顧朝橋 郭紅霞 潘霄宇 雷志峰張鳳祁 張鴻 琚安安 柳奕天

1) (湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湘潭 411105)

2) (西北核技術(shù)研究所, 西安 710024)

3) (工業(yè)和信息化部第五研究所, 電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510610)

以碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件作為研究對(duì)象, 對(duì)其開展了不同電壓、不同溫度下的鈷源輻照實(shí)驗(yàn)以及輻照后的退火實(shí)驗(yàn).使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試了器件的直流參數(shù), 研究了器件輻照敏感參數(shù)在輻照和退火過程中的變化規(guī)律, 分析了電壓、溫度對(duì)器件輻照退化產(chǎn)生影響的原因, 也探索了退火恢復(fù)的機(jī)理.結(jié)果表明: 輻照感生的氧化物陷阱電荷是造成碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件電學(xué)參數(shù)退化的主要原因, 電壓和溫度條件會(huì)影響氧化物陷阱電荷的最終產(chǎn)額, 從而導(dǎo)致器件在不同電壓、不同溫度下輻照后的退化程度存在差異; 退火過程中由于氧化物陷阱電荷發(fā)生了隧穿退火, 導(dǎo)致器件電學(xué)性能得到了部分恢復(fù).

1 引 言

航天器電源系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件會(huì)長期處于空間輻射環(huán)境中, 由于宇宙射線和各種帶電粒子的作用, 會(huì)使器件產(chǎn)生各種輻照效應(yīng), 導(dǎo)致器件的性能退化甚至失效, 降低器件工作的穩(wěn)定性和可靠性.隨著航空航天領(lǐng)域的不斷進(jìn)步, 要求航天器中功率半導(dǎo)體器件向著高頻、高耐壓、高可靠性、抗輻照等方向發(fā)展[1,2].而半導(dǎo)體器件的性能往往與半導(dǎo)體材料密切相關(guān), 作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表之一, 碳化硅(SiC)材料由于本身具有寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率以及高飽和電子漂移速率等優(yōu)點(diǎn), 可以用于高壓、高頻、高功率及高溫領(lǐng)域.相比于傳統(tǒng)硅基器件, SiC功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)提高電子設(shè)備工作效率、降低裝置體積和重量、增加抗輻照性能, 滿足新一代航天器對(duì)功率半導(dǎo)體器件的要求.因此, SiC基功率半導(dǎo)體器件在空間輻照環(huán)境中具有很大的應(yīng)用前景[3-6].

目前, SiC場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SiC MOSFET)器件的輻照效應(yīng)引起了人們極大的關(guān)注.2012年,Akturk等[7]利用60Co-γ射線對(duì)1200 V的SiC MOSFET功率器件開展總劑量實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明, 當(dāng)累積劑量超過100 krad (Si)時(shí), 器件仍然具有良好的性能, 但累積劑量超過300 krad (Si)時(shí), 柵極-漏極之間電容將發(fā)生變化并會(huì)顯著影響器件的開關(guān)性能.2016年, Pavel和Stanislav[8]利用4.5 MeV的電子對(duì)1700 V的4H-SiC MOSFET功率器件進(jìn)行了總劑量實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明, SiC MOSFET功率器件對(duì)于電子輻照十分敏感, 閾值電壓隨著累積劑量的增加會(huì)迅速降低.2019年, Pavel和Stanislav[9]對(duì)不同的SiC功率器件開展了總劑量輻照實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明, 包含氧化層的SiC器件受到輻照后更容易出現(xiàn)總劑量效應(yīng).但是, 半導(dǎo)體器件可能在各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境下工作, 想要精確地評(píng)估器件的抗總劑量能力, 需要掌握器件的功能退化、失效規(guī)律與累積劑量以及電壓、溫度等應(yīng)力條件之間的關(guān)系.根據(jù)先前的報(bào)道, MOS晶體管在輻照過程中電子空穴對(duì)的初始復(fù)合率對(duì)電場(chǎng)也有很強(qiáng)的依賴性[10].同時(shí)由于SiC材料具有較大的禁帶寬度, 因此雜質(zhì)離化能較大, SiC基器件在室溫下僅有60%左右的雜質(zhì)離化, 當(dāng)溫度達(dá)到700 K時(shí), 所有的雜質(zhì)才會(huì)全部離化, SiC器件的最高工作溫度可達(dá)到800 K以上, 是一種用于高溫環(huán)境的理想器件[11,12].因此,在輻照過程中引入電壓、溫度等變量是精確評(píng)估SiC基半導(dǎo)體器件抗總劑量能力的必要條件.

