劉翠翠郭 剛李治明張付強(qiáng)陳啟明韓金華楊新宇

1（中國(guó)原子能科學(xué)研究院北京102413）

2（國(guó)防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心北京102413）

3（蘭州大學(xué)蘭州730000）

隨著核能與空間技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的半導(dǎo)體器件和設(shè)備工作在各類輻射環(huán)境中。為了滿足電力電子、人工智能、軍事安全等領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的需求，半導(dǎo)體器件在朝著更小特征尺寸、更低功耗、更高效率發(fā)展的同時(shí)，其抗輻照特性也需要進(jìn)一步加強(qiáng)［1］。在核作業(yè)與自然空間輻照環(huán)境中存在大量的高能粒子，如質(zhì)子、中子、電子、重離子等［2］，會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件產(chǎn)生單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE）、總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose，TID）以及位移損傷效應(yīng)（Displacement Damage Dose，DDD）等［3-5］，對(duì)其正常工作產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。隨著使用需求的提高，傳統(tǒng)的Si基功率器件工作頻率、耐壓閾值、抗輻照能力，逐漸逼近其物理性能極限，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料及器件憑借優(yōu)異的性能脫穎而出［6］。

如圖1所示，SiC的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為Si的10倍，熱導(dǎo)率約為Si的3倍，禁帶寬度約為Si的3倍，載流子飽和漂移速度約為Si的2倍［7-9］；與同為第三代半導(dǎo)體的GaN相比，SiC在熱導(dǎo)率、擊穿電場(chǎng)等方面也具有突出優(yōu)勢(shì)，特別適合制備1 kV以上的高功率器件。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）是一種常見的功率器件，已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字和模擬電路中。其中，與傳統(tǒng)Si基MOSFET及GaN高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）等相比，SiC MOSFET具有工作電壓更高、正向?qū)娮韪?、開關(guān)速度更快、驅(qū)動(dòng)電路更簡(jiǎn)單等突出優(yōu)勢(shì)［10-11］，在新一代航天器動(dòng)力系統(tǒng)中具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 常用半導(dǎo)體材料主要物理特性對(duì)比Fig.1 Comparison of main physical property of commonsemiconductor materials

目前，在空間堆、宇航器、反應(yīng)堆、箭/彈等核能或航天極端輻射環(huán)境中，高壓大功率器件的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣闊［12-15］。然而，當(dāng)前關(guān)于SiC MOSFET輻射效應(yīng)的研究結(jié)果表明，其SEE敏感性及復(fù)雜性與理論預(yù)期不符，嚴(yán)重影響了該類器件的輻射應(yīng)用價(jià)值。因此，為了進(jìn)一步提升SiC MOSFET性能，研究SiC MOSFET SEE退化規(guī)律、效應(yīng)機(jī)制以及新型的抗輻照加固技術(shù)，是保障未來各類輻射任務(wù)順利達(dá)成的必由之路。

1 研究背景

常見的輻射環(huán)境包括空間輻射、空中輻射以及人為輻射等。其中，空間輻射環(huán)境主要由太陽宇宙射線、銀河宇宙射線以及地球俘獲帶組成，其起源和相關(guān)粒子成分如圖2所示。太陽宇宙射線對(duì)近地空間影響最為強(qiáng)烈，其中存在質(zhì)子、重離子、中子和電子等多種成分；銀河宇宙射線絕大部分是質(zhì)子和α粒子，主要特點(diǎn)是高能量、低通量、各向異性很??；而在地球俘獲帶中則主要包含質(zhì)子（內(nèi)帶）和電子（外帶），在空間輻射環(huán)境中，粒子種類繁多，能量可跨越0～10 GeV，對(duì)各類電子元器件的正常服役產(chǎn)生了極大威脅。在以反應(yīng)堆為主的人為輻射環(huán)境中，還存在能量更高、注量更大的粒子［16-17］，或可對(duì)應(yīng)用其中的電子元器件產(chǎn)生更為致命的損傷。

圖2 復(fù)雜的空間輻射環(huán)境Fig.2 Complex space radiation environment

一般來說，依據(jù)電子元器件所受輻射損傷的機(jī)理和性能退化規(guī)律，輻射效應(yīng)可分為SEE、TID以及DDD。其中，SEE是指當(dāng)單個(gè)高能粒子入射到半導(dǎo)體器件后，由于電離能量沉積的作用，在器件敏感區(qū)中誘發(fā)大量電子空穴對(duì)，在電子空穴對(duì)被電場(chǎng)收集后形成脈沖電流，從而導(dǎo)致器件工作狀態(tài)發(fā)生改變的一種現(xiàn)象。

根據(jù)效應(yīng)損傷是否可逆，SEE又可分為單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset，SEU）、單粒子瞬態(tài)（Single Event Transient，SET）、單粒子功能中斷（Single Event Function Interruption，SEFT）等非致命性軟錯(cuò)誤，以及單粒子閂鎖（Single Event Latchup，SEL）、單粒子?xùn)糯⊿ingle Event Gate Rupture，SEGR）、單粒子燒毀（Single Event Burnout，SEB）等致命性硬錯(cuò)誤［18］。根據(jù)2013年IEEE核與空間輻射效應(yīng)會(huì)議（Nuclear and Space Radiation Effects Conference，NSREC）相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由輻射效應(yīng)所引起的航天器在軌故障數(shù)占總故障數(shù)的45%，在這其中，由SEE引起的故障占86%，TID和DDD分別僅占8%和6%［19-20］。由此可見，SEE是航天器正常作業(yè)的主要威脅因素。

