件B相对于器件A开启延迟时间减少11.6 ns,电流变化速率增加0.01 A/ns,电压变化速率增加0.78 V/ns;在关断瞬态器件B相对于器件A关断延迟时间增加了48.4 ns,电流变化速率减小0.04 A/ns,电压变化速率减小0.03 V/ns。两个器件在开关瞬态损耗功率波形和能量损耗分别如图5和表3所示,由于开关延迟时间不同,导致两个器件开关瞬态功率损耗波形峰值位置有所偏移。器件B相对于器件A,开启损耗能量减少了0.18 μJ,关断损耗能量增加了0.11 μJ。

表1 开启瞬态特性参数

表2 关断瞬态特性参数

表3 开关瞬态能量损耗

2.2 电子辐照对器件动态特性影响机理分析

由式(1)和(2)可知,对器件开关延迟时间有影响的主要因素有栅极输入电阻,输入电容(Ciss=CGS+CGD)、阈值电压和米勒平台电压。可以通过器件静态特性参数变化来分析器件动态特性发生变化的机理。

分别测试上述两个器件的亚阈值特性曲线如图6所示,器件B相对于器件A亚阈值特性曲线明显左移,两器件阈值电压分别为Vth,A=2.75 V,Vth,B=1.25 V(@VDS=5 V,IDS=1 mA)。器件B相对于器件A,亚阈值特性曲线(图6)与C-V滞回曲线(图7)明显左移,图6和图7中分别给出了亚阈值特性曲线和C-V滞回曲线平移后的对比,两个曲线均未发生畸变,说明氧化层内固定电荷发生了变化,但界面态并没有发生变化[22]。Wei等[23]提出分段C-V法,可以根据CGS-VGS曲线的漂移提取栅氧界面损伤位置信息,图7结果显示CGS-VGS曲线整体平移,说明栅氧层内固定电荷变化量是均匀的,电子辐照对器件栅氧层损伤是没有选择性的均匀损伤。阈值电压表达式如下所示

(3)

(4)

辐照效应分为电离效应和位移效应,电离效应可以在器件中电离产生电子空穴对,器件中的中性陷阱捕获位电子或空穴而带电,位移效应产生缺陷捕获自由载流子会使载流子浓度下降[24]。通过C-V法可以提取沟道载流子浓度[25],栅电容C和栅压VGS之间的关系可以表示如下

(5)

式中:Cox为氧化层电容;NA为离化受主浓度(载子浓度);εs=10.2为4H-SiC相对介电常数;ε0为真空介电常数;q为电子电量。通过沟道表面耗尽时(Cox/C)2与栅压的线性关系斜率可以提取沟道载流子浓度的值。(Cox/C)2与栅压关系图如图8所示,提取得到器件A和器件B的载流子浓度分别为5.720 8×1017cm-3和5.754 6×1017cm-3,差值为3.38×1015cm-3,因此位移效应不是主要起作用的效应。主要是电离效应起作用,氧化层陷阱捕获空穴,使得氧化层的固定电荷增多。

图9为辐照前后沟道区能带结构示意图。辐照前,在0栅偏电压下,P型SiC中能带图如图9(a)所示;辐照之后,栅氧层中固定正电荷增多,在0栅偏电压下SiC表面能带下弯变大,氧化层/SiC界面处价带边缘相对于辐照前更接近于费米能级,器件阈值电压降低[26]。因此,辐照之后栅极正固定电荷增多会对器件性能产生较大影响。

两个器件输入电容随漏源电压变化曲线如图10所示,辐照器件与未辐照器件输入电容曲线没有明显差异。在VDS=1.2 V时输入电容Ciss(A)=1.872 nF,Ciss(B)=1.845 nF;在VDS=800 V时输入电容Ciss(A)=1.231 nF,Ciss(B)=1.251 nF。