地面模擬MOS器件的總劑量效應(yīng)通常會(huì)用到高劑量率輻照配合一定條件的加速退火來等效空間輻射環(huán)境.SiC MOSFET器件在輻射后進(jìn)行退火, 可以使其性能部分甚至完全恢復(fù), 但是退火效應(yīng)會(huì)受到退火時(shí)的環(huán)境溫度、時(shí)間、電場(chǎng)等因素的影響[13,14].因此, 對(duì)輻照后的SiC MOSFET進(jìn)行不同環(huán)境下的退火實(shí)驗(yàn), 有助于深入地研究SiC MOSFET器件的退火機(jī)理.

本文利用γ射線對(duì)SiC MOSFET器件開展了不同電壓、不同溫度下的總劑量輻照實(shí)驗(yàn); 同時(shí)也對(duì)器件輻照后的退火效應(yīng)進(jìn)行了研究, 并基于Arrhenius模型, 分析了閾值電壓恢復(fù)時(shí)退火時(shí)間和溫度之間的函數(shù)關(guān)系.

2 實(shí) 驗(yàn)

所用的器件為泰科天潤生產(chǎn)的商業(yè)級(jí)增強(qiáng)型的N溝道SiC MOSFET功率器件, 器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.器件型號(hào)為G1 M080120 B, 采用TO-247封裝, 器件的基本參數(shù)如下: 閾值電壓Vth為4 V, 源漏擊穿電壓V(BR)DSS為1200 V, 額定電流為40 A.

圖1 4H-SiC MOSFET簡(jiǎn)化示意圖Fig.1.Simplified schematic diagram of 4H-SiC MOSFET.

總劑量輻照實(shí)驗(yàn)在60CO-γ射線源上進(jìn)行, 并在輻照實(shí)驗(yàn)中引入了電壓和溫度等變量.在探究電應(yīng)力對(duì)器件輻照退化的影響時(shí)選取了柵壓偏置(VGS= 5 V, VDS= 0 V)、漏壓偏置(VGS= 0 V,VDS= 300 V)、零壓偏置(VGS= VDS= 0 V)進(jìn)行總劑量輻照實(shí)驗(yàn), 在此基礎(chǔ)上又選取了1, 3, 5,10和20 V等不同柵壓進(jìn)行總劑量輻照實(shí)驗(yàn); 在探究溫度應(yīng)力對(duì)器件輻照退化的影響時(shí)選取了室溫和100 ℃兩個(gè)溫度變量進(jìn)行總劑量輻照實(shí)驗(yàn), 輻照時(shí)的劑量率都為50 rad (Si)/s.輻照前后, 利用BC3193半導(dǎo)體分析儀以及B1500 A對(duì)器件的各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)作出了詳細(xì)的表征.整個(gè)輻照過程中選取了50, 150, 250, 350和500 krad (Si)等5個(gè)劑量點(diǎn).為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性, 器件輻照后的電學(xué)參數(shù)測(cè)試都在1 h內(nèi)完成.

當(dāng)總劑量輻照實(shí)驗(yàn)完成后, 對(duì)輻照后的SiC MOSFET器件進(jìn)行不同溫度、不同電壓下的退火實(shí)驗(yàn), 整個(gè)退火過程持續(xù)一周的時(shí)間.并在特定的時(shí)間點(diǎn)取下器件移位到BC3193上進(jìn)行電學(xué)性能的測(cè)量.