商用SiC MOSFET誕生在21世紀(jì)初期，并憑借其突出優(yōu)勢(shì)在功率器件領(lǐng)域占據(jù)越來越大的市場(chǎng)份額。經(jīng)過20余年的發(fā)展至今，SiC MOSFET工作電壓可達(dá)數(shù)千伏，被認(rèn)為是Si絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的強(qiáng)勢(shì)替代產(chǎn)品，在電源和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的前景被廣泛看好。然而，雖然SiC中形成缺陷的電離能和閾值能（原子鍵強(qiáng)度）均遠(yuǎn)超Si，在理論上具有更強(qiáng)的抗輻射能力，但由于其材料制備技術(shù)及器件設(shè)計(jì)、工藝尚不成熟等問題，SiC MOSFET對(duì)高能粒子仍非常敏感，很容易產(chǎn)生SEB和SEGR等效應(yīng)［21-23］，嚴(yán)重影響其輻射應(yīng)用的可靠性。如今，我們不僅面臨SiC MOSFET SEE效應(yīng)機(jī)理不清晰的問題，也亟需開發(fā)針對(duì)SiC MOSFET的新型抗輻射加固技術(shù)。

因此，本文從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，梳理并歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外多家研究單位關(guān)于SiC MOSFET SEE機(jī)理、加固技術(shù)及評(píng)估方法等多方面的研究成果，希望為日后SiC MOSFET SEE的研究工作提供有益參考。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀分析

國(guó)外關(guān)于SiC MOSFET的研究起步較早，目前也已經(jīng)形成了從材料生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)、制備工藝到封裝成型等完整技術(shù)體系。與此同時(shí)，由于歐美日等國(guó)家的加速器發(fā)展較早，其模擬輻照實(shí)驗(yàn)技術(shù)也相對(duì)成熟，而且伴隨其較早開展的空間探測(cè)技術(shù)，故在多年前便開展了SiC MOSFET輻射效應(yīng)的相關(guān)研究。經(jīng)過多年積累，在SiC MOSFET SEE效應(yīng)機(jī)理和加固技術(shù)等方面也取得了諸多的研究成果。

Si基MOSFET的SEGR和SEB現(xiàn)象在1986年首次被發(fā)現(xiàn)并報(bào)道。以N型MOSFET舉例，當(dāng)時(shí)認(rèn)為器件的SEB始于強(qiáng)電流觸發(fā)外延層的雪崩。當(dāng)帶電粒子作用于高偏壓工作狀態(tài)下的器件后，導(dǎo)致其內(nèi)部的寄生雙極晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）被激發(fā)導(dǎo)通，在外延/襯底界面處電場(chǎng)增加。這一電場(chǎng)削弱了碰撞電離的作用；反之，由于高電子密度導(dǎo)致帶隙變窄，電流可通過帶間隧穿來維持。同時(shí)，局部溫度的升高將導(dǎo)致Si發(fā)生熔化，并產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電性較好的電流路徑，使得漏極-源極電壓突然下降，即二次擊穿［24-25］，最終導(dǎo)致器件發(fā)生SEB。

1995年，Titus等［26］研究發(fā)現(xiàn)，MOSFET的柵氧化層厚度、入射離子線性能量轉(zhuǎn)移（Linear Energy Transfer，LET）值、入射角度、溫度、溝道電導(dǎo)率以及元胞幾何形狀等多種因素都會(huì)影響VD MOSFET的SEGR閾值。他們結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，總結(jié)了SEGR發(fā)生時(shí)，其柵-源閾值電壓VGS與源-漏電壓VDS、柵氧化層厚度Tox、離子LET以及入射角度θ等變量之間的經(jīng)驗(yàn)公式（1）：

對(duì)Si基MOSFET的SEB演化的理解也有助于探索理解SiC MOSFET的SEB機(jī)制，關(guān)于SiC MOSFET SEE的研究最早見于2014年。研究表明：相比于其他類型的SEE，在SiC MOSFET中更容易產(chǎn)生SEGR和SEB這兩種效應(yīng)，這是因?yàn)檫@兩種效應(yīng)的發(fā)生與器件被粒子輻照后所產(chǎn)生的潛損傷有關(guān)［27］。由輻射后柵極應(yīng)力（Post-Irradiation Gate Stress，PIGS）的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潛損傷使SiC MOSFET在低于閾值電壓的10%時(shí)即發(fā)生退化，在宏觀電性能上表現(xiàn)為柵極漏電流IGSS升高，且器件退化程度與相對(duì)偏置正相關(guān)，偏壓越高，其退化程度越大［28］，圖3展示了SiC MOSFET發(fā)生SEE過程。因此，目前國(guó)際上針對(duì)SiC MOSFET抗輻射加固技術(shù)的研究也更著重于解決SEB和SEGR這兩個(gè)問題。