器件栅极总输入电阻RG是由器件内部栅极电阻RG(in)和电路外接栅极电阻RG(ex)组成。在频率为1 MHz幅值为25 mV交流信号下测得器件A和器件B内部栅极电阻相同,RG(in),A=4.13 Ω,RG(in),B=4.13 Ω,栅极内部输入电阻主要由栅极多晶硅决定,辐照对器件栅极内部输入电阻没有明显影响。外接栅极电阻为200 Ω,两个器件栅极总输入电阻相同,分别为RG,A=204.13 Ω,RG,B=204.13 Ω。

MOSFET饱和电流与栅压关系式如下[21]

ID,sat=k(VGS-VTH)2

(6)

式中:ID,sat为漏极饱和电流;VGS为栅压;VTH为阈值电压;k为结构参数,是一个常数。栅压在米勒平台电压阶段,器件处于饱和区,因此米勒平台电压计算表达式如下

(7)

由式(7)可知,米勒平台电压VGP与阈值电压呈正相关,并且两者变化量相同,即米勒平台电压随阈值电压减小而减小。两器件开关瞬态(图4)中,栅压变化过程中有一段平台期(米勒平台),器件B米勒平台电压小于器件A米勒平台电压,与式(7)分析结果相同。

由上述静态参数测试结果以及式(1)和式(2)可以对器件开启和关断延迟时间进行估算。开关瞬态过程中,式(1)和式(2)中固定参数有:栅极电阻RG,A=204.13 Ω;RG,B=204.13 Ω;栅极开启电压VGS(on)=20 V;栅极关断电压VGS(off)=-5 V;阈值电压VTH,A=3.75 V,VTH,B=2.91 V(@IDS=0.1 A,图4(a));米勒平台电压VGP,A=9.24 V,VGP,B=7.88 V(@VDS=200 V,图4(b))。在开关过程中,器件栅极电容CGS随着栅源电压VGS而变化,在这里我们选取一个定值对开启和关断延迟时间进行一个估算。对于式(1),选取(CGS+CDS)A=1.231 nF,(CGS+CDS)B=1.251 nF(@VGS=0 V,VDS=800 V,图10));对于式(2),选取(CGS+CDS)A=2.274 nF,(CGS+CDS)B=2.292 nF(@VGS=20 V,VDS=0 V,图7))。将上述参数代入式(1)和式(2)中,计算值与实验值对比如表4所示。计算得到辐照后器件开启延迟时间减少11.2 ns(实验值为11.6 ns),关断延迟时间增加49.3 ns(实验值为48.4 ns),与实验值相比误差分别为3.45%和1.86%。

表4 实验值和计算值对比

上述结果表明,器件在电子辐照之后,相对于未辐照器件,静态特性参数主要表现为阈值电压减小,动态特性参数主要表现为开启延迟时间减小,关断延迟时间增大。在电机驱动电路中,上述特性变化容易导致桥臂直通,发生短路故障,因此在辐照环境中,需要考虑器件特性变化对系统运行可靠性的影响。

3 结 论

SiC功率器件在航天、核工业等领域中应用时,器件特性会受辐照影响,进而影响到整个系统的工作。SiC功率器件主要应用在开关电源和电极驱动等电路中,长期工作在开关状态,因此辐照对SiC功率器件的开关特性影响的研究十分重要。此次实验进行了200 kGy辐照剂量下器件动态特性变化的测试研究,目前阶段实验中没有进行不同辐照剂量条件下器件的测试研究,下一阶段实验将在1、5、10、50、100 kGy辐照剂量条件下进行器件电学特性的测试,以获得在辐照过程中器件特性的变化趋势。本文研究电子辐照之后SiC功率MOSFET器件动态特性变化及其机理进行研究分析,主要结论如下。

(1)辐照之后,器件动态特性发生了明显变化:器件开启延迟时间减小11.6 ns,关断延迟时间增大48.4 ns。

(2)氧化层对辐照很敏感,辐照之后器件栅氧层的固定正电荷增多,器件阈值电压减小了1.5 V,是导致器件开启延迟时间减小、关断延迟时间增大的主要原因。

(3)碳化硅功率MOSFET器件作为开关器件应用于辐照环境中时,应考虑辐照之后器件动态特性变化(开启延迟时间减小、关断时间增大)对系统的影响。