3 結(jié)果與分析

3.1 電應(yīng)力對(duì)SiC MOSFET器件總劑量效應(yīng)的影響

圖2和圖3分別給出了SiC MOSFET器件在不同偏置條件下輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線、閾值電壓漂移量與累積劑量的關(guān)系.從圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出, 在500 krad (Si)的累積劑量下, 三類偏置條件下器件的轉(zhuǎn)移特性曲線都有明顯的向左漂移,器件的閾值電壓也有顯著的減小.與此同時(shí), 發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)選用的偏置電壓條件對(duì)器件的輻照退化程度有很大影響, 在相同的累積劑量下, 柵壓偏置下器件的輻照退化最嚴(yán)重.當(dāng)輻照劑量達(dá)到500 krad(Si)時(shí), 柵壓偏置下閾值電壓的變化程度高達(dá)46%,漏壓偏置和零壓偏置下閾值電壓變化程度為24%.以上結(jié)果表明, 對(duì)于增強(qiáng)型N-MOSFET器件來說, 柵極施加電場(chǎng)是器件總劑量輻照過程中的最惡劣偏置.

圖2 不同偏置下SiC MOSFET輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.2.Transfer characteristics of SiC MOSFET before and after irradiation under different biasing conditions.

圖3 不同偏置下SiC MOSFET閾值電壓隨累積劑量的變化Fig.3.Variation of threshold voltage of SiC MOSFET with cumulative dose under different bias.

在此基礎(chǔ)上, 為了更加深入地探索柵極電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)SiC MOSFET器件輻照退化的影響, 開展了不同柵壓下的總劑量輻照實(shí)驗(yàn).圖4是1, 3, 5, 10和20 V等不同柵壓下器件輻照前后亞閾值區(qū)域的轉(zhuǎn)移曲線, 輻照累積的總劑量為500 krad(Si).從圖中結(jié)果來看, 不同柵壓偏置下輻照后器件的轉(zhuǎn)移曲線都向左漂移, 然而器件輻照后的退化程度并沒有隨著柵極電壓的增加而變大.與柵極電壓為1 V時(shí)相比, 當(dāng)柵極電壓為3 V時(shí)器件輻照后的退化程度明顯增大; 但是與柵極電壓為3 V時(shí)相比,當(dāng)柵極電壓為5, 10 和20 V時(shí), 器件輻照后的退化程度明顯減小, 并且隨著柵壓增加這種變?nèi)醯某潭扔l(fā)明顯.值得注意的是, 柵壓為20 V時(shí)器件輻照后的退化程度甚至要略小于柵壓為1 V時(shí)的退化程度.經(jīng)過對(duì)器件閾值電壓的測(cè)試發(fā)現(xiàn), 當(dāng)柵壓為1 V時(shí), 輻照后器件閾值降低了1.3 V, 當(dāng)柵壓為3 V時(shí), 輻照后器件閾值電壓減小了1.9 V,當(dāng)柵壓為20 V時(shí), 輻照后器件閾值電壓減小了1.2 V.

圖4 不同柵壓下輻照前后的亞閾值區(qū)域轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.4.Transferring characteristics of subthreshold region before and after irradiation under different gate pressures.