圖3 SiC MOSFET輻照前后的重離子效應(yīng)與施加電壓的關(guān)系。失效是指IGSS>1 mA，BVDSS<<額定電壓Fig.3 Heavy-ion effects as a function of relative applied voltage for SiC MOSFET,as measured during and after irradiation.Failed refers to IGSS>1 mA,BVDSS<

2014年，Mizuta等［29］基 于 商 用SiC MOSFET（Cree公司，型號(hào)CMF10120D）開展了70 MeV質(zhì)子及N、Ne、Ar、Kr、Xe等多種重離子的輻照實(shí)驗(yàn)，并利用高能粒子誘導(dǎo)電荷光譜（Energetic Particle-Induced Charge Spectroscopy，EPICS）等在線監(jiān)測(cè)了器件的電荷累積狀態(tài)以及漏電流的變化。在遠(yuǎn)低于額定電壓時(shí)，漏電流變化行為與SiC SBD類似；而隨偏置電壓升高，引發(fā)SEB的粒子注量下降，反應(yīng)截面逐漸增加（圖4）。分析發(fā)現(xiàn)，器件的漏-柵漏電流IDG通路涉及漏極頸，類似一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）區(qū)域，而漏-源漏電流IDS通路涉及的是體漏極p-n結(jié)。

圖4 重離子輻照過程中器件失效率與粒子注量的關(guān)系Fig.4 Cumulative failure rate as a function of particle fluence during heavy ion irradiation

2015年，Lauenstein等［30］研 究 了 商 用SiC MOSFET對(duì)Ag和Xe離子的SEE響應(yīng)。結(jié)果顯示：幾乎所有器件都在低于其額定電壓60%時(shí)發(fā)生了SEE，在低于額定電壓10%時(shí)便可能發(fā)生永久性損傷。然而，即使SiC MOSFET的溫度穩(wěn)定性相比Si基MOSFET要更好，但其抗SEE輻射能力仍舊較差，因而難以滿足空間應(yīng)用需求。

同年，Shoji等［31］研究了中子輻照SiC MOSFET SEB誘發(fā)機(jī)理（圖5）。掃描電子顯微鏡下可直觀地看到器件發(fā)生SEB后，粒子入射局部的材料性質(zhì)發(fā)生了變化。與軟件模擬結(jié)果相結(jié)合，可以認(rèn)為SiC MOSFET SEB的誘發(fā)因素和誘發(fā)過程非常復(fù)雜：當(dāng)高能離子入射后，在器件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)峰值電場(chǎng)轉(zhuǎn)移以及在n-/n+結(jié)處因碰撞電離導(dǎo)致的載流子激增等多種變化，最終由于多種因素綜合作用導(dǎo)致了SEB的發(fā)生，但對(duì)這些因素在誘發(fā)SEB時(shí)的貢獻(xiàn)程度以及各種因素觸發(fā)的先后順序并未做出清晰論述。

圖5 掃描電子顯微鏡下SiC功率MOSFET SEB示意圖(a)，SiC功率MOSFET重離子入射后電場(chǎng)變化仿真示意圖(b)Fig.5 Diagram of SEB in SiC MOSFET under scanning electron microscope(a),simulation diagram of electric field variation after heavy ion incident in SiC MOSFET(b)

2018年，Akturk等［32］研 究 了 中 子 誘 發(fā)SiC MOSFET SEB的物理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明：中子的敲除作用會(huì)在器件內(nèi)產(chǎn)生缺陷及二次粒子，進(jìn)而誘發(fā)載流子碰撞電離，對(duì)于SiC MOSFET的SEB退化起決定性作用，并認(rèn)為抑制器件內(nèi)部碰撞電離以及降低器件關(guān)斷狀態(tài)下電場(chǎng)強(qiáng)度是兩種能夠提高SiC MOSFET抗SEB能力的技術(shù)途徑。

同年，Witulski等［33］選用1 200 V SiC MOSFET（Wolfspeed公司，型號(hào)C2M0080120D）開展了重離子輻照SEE實(shí)驗(yàn)。他們采用不同LET值重離子輻照后的結(jié)果如圖6所示，器件SEB閾值電壓會(huì)隨入射離子LET值的增加而顯著降低，而且，當(dāng)LET值大于10 MeV·cm2·mg-1時(shí)，器件的SEB閾值電壓幾乎恒定為額定電壓的一半，該研究結(jié)果與他人研究結(jié) 果 比 較 統(tǒng) 一［25，29-30］。利 用 計(jì) 算 機(jī) 輔 助 設(shè) 計(jì)（Technology Computer Aided Design，TCAD）軟件模擬SEB退化過程的結(jié)果表明，SEB損傷閾值與粒子入射位置密切相關(guān)，而引起電性能退化的整個(gè)過程主要與寄生BJT的開啟機(jī)制有關(guān)。

圖6 1 200 V SiC MOSFET SEB閾值電壓與離子束LET的關(guān)系Fig.6 Relationship between SEB bias threshold voltages for 1 200 V SiC MOSFET and the LET values of ion beams with comparison of 3D TCAD SEB simulations to measured data by different researchers