為了解釋這種總劑量輻照退化和電場(chǎng)之間的依賴關(guān)系, 需要從總劑量效應(yīng)造成器件性能退化的物理過程來分析.總劑量效應(yīng)造成SiC MOSFET器件的退化主要是由于輻照在器件柵氧化層中感生出陷阱電荷.當(dāng)γ射線入射到SiC MOSFET中,會(huì)在氧化層中沉積能量, 當(dāng)沉積的能量大于材料的禁帶寬度時(shí), 部分被束縛的電子會(huì)吸收入射粒子沉積的能量, 使其從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶, 在氧化層中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì).由于電子在氧化物介質(zhì)中的遷移率遠(yuǎn)大于空穴, 因此在外加電場(chǎng)的作用下,電子在極短時(shí)間內(nèi)(皮秒級(jí))被掃出柵極, 在此之前空穴和電子會(huì)發(fā)生復(fù)合.逃脫復(fù)合的空穴則會(huì)通過躍遷的方式向著SiC/SiO2界面處移動(dòng), 當(dāng)空穴躍遷至SiO2界面附近時(shí), 會(huì)在界面附近的深層陷阱中被俘獲, 形成正的氧化物陷阱電荷[15-17].空穴躍遷過程中會(huì)釋放出氫元素, 并在SiC/SiO2界面處發(fā)生作用而產(chǎn)生界面態(tài)陷阱.氧化物陷阱電荷會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET器件的閾值電壓負(fù)漂, 界面態(tài)電荷會(huì)導(dǎo)致閾值電壓正漂, 可以認(rèn)為閾值電壓的漂移由氧化陷阱電荷和界面態(tài)電荷共同決定[18].所以, 對(duì)于本次研究中的N溝道MOSFET器件來說, 相對(duì)于漏壓偏置和零偏, 柵極施加正的電壓會(huì)增加逃脫初始復(fù)合的空穴數(shù)量, 形成的陷阱電荷濃度也會(huì)更大, 增加器件的輻照退化程度, 這也解釋了為什么柵壓偏置是輻照時(shí)的最惡劣偏置.上文解釋了總劑量效應(yīng)會(huì)在器件柵氧化層內(nèi)感生出氧化物陷阱電荷以及界面態(tài)電荷, 從而造成器件電學(xué)性能退化.因此, 想要深入地揭示SiC MOSFET器件的總劑量效應(yīng)的物理機(jī)理, 首先就是要精確地計(jì)算出γ射線輻射時(shí)在器件柵氧化層內(nèi)部產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷以及界面態(tài)電荷的濃度.

精確計(jì)算出兩種陷阱電荷濃度的第一步是將氧化物陷阱電荷和界面態(tài)電荷對(duì)閾值電壓的貢獻(xiàn)量分離出來.在這里用ΔVot表示氧化物陷阱電荷對(duì)閾值電壓漂移做出的貢獻(xiàn), 用ΔVit表示界面態(tài)電荷對(duì)閾值電壓漂移做出的貢獻(xiàn), 輻照后閾值電壓的漂移量可以用(1)式表示.本研究采用了中帶電壓法對(duì)器件的兩種輻射感生電荷進(jìn)行分離[19,20].中帶電壓Vmg就是指當(dāng)費(fèi)米能級(jí)與禁帶中心點(diǎn)重合時(shí)對(duì)應(yīng)的柵極電壓.此時(shí), 由于界面態(tài)呈電中性,不會(huì)引起閾值電壓的變化.因此, 可以認(rèn)為閾值電壓的漂移都是由氧化物陷阱電荷引起的, 如(2)式所示.

綜上所述, 計(jì)算出閾值電壓漂移量ΔVth和中帶電壓Vmg就能精確分離兩種陷阱電荷對(duì)閾值電壓的貢獻(xiàn)量.閾值電壓ΔVth一般通過最大外推法來確定, 轉(zhuǎn)移曲線的最大跨導(dǎo)處的切線與橫軸的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的就是閾值電壓.中帶電壓Vmg的確定首先是利用(3)式和(4)式計(jì)算出中帶電流Img,然后在轉(zhuǎn)移特性曲線的亞閾值區(qū)域找到中帶電流Img所對(duì)應(yīng)的柵壓, 此時(shí)的柵壓就是所求的Vmg.在這里需要注意的是, Img相對(duì)來說會(huì)很小, 因此可能要將轉(zhuǎn)移特性曲線中線性部分反向延長才能得到Vmg.

其中, Cox表示單位面積的柵氧化層電容, k表示玻爾曼茲常數(shù), T表示溫度, LB表示SiC中的德拜長度, ni表示溝道的載流子濃度, NA表示p-基區(qū)的摻雜濃度.

根據(jù)上述理論, 求出ΔVot和ΔVit后, 氧化物固定電荷濃度以及界面態(tài)電荷濃度可以通過(5)式和(6)式計(jì)算出:

式中, q表示電荷量.

基于圖4所示的不同柵壓下的亞閾值區(qū)域的轉(zhuǎn)移特性曲線, 利用上述的中帶電壓法分離得到不同柵壓下氧化物陷阱電荷濃度、界面態(tài)電荷濃度以及閾值電壓漂移量隨輻照時(shí)柵壓的變化, 如圖5所示.可以看出, 相較于柵壓為3 V時(shí)輻照后氧化物陷阱電荷的濃度, 在5, 10 和20 V時(shí)輻照后感生的氧化陷阱電荷濃度分別降低了22%, 37%和48%.同時(shí)發(fā)現(xiàn), 整個(gè)輻照過程界面態(tài)電荷濃度沒有增加, 認(rèn)為當(dāng)施加的柵壓超過3 V之后, 器件閾值電壓的漂移量減小是由氧化物陷阱電荷濃度減小造成的.

圖5 輻照后閾值電壓和陷阱電荷濃度隨柵壓的變化Fig.5.Variation of threshold voltage and trap charge concentration with gate voltage after irradiation.

對(duì)于柵壓和氧化物陷阱電荷俘獲率之間的關(guān)系可以這樣解釋, 隨著柵壓增加, 逃脫復(fù)合的空穴比例會(huì)增加, 但空穴俘獲截面會(huì)減小, 氧化層中俘獲空穴的數(shù)量主要依賴于俘獲截面[21,22].因此, 本研究表明, 在不同的柵壓下進(jìn)行相同累積劑量輻照, 輻照后SiC MOSFET器件的氧化物陷阱電荷濃度不會(huì)隨著柵壓的增大而變大, 在柵壓超過3 V時(shí), 空穴俘獲截面會(huì)減小.

3.2 溫度應(yīng)力對(duì)SiC MOSFET器件總劑量效應(yīng)的影響

圖6 (a)和圖6(b)分別給出了SiC MOSFET器件在室溫和100 ℃時(shí), 輻照前后的輸出特性曲線.在輻照前后對(duì)器件的輸出特性進(jìn)行測(cè)試時(shí), 分別選取了VGS= 7 V以及VGS= 9 V的測(cè)試條件.從圖6(a)和圖6(b)所示的結(jié)果來看, γ射線輻照后會(huì)導(dǎo)致器件的漏源電流增加, 隨著累積劑量的增加漏源電流的變化量逐漸增大.圖7(a)和圖7(b)分別給出了SiC MOSFET器件在常溫和100 ℃時(shí),輻照前后的亞閾值區(qū)域轉(zhuǎn)移特性曲線.從圖7(a)和圖7(b)可以看出, 隨著累積總劑量的增加, 輻照后器件的轉(zhuǎn)移特性曲線都逐漸向負(fù)電壓一側(cè)漂移,閾值電壓逐漸減小但輻照后曲線的斜率沒有明顯變化.同時(shí), 圖中也反映出總劑量效應(yīng)導(dǎo)致器件電學(xué)性能的退化會(huì)受到溫度應(yīng)力的影響, 主要表現(xiàn)為在100 ℃下輻照時(shí)器件電學(xué)性能的退化程度更低.

圖6 SiC MOSFET器件在輻照前后輸出曲線 (a)常溫輻照; (b)100 ℃輻照Fig.6.Output curve of SiC MOSFET device before and after irradiation: (a) Normal temperature irradiation; (b) high temperature irradiation.

圖7 SiC MOSFET器件輻照的前后轉(zhuǎn)移曲線 (a)常溫輻照; (b)100 ℃輻照Fig.7.Transfer curve of SiC MOSFET devices before and after irradiation: (a) Normal temperature irradiation; (b) high temperature irradiation.