2018年，Ikpe等［27］選取了來自4個(gè)不同制造商、閾值電壓為900～3 300 V不等的8款SiC MOSFET開展了重離子LET值對(duì)SEB響應(yīng)的影響研究，結(jié)果如圖7所示。當(dāng)LET值及偏壓均較低時(shí)，器件未發(fā)生任何退化，但當(dāng)源-漏偏壓VSD增加到一定值后便會(huì)瞬間引發(fā)SEB；而且，當(dāng)LET略微大于10 MeV·cm2·mg-1（SiC）后，利用PIGS幾乎測(cè)試到所有器件都發(fā)生了IGSS的增加。研究結(jié)果表明：當(dāng)LET大于一定值后，隨源-漏偏壓的增大，器件均經(jīng)歷了非永久性退化、柵極潛在損傷、漏-柵極漏電流IDG主導(dǎo)退化、源-漏極漏電流IDS主導(dǎo)退化以及最終的SEE這一系列過程。但與前人結(jié)論不同的是，Ikpe認(rèn)為寄生BJT并沒有參與到SiC MOSFET SEB誘發(fā)機(jī)制中。因?yàn)橄啾萐i基MOSFET，SiC MOSFET需要更高的電壓才能開啟寄生BJT，這也符合文獻(xiàn)［27，34］中關(guān)于寄生BJT在SiC MOSFET SEB產(chǎn)生過程中所起作用較小的結(jié)論。

圖7 MOSFET對(duì)不同離子束響應(yīng)的柱圖Fig.7 Column plot of MOSFET responses to different ion beams

2019年，Martinella等［35］研究了重離子輻照SiC MOSFET的電流傳輸機(jī)制，并提出了重離子輻照SiC MOSFET退化的電流輸運(yùn)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)源-漏偏壓VDS較低時(shí)，重離子輻照導(dǎo)致的漏電流路徑是從漏到柵極；當(dāng)源-漏偏壓VDS較高時(shí)，漏電流路徑是從漏到源極（圖8），與Lauenstein團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果［27］一致。同時(shí)，他們還測(cè)到高LET值Xe離子引發(fā)SiC MOSFET的漏電流比Fe離子引發(fā)的高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖8 在輻照過程中柵極和漏極泄漏電流隨注量的變化規(guī)律Fig.8 The variation of gate and drain leakage current with injection amount during irradiation

2020年，該團(tuán)隊(duì)［36］又采用焦點(diǎn)為500 nm的重離子微束研究了SiC垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Vertical Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，VDMOSFET）的漏電敏感區(qū)及退化機(jī)制，并繪制出可解釋SiC VDMOSFET SEB退化的曲線（圖9）。相比于文獻(xiàn)［27］的研究結(jié)果，該研究發(fā)現(xiàn)SiC VDMOSFET漏電流退化遵循一定的空間周期性，且漏電流主要貢獻(xiàn)區(qū)會(huì)隨源-漏偏置升高逐漸從柵氧層下的JFET區(qū)轉(zhuǎn)移到pn結(jié)區(qū)，這與文獻(xiàn)［27，34］中的論述對(duì)應(yīng)，即當(dāng)源-漏偏置升高后主導(dǎo)的漏電流從漏-柵電流IDG轉(zhuǎn)化為漏-源電流IDS。

圖9 重離子輻照過程中SiC MOSFET SEB過程與漏-源電壓VDS的關(guān)系Fig.9 The SEB processing for SiC power MOSFET as a function of the drain-source bias VDS during the heavy ion irradiation

同年，Ball等［37］針對(duì)二極管和MOSFET類似的SEB特性，重新研究了寄生BJT在引發(fā)SEB機(jī)制中的作用，并采用三維數(shù)值模擬的方法，對(duì)具有相同外延層結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET和二極管的臨界擊穿電場(chǎng)進(jìn)行了分析。該模擬結(jié)果同文獻(xiàn)［31］一樣否定了寄生BJT在SiC MOSFET SEB中的關(guān)鍵作用，顯示出當(dāng)離子入射后電場(chǎng)的重新分布，并在外延/襯底界面，即pn結(jié)處出現(xiàn)峰值。同時(shí)，碰撞誘導(dǎo)電流脈沖發(fā)生在幾十皮秒的尺度內(nèi)，在如此短時(shí)間內(nèi)不會(huì)因二極管和MOSFET結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果。由于離子誘導(dǎo)的高局域態(tài)能量脈沖作用，外延/襯底界面處較大的電場(chǎng)也顯著增強(qiáng)了碰撞電離，這些共性導(dǎo)致重離子輻照MOSFET和二極管出現(xiàn)了比較一致的SEB退化現(xiàn)象。

截至目前，國(guó)外對(duì)于束流條件，如粒子種類、LET值、束流注量以及偏壓等因素對(duì)SiC MOSFET SEE影響的研究較多，而關(guān)于器件工作溫度影響的研究雖然開展較早，但僅有少量可參考文獻(xiàn)，研究數(shù)據(jù)相對(duì)較少。從1996年開始，Mouret等［38］就研究了溫度對(duì)功率MOSFET SEB和SEGR的影響，在研究中主要是驗(yàn)證了高溫可提高SEGR閾值電壓、降低功率SEGR敏感度。2011年，Morand等［39］基于質(zhì)子加速器和脈沖激光模擬輻照技術(shù)，研究了功率MOSFET的SEB溫度敏感性（圖10），實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，功率MOSFET高溫下SEE敏感度降低，表現(xiàn)為SEB截面的減小和安全工作區(qū)的增大。