上述結(jié)果表明, 總劑量效應(yīng)會(huì)使SiC MOSFET器件發(fā)生退化而導(dǎo)致器件閾值電壓、漏源電流等電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化; 相較于100 ℃, 常溫環(huán)境是SiC MOSFET器件進(jìn)行γ射線輻照時(shí)的惡劣輻照環(huán)境.關(guān)于總劑量效應(yīng)導(dǎo)致SiC MOSFET器件的退化機(jī)理在上文中已經(jīng)進(jìn)行了闡述, 為了解釋在常溫和100 ℃下輻照時(shí), 器件退化程度存在差異的原因, 基于圖7(a)和圖7(b)所示的兩種溫度下器件輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線, 利用中帶電壓法分離得到室溫和100 ℃時(shí), 輻照感生的氧化物陷阱電荷和界面態(tài)電荷造成閾值電壓的漂移量ΔVot和ΔVit,如圖8所示.可以看出, 無論是在常溫還是100 ℃的環(huán)境下輻照, 造成器件閾值電壓退化的主要原因都是輻照在氧化層內(nèi)感生的氧化物陷阱電荷, 但在相同的累積劑量下, 100 ℃下進(jìn)行輻照時(shí)感生的氧化物陷阱電荷濃度更低一些, 所以導(dǎo)致在此溫度下輻照時(shí)器件的退化程度更低.分析認(rèn)為, 100 ℃下輻照時(shí), 器件在輻照過程中發(fā)生了退火效應(yīng)而導(dǎo)致氧化物陷阱電荷濃度變低, SiC MOSFET器件輻照后存在隧穿效應(yīng)以及熱激發(fā)兩種退火方式.圖9給出了高溫輻照時(shí)隧穿效應(yīng)的電荷分布情況, 當(dāng)在100 ℃對(duì)器件進(jìn)行輻照時(shí), 一方面輻照會(huì)在器件的柵氧化層內(nèi)感生出氧化物陷阱電荷, 另一方面溝道電子會(huì)在100 ℃的溫度環(huán)境中獲得足夠穿過SiO2/SiC界面的能量, 在電場(chǎng)的作用下由溝道隧穿到氧化層內(nèi)與輻照感生的氧化物陷阱電荷發(fā)生中和, 使其濃度減小, 從而造成輻照退化程度降低.熱激發(fā)退火是將氧化層中由輻照感生的氧化物陷阱電荷通過熱激發(fā)的形式移除氧化層, 從而降低器件的輻照退化程度.

圖8 不同溫度下輻照時(shí)電壓漂移量和總劑量的關(guān)系Fig.8.Relationship between the voltage drift and the total dose during irradiation at different temperatures.

圖9 SiC MOSFET器件高溫輻照時(shí)隧穿效應(yīng)電荷分布Fig.9.Tunneling effect charge distribution in SiC MOSFET devices irradiated at high temperature.

3.3 退火效應(yīng)

為了研究輻照后的SiC MOSFET器件的退火效應(yīng), 對(duì)輻照后的器件開展了100 ℃的恒溫加速退火實(shí)驗(yàn), 整個(gè)退火實(shí)驗(yàn)的周期為一周, 共計(jì)168 h,并在柵極施加了5和0 V的電壓, 整個(gè)退火過程中選取不同的時(shí)間點(diǎn)對(duì)器件的各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量.圖10給出了柵壓為5 V時(shí), 在100 ℃下進(jìn)行168 h退火后器件的輸出特性曲線, 從圖10中的結(jié)果來看, 輻照后的器件經(jīng)歷168 h的高溫退火后曲線恢復(fù)了50%.圖11給出了在100 ℃時(shí), 柵壓為5 和0 V時(shí)退火過程中閾值電壓隨時(shí)間的變化曲線, 可以看出, 退火時(shí)在柵極5 V的電壓會(huì)使閾值電壓的恢復(fù)量更大, 退火168 h后, 柵極加電時(shí)閾值電壓恢復(fù)了40%, 而不加電時(shí)閾值電壓僅恢復(fù)了11%.同時(shí), 為了進(jìn)行對(duì)比, 也開展了柵壓為5 V時(shí)的常溫退火實(shí)驗(yàn).圖12給出了柵壓為5 V時(shí),在100 ℃和常溫下進(jìn)行退火時(shí)閾值電壓隨時(shí)間的變化曲線, 通過對(duì)比兩種溫度下退火后的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), 經(jīng)歷168 h的高溫退火后閾值電壓恢復(fù)了40%, 而經(jīng)歷168 h的常溫退火后閾值電壓僅恢復(fù)了19%.

圖10 SiC MOSFET器件輻照后退火168 h后的輸出曲線Fig.10.Output curve of SiC MOSFET device after 168 h annealing after irradiation.

圖11 柵壓為5 和0 V退火時(shí)閾值電壓漂移量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.11.Relationship of threshold voltage recovery with time under different gate voltage annealing conditions.

圖12 常溫和100 ℃退火時(shí)閾值電壓漂移量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.12.Relationship of threshold voltage recovery with time at room temperature and annealing at 100 ℃.

上一節(jié)提到了高溫環(huán)境下器件輻照產(chǎn)生的退化會(huì)發(fā)生部分恢復(fù), 這是由于高溫環(huán)境會(huì)引發(fā)器件發(fā)生隧穿退火或熱激發(fā)退火.結(jié)合圖11和圖12的退火恢復(fù)情況來看, 除了高溫這一重要因素外, 退火過程中給柵極施加正的電壓也會(huì)極大地促進(jìn)退火恢復(fù)程度.結(jié)合兩種退火恢復(fù)機(jī)理的物理過程,說明器件100 ℃下輻照時(shí), 主要發(fā)生的是隧穿退火而導(dǎo)致輻照退化程度降低.

為了更加直觀地反映出輻照后的器件退火恢復(fù)程度和退火溫度之間的物理關(guān)系, 本文引入了Arrhenius模型[23], 該模型是使用溫度應(yīng)力實(shí)驗(yàn)時(shí)最典型、應(yīng)用最廣的加速模型.本文以相同的閾值電壓恢復(fù)量作為基準(zhǔn), 得到溫度度與時(shí)間的表達(dá)形式.所用的阿列尼斯經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中A為常數(shù), k是玻爾曼茲常數(shù), E為激活能,T是絕對(duì)溫度, t是時(shí)間.

從(7)式可以看出, 時(shí)間t和溫度T之間存在一定的函數(shù)關(guān)系.在實(shí)驗(yàn)過程選取兩組不同的退火溫度T1, T2, 閾值電壓恢復(fù)量相同時(shí), 得到所需的時(shí)間分別為t1, t2, 如圖12所示.將實(shí)驗(yàn)所得的溫度和時(shí)間代入(7)式, 得到如下公式:

根據(jù)(8)式, 可以計(jì)算出閾值電壓恢復(fù)時(shí)的激活能E = 0.33 eV, 在求得激活能E后代入(7)式可以得到溫度和時(shí)間之間的確切的函數(shù)關(guān)系式, 該函數(shù)的關(guān)系曲線如圖13所示.根據(jù)該函數(shù)曲線可求得任意溫度下退火時(shí)閾值電壓恢復(fù)所需的時(shí)間.

圖13 閾值電壓恢復(fù)時(shí)退火溫度與時(shí)間的函數(shù)曲線Fig.13.Function of annealing temperature and time when threshold voltage is restores.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)SiC MOSFET功率器件開展了不同電場(chǎng)以及不同溫度下的總劑量輻照實(shí)驗(yàn), 并對(duì)輻照后的器件的退火特性進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,總劑量效應(yīng)會(huì)使器件的電學(xué)性能發(fā)生退化, 但應(yīng)力條件的存在對(duì)其退化程度有較大影響.通過開展不同電應(yīng)力下的輻照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 柵壓偏置下器件輻照后得閾值電壓漂移最明顯, 說明柵壓偏置是過程中的最惡劣偏置; 同時(shí), 確定了輻照感生氧化物陷阱電荷濃度與柵壓大小的相關(guān)性, 發(fā)現(xiàn)輻照時(shí)較大的柵壓能降低輻照感生的氧化物陷阱電荷的濃度.通過開展不同溫度下的輻照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 高溫應(yīng)力會(huì)使輻照后器件的退化程度變小.通過高溫退火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隧穿退火是器件電學(xué)性能恢復(fù)的主要原因, 并分析了閾值電壓恢復(fù)時(shí)退火時(shí)間和溫度之間量函數(shù)關(guān)系.