圖10 不同能量的質(zhì)子橫截面與溫度的關(guān)系Fig.10 Relationship between proton cross sections of different energies and temperature

對(duì)于不同入射傾角的仿真結(jié)果顯示漏電流與入射傾角θ之間并非簡(jiǎn)單的1/cosθ的關(guān)系。2018年，Lauenstein等［28］還 觀 測(cè) 了SiC MOSFET經(jīng)1 137 MeV高能重離子Xe不同入射角度輻照之后的漏電流變化。他們發(fā)現(xiàn)漏-源電流IDS、漏-柵電流IDG均隨粒子注量的變化而改變（圖11），在垂直入射和45°傾斜角度情況下IDS的變化幾乎無差別，而IDG則滿足角度的余弦關(guān)系。

圖11 不同入射角度下，SiC MOSFET IDS(a)及IDG(b)隨1 137 MeV Xe離子注量的變化Fig.11 Change in IDS(a)and IDG(b)leakage current as a function of 1 137 MeV xenon fluence at different angles

對(duì)比不同類型粒子輻照SiC MOSFET單粒子效應(yīng)的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，幾乎全部肯定了粒子入射之后導(dǎo)致的電場(chǎng)漂移和載流子碰撞電離對(duì)誘發(fā)SEB的貢獻(xiàn)，與Si基MOSFET的SEB機(jī)制中BJT的作用存在明顯不同。但是，由于不同粒子的電離作用及非電離作用的不同，不同粒子對(duì)SiC MOSFET單粒子效應(yīng)之間的等效關(guān)系還需要更多研究。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)SiC MOSFET商業(yè)應(yīng)用起步較晚，因而關(guān)于其SEE的研究數(shù)據(jù)也相對(duì)匱乏。當(dāng)今時(shí)代的中國(guó)，隨著電動(dòng)汽車、高鐵、核電站等領(lǐng)域的快速發(fā)展，成為了全球最大的SiC功率器件市場(chǎng)。與此同時(shí)，我國(guó)核能與航天事業(yè)快速發(fā)展，但SiC MOSFET SEE敏感度較高的問題卻極大限制了其輻射應(yīng)用，進(jìn)而制約了未來深空探測(cè)的發(fā)展。因此，開展SiC MOSFET SEE物理機(jī)制及抗輻射加固技術(shù)的深入研究迫在眉睫。

早在2004年，中國(guó)原子能科學(xué)研究院開展了Si基MOSFET在不同VDS和VGS條件下的SEB研究［40］。在單一重離子輻照實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，也對(duì)16O、35Cl、79Br離子及高剝離態(tài)127I離子的SEB截面進(jìn)行了測(cè)試，并得到了SEB截面隨LET值的變化曲線。結(jié)果表明：對(duì)35Cl、79Br離子，只有在較高VDS下才會(huì)發(fā)生SEB；而因?yàn)楦邉冸x態(tài)127I具有足夠高的能量和LET值，即使在VDS較低時(shí)127I也可引起較高的SEB截面。此外，隨著Si基功率器件工藝、結(jié)構(gòu)的不斷完善，其應(yīng)用場(chǎng)景不斷具體化。Si基MOSFET在600 V以下功率應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，但是高于該電壓的狀態(tài)一般采用IGBT結(jié)構(gòu)，然而Si IGBT對(duì)SEL非常敏感，空間應(yīng)用價(jià)值很低。目前，國(guó)內(nèi)多所高校和研究院所根據(jù)Si基功率器件的應(yīng)用需求也開展了諸多器件輻射效應(yīng)及抗輻照技術(shù)的研究工作。關(guān)于Si功率器件單粒子效應(yīng)機(jī)制及異同性也較清晰，Si功率二極管的SEB更多受離子誘導(dǎo)產(chǎn)生的峰值電場(chǎng)導(dǎo)致的碰撞電離影響，而Si基MOSFET的SEB則更多受寄生BJT的影響［41］。

截至目前，對(duì)Si基MOSFET SEE的研究已較為全面，也形成了從地面模擬輻照技術(shù)、分析測(cè)試方法、抗輻照加固技術(shù)以及性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等全方位的技術(shù)體系。但Si基功率器件逐漸達(dá)到其性能極限，未來可能無法滿足更高的性能要求；與此同時(shí)，SiC功率器件憑借多項(xiàng)優(yōu)異的性能異軍突起，有望應(yīng)用于新一代航天器的電推進(jìn)系統(tǒng)中。為了早日實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET的國(guó)產(chǎn)替代，我國(guó)多家科研單位在21世紀(jì)初及時(shí)開展了SiC MOSFET技術(shù)及應(yīng)用的相關(guān)研究，其中包括西北核技術(shù)研究院、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中國(guó)航天科技集團(tuán)、中國(guó)電子科技集團(tuán)以及電子科技大學(xué)等科研院所和高校。

2016年，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所王 敬 軒 等［42］研 究 了Br、I、Au重 離 子 輻 照SiC MOSFET后誘發(fā)SEB和SEGR的物理機(jī)制。根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，相比于SEB，SiC MOSFET更容易發(fā)生SEGR，而且其損傷閾值會(huì)隨重離子LET值增大而降低。最后，他們結(jié)合器件SEE退化特征認(rèn)為改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)或更換高K柵介質(zhì)可以提高其抗輻射能力。

表1 SiC MOSFET器件Br、I、Au單粒子輻照結(jié)果Table 1 Single event experiments results of SiC MOSFET according to Br,I,Au ions

2017年，空軍工程大學(xué)劉忠永等［43］利用TCAD軟件，對(duì)基于4H-SiC和6H-SiC材料的兩種VDMOSFET SEB敏感性進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果如圖12所示，4H-SiC基VDMOSFET的SEB閾值電壓相比于6H-SiC基VDMOSFET的SEB閾值電壓更高，表示其抗SEB能力更強(qiáng)。在隨后的研究中他們還發(fā)現(xiàn)［44］，更換高H柵介質(zhì)HfO2對(duì)SEGR有加固作用，而增加溝道參雜濃度可提高器件抗SEB能力。

圖12 4H-SiC(a)及6H-SiC(b)VDMOSFET SEB前后的漏極電流Fig.12 Drain currents of 4H-SiC(a)and 6H-SiC(b)VDMOSFET before and after SEB

2019年，北京工業(yè)大學(xué)Zhou等［45］借助TCAD對(duì)SiC MOSFET與Si基MOSFET的SEB敏感性進(jìn)行了仿真，并比較了二者在不同LET值下的安全工作區(qū)。兩種器件重離子輻照下漏電流隨時(shí)間的演化過程如圖13所示?？傮w來說，SiC MOSFET的SEB閾值電壓高于Si基MOSFET。最后，他們認(rèn)為增加緩沖層可以在一定程度上提高SiC MOSFET抗輻照能力。但真正應(yīng)用這種加固技術(shù)，還需要同時(shí)權(quán)衡正向?qū)娮韬蜄叛鯇臃逯惦妶?chǎng)強(qiáng)度兩個(gè)因素，才能保證器件的綜合能力。

圖13 Si和SiC MOSFET在不同條件下隨時(shí)間的漏極電流密度特性Fig.13 Drain current density characteristics vs.time for Si and SiC MOSFET under different conditions

2019年，中國(guó)空間技術(shù)研究院于慶奎等［46］研究了SiC MOSFET及二極管在重離子輻照條件下的SEE退化機(jī)制。由表2所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，SiC MOSFET及二極管器件在重離子輻照條件下的SEB敏感性類似，均在較低工作電壓條件下即發(fā)生SEB。深入分析了SiC功率器件SEB退化規(guī)律，他們認(rèn)為導(dǎo)致SiC功率器件SEE敏感的主要原因不是器件類型而是SiC材料，主要是重離子在SiC器件中引起了材料物理結(jié)構(gòu)上的損傷，導(dǎo)致SiC功率器件SEB敏感性較高。

表2 SiC器件經(jīng)重離子輻照后的測(cè)試結(jié)果Table 2 The result of leakage current increase induced heavy ions for SiC devices

2020年，杭州電子科技大學(xué)林茂等［47］研究了MOSFET結(jié)構(gòu)對(duì)其單粒子效應(yīng)的影響。傳統(tǒng)MOSFET的溝道與器件表面平行，稱為平面柵VDMOSFET；新研制MOSFET的溝道與器件表面垂直，稱為溝槽柵金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（U Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，UMOSFET）。這種設(shè)計(jì)在減小了器件尺寸、增大了單位面積電流密度的同時(shí)，還消除了器件內(nèi)部的JFET區(qū)、降低了導(dǎo)通電阻。通過模擬發(fā)現(xiàn)，溝槽柵UMOSFET不僅擁有優(yōu)異的電學(xué)特性，還擁有更突出的抗輻照特性。文獻(xiàn)［47］基于UMOSFET研制出帶有N島緩沖層的SiC NITG-MOSFET，與SiC UMOSFET性能的對(duì)比結(jié)果如圖14所示?？梢郧逦吹?，新型器件經(jīng)過LET為0.1 pC·μm-1粒子輻照后，SEB閾值電壓提升顯著。在不影響電學(xué)性能的同時(shí)，SiC NITG-MOSFET在襯底/外延層處的電場(chǎng)明顯降低，其碰撞電離特性也顯著提升。通過該仿真還發(fā)現(xiàn)，依據(jù)重離子入射導(dǎo)致的溫度變化來表征SEB，比依據(jù)器件源-漏電流ISD的改變量表征更為準(zhǔn)確。

圖14 功率4H-SiC UMOSFET(a)及NITG-MOSFET(b)的SEB仿真結(jié)果Fig.14 The simulation results of SEB of 4H-SiC UMOSFET(a)and NITG-MOSFET(b)

2021年，湘潭大學(xué)張鴻等［48］基于蒙特卡羅方法對(duì)重離子在SiC中輸運(yùn)過程以及能量損失進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬分析，結(jié)果顯示：重離子在SiC中造成的總能量損失主要是電離能量損失，這部分能量主要導(dǎo)致大量電子空穴對(duì)的產(chǎn)生，且電荷沉積峰值位于離子徑跡中心，也隨入射深度的增加而減?。欢俨糠值姆请婋x能量損失則主要導(dǎo)致了SiC材料內(nèi)晶格原子的移位，產(chǎn)生晶體材料的損傷，在材料中構(gòu)建了電離通道的同時(shí)也影響了材料的熱傳導(dǎo)能力。再結(jié)合锎源、重離子輻照及TCAD模擬等多種方法，從理論上解釋了SiC MOSFET的SEB誘發(fā)過程［49］：偏置電壓會(huì)對(duì)器件內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，局部區(qū)域的高壓大電場(chǎng)作用導(dǎo)致了大電流的產(chǎn)生，進(jìn)而引起過熱，最終則由于非電離能量損失以及電離能量損失的共同作用導(dǎo)致器件發(fā)生燒毀。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)SiC MOSFET SEE的研究和報(bào)道仍舊是以基于TCAD、Geant4等軟件的模擬計(jì)算為主［50］；基于加速器、放射源等開展的輻照實(shí)驗(yàn)研究較少，主要是受限于加速器模擬輻照技術(shù)相關(guān)配套設(shè)施的建設(shè)；常見的模擬輻照研究工作，也主要集中于SiC MOSFET及功率二極管單粒子效應(yīng)的重離子輻照實(shí)驗(yàn)。而天基等實(shí)際工作環(huán)境下的輻照實(shí)驗(yàn)?zāi)壳叭悦媾R實(shí)驗(yàn)成本過高、實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)難得、實(shí)驗(yàn)周期過長(zhǎng)等問題，尚不能作為常規(guī)研究手段。雖然實(shí)驗(yàn)室加速器輻照、輻射源輻照等地面模擬輻照方法已經(jīng)逐漸能產(chǎn)生多種類型、多種能量的高能粒子，但其與真實(shí)輻照環(huán)境仍存在（諸如粒子能譜、粒子峰值能量、粒子類型等）多個(gè)方面的區(qū)別；而激光模擬、軟件模擬等手段，許多參數(shù)都與真實(shí)環(huán)境存在差別［51-52］。目前已經(jīng)形成的輻照效應(yīng)等效模型只關(guān)注于效應(yīng)或結(jié)果的部分方面，但等效關(guān)系不僅需在作用結(jié)果中進(jìn)行等效，還應(yīng)該體現(xiàn)在作用類型上。故地面加速器輻照實(shí)驗(yàn)雖然機(jī)時(shí)稀缺、等效模型也不完美，但仍是當(dāng)前研究SiC MOSFET SEE機(jī)理機(jī)制及抗輻照性能評(píng)估最可行可靠、最貼近現(xiàn)實(shí)的研究手段。隨著綜合技術(shù)的發(fā)展，一些數(shù)值模擬方法及物理模型逐漸被建立并完善。借助這些模型，可逐漸修正地面加速器模擬輻照環(huán)境與真實(shí)輻照環(huán)境之間在時(shí)間尺度、能量尺度、空間尺度等方面的差異，建立出可信度較高的等效關(guān)系［16-17，53-55］。

4 SiC MOSFET SEE加固及性能評(píng)估現(xiàn)存問題

首先，世界上仍沒有針對(duì)SEB及SEBR有效的錯(cuò)誤率預(yù)估方法，這主要是因?yàn)獒槍?duì)SiC MOSFET SEE機(jī)理研究的最劣輻照實(shí)驗(yàn)條件沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：關(guān)于入射粒子種類、入射角度、粒子注量、工作溫度等因素的評(píng)估條件也尚無可靠統(tǒng)一的研究結(jié)果。因此，為了加快SiC MOSFET SEE機(jī)理及加固評(píng)估等方面的研究步伐，建立廣泛且統(tǒng)一的SiC MOSFET性能評(píng)估技術(shù)體系，目前的首要任務(wù)是完善配套的加速器地面模擬輻照試驗(yàn)技術(shù)。

然后，由于SiC MOSFET整體的抗輻照性能受到材料類型、材料質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)、流片和封裝工藝等過程中多種因素的影響，因此開展SiC MOSFET SEE性能退化的研究十分困難，也產(chǎn)生諸多亟待揭示的物理現(xiàn)象。例如，輻照誘發(fā)各類損傷的微觀演變過程、輻照微損傷對(duì)器件長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性的危害、微損傷引起的各類宏觀電學(xué)性能參數(shù)的退化、以及電學(xué)參數(shù)隨時(shí)間、偏壓、溫度等工作條件的具體演化過程等，這些是SiC MOSFET SEE機(jī)制研究中必須解決的問題，對(duì)于SiC MOSFET性能評(píng)估也具有重要的意義。

同時(shí)，關(guān)于SiC MOSFET抗輻照加固的研究較少，也缺乏有針對(duì)性的加固技術(shù)。傳統(tǒng)針對(duì)Si基MOSFET抗SEB和SEGR的加固技術(shù)大多以調(diào)整柵氧化層厚度和介質(zhì)材料，或擴(kuò)展P+源區(qū)優(yōu)化寄生BJT的參數(shù)等為主，這些方法可以降低Si器件的寄生晶體管效應(yīng)［47］；或者也可以通過改善N區(qū)緩沖層以降低襯底/外延結(jié)處的電場(chǎng)強(qiáng)度和碰撞電離［56］。但是，調(diào)整柵氧化層厚度和介質(zhì)材料也對(duì)氧化層材料的耐壓性能提出更高的要求，而對(duì)寄生BJT參數(shù)的優(yōu)化則通常以犧牲器件電學(xué)性能為代價(jià)。這也導(dǎo)致應(yīng)用此類技術(shù)制備的抗輻照加固Si基MOSFET性能通常落后于同期普通商用器件約兩代左右，因此也無法很好滿足核能與航天任務(wù)中對(duì)器件高壓、高速等性能的要求，且這些技術(shù)對(duì)于SiC基功率器件的有效性也有待驗(yàn)證。

最后，關(guān)于SiC電路或系統(tǒng)級(jí)器件的研究也需要提上日程?；赟i基功率MOSFET的降壓變換器、探測(cè)器等性能突出，但其工作狀態(tài)又受輻照劑量、溝道類型、柵極電壓、工作頻率等因素影響嚴(yán)重［57-58］。未來，SiC MOSFET憑借多項(xiàng)物理性能的突出優(yōu)勢(shì)，極有可能在諸多場(chǎng)合替代傳統(tǒng)Si基器件。但由于各種SiC功率器件應(yīng)用場(chǎng)景不同，目前針對(duì)SiC基功率二極管及MOSFET等分立器件的單粒子效應(yīng)研究居多。而由于應(yīng)用相對(duì)較窄，針對(duì)IGBT、GTO等類型SiC功率器件和SiC電路或系統(tǒng)級(jí)器件單粒子效應(yīng)的研究則相對(duì)較少。研究表明，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)、材料類型、集成度等不斷發(fā)展，器件的單粒子效應(yīng)敏感性和機(jī)理都在隨之改變。隨著半導(dǎo)體器件和集成電路的發(fā)展，未來SiC輻射環(huán)境應(yīng)用也一定會(huì)隨之增加。因此，對(duì)于SiC電路或系統(tǒng)輻射效應(yīng)的研究也具有非常重要的意義。

5 結(jié)語

面對(duì)核能和空間飛行技術(shù)的飛速發(fā)展，各國(guó)都高度關(guān)注SiC功率器件的發(fā)展。無論在民用或軍用領(lǐng)域，我國(guó)都擁有全球最大的SiC功率器件的應(yīng)用市場(chǎng)，所以SiC功率器件高度依賴進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)替代嚴(yán)重不足已經(jīng)成了必須面對(duì)的問題。同時(shí)，隨著SiC MOSFET在輻射環(huán)境下的應(yīng)用需求不斷增加，其應(yīng)用前景被廣泛看好。但因?yàn)镾EB、SEGR等問題嚴(yán)重影響了SiC MOSFET的可靠性，甚至?xí)?duì)單個(gè)分立器件，乃至整個(gè)電子系統(tǒng)產(chǎn)生致命威脅，使得SiC MOSFET真正廣泛應(yīng)用于核能與太空探索領(lǐng)域仍任重而道遠(yuǎn)。

作為新生于21世紀(jì)第三代半導(dǎo)體功率器件，SiC在理論上具備非常好的抗輻射能力，而實(shí)際上卻并非如此。而且，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于SiC MOSFET SEE機(jī)理及相應(yīng)抗輻照加固技術(shù)等研究尚不充分，使其尚不能在輻射環(huán)境下實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，為保障我國(guó)核和空間事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，亟需針對(duì)新型SiC MOSFET開展以下研究工作：1）新型SiC MOSFET加速器地面模擬輻照試驗(yàn)技術(shù)；2）SiC MOSFET SEE退化規(guī)律及物理機(jī)制；3）針對(duì)新型SiC MOSFET的抗輻照加固技術(shù)。以上研究?jī)?nèi)容前后承接、息息相關(guān)，其順利實(shí)施不但能為我國(guó)核工業(yè)和空間事業(yè)的順利進(jìn)行保駕護(hù)航，也將大大推進(jìn)我國(guó)SiC MOSFET等功率器件的國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程。

作者貢獻(xiàn)聲明劉翠翠提出編寫思路，并負(fù)責(zé)論文起草、修改的主要工作；郭剛負(fù)責(zé)審核、把關(guān)論文的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性；李治明負(fù)責(zé)搜集參考文獻(xiàn)，以及起草、修改論文的部分內(nèi)容；張付強(qiáng)負(fù)責(zé)搜集參考文獻(xiàn)，指導(dǎo)論文編寫；陳啟明負(fù)責(zé)指導(dǎo)論文編寫；韓金華負(fù)責(zé)參考文獻(xiàn)中部分?jǐn)?shù)據(jù)的分析；楊新宇負(fù)責(zé)搜集參考文獻(xiàn)。