馮皓楠,楊 圣,梁曉雯,張 丹,蒲曉娟,孫 靜,魏 瑩,崔江維,李豫東,余學(xué)峰,*,郭 旗
(1.中國科學(xué)院 特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830011;2.中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所,新疆電子信息材料與器件重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830011;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
碳化硅功率場效應(yīng)管(SiC VDMOS)所具有的高功率、低損耗及高頻等方面的優(yōu)異性能,使其在航天、電廠及惡劣環(huán)境的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用[1-2]。然而由于空間中的惡劣輻射環(huán)境,至少在目前來說其在空間的應(yīng)用方面還面臨著總劑量電離效應(yīng)(TID)、單粒子效應(yīng)(SEE)、位移損傷效應(yīng)等造成的器件電學(xué)參數(shù)退化、甚至功能失效等問題[3-5]??倓┝侩婋x輻射導(dǎo)致的SiC VDMOS動態(tài)特性變化是SiC VDMOS輻射損傷的一個重要問題。SiC VDMOS常被用于高電壓、高頻率開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。目前我國輸電產(chǎn)生的電能損耗占整個輸電量的5%~10%,在日常生活中約有70%的電能需要通過功率半導(dǎo)體進行處理才能使用[6-7],隨著功率密度的增加,系統(tǒng)總體中熱設(shè)計的部分比重將會提升至16%~25%,系統(tǒng)中對于熱損耗的控制也變得越來越重要。器件的熱積累主要發(fā)生在晶體管開啟關(guān)斷的瞬態(tài)[8-9],輻射如果導(dǎo)致器件的開關(guān)響應(yīng)延長,就會增加熱積累風(fēng)險。與其他低壓器件不同,輻射損傷造成的功率器件開關(guān)時間的延長不僅會導(dǎo)致器件頻率響應(yīng)特性變差,還會增加器件短路電流沖擊時間及產(chǎn)生較大的能源損耗問題,嚴重情況下還將造成器件壽命的縮短,甚至功能失效。
雖然目前大量研究表明SiC基MOS器件和柵氧層較厚的Si基MOS器件在靜態(tài)參數(shù)輻射損傷效應(yīng)方面有很多相似之處,其變化都是由于電離輻照在器件的Si/SiO2或SiC/SiO2界面及SiO2層中誘發(fā)產(chǎn)生并積累了氧化物正電荷和界面態(tài),導(dǎo)致了器件轉(zhuǎn)移特性曲線(Ids-Vgs)負漂、閾值電壓(Vth)下降、漏電流(IDSS)增大[10-14]。在動態(tài)參數(shù)的輻射效應(yīng)方面,總劑量輻射環(huán)境中普通Si基MOS器件的開關(guān)特性變化也被認為是由Si/SiO2界面及SiO2層中輻射產(chǎn)生的氧化物正電荷和界面態(tài)引起,因此與亞閾特性的斜率變化、特別是閾值電壓的漂移具有直接的相關(guān)性[4,15-16],但馮皓楠等[17]初步研究表明:由于SiC VDMOS的SiC/SiO2界面遠比Si/SiO2界面復(fù)雜,這將導(dǎo)致其在生產(chǎn)過程中更易產(chǎn)生界面陷阱電荷[18]。同時,作為槽型柵結(jié)構(gòu)的VDMOS其本身相對于普通平面結(jié)構(gòu)的MOSFET會存在著更為復(fù)雜的寄生電容結(jié)構(gòu),這都將可能對器件的動態(tài)性能產(chǎn)生一定的影響。因此,輻照導(dǎo)致SiC VDMOS動態(tài)參數(shù)的退化并不完全取決于其靜態(tài)參數(shù)的改變。在常規(guī)開關(guān)特性上,國內(nèi)外已有相關(guān)文獻針對SiC VDMOS在具體工作環(huán)境下對寄生電感和非線性特性的敏感性展開了初步研究[19-21]。文獻[16,22]采用總劑量輻射對SiC VDMOS的結(jié)構(gòu)電容的影響進行了研究,但相關(guān)研究均未在SiC VDMOS的動態(tài)響應(yīng)的輻射損傷上進行進一步研究。馮皓楠等[17]雖然比較了總劑量輻射環(huán)境中的SiC功率器件動態(tài)和靜態(tài)特性,但缺乏更多樣本、更多參數(shù)及包括退火過程在內(nèi)的進一步試驗驗證,尤其缺乏對導(dǎo)致兩者差異原因的進一步理論分析。
本文對比研究商用高功率大電流650 V、39 A SiC MOSFETs器件在正、負柵偏和零偏下TID效應(yīng)對其動態(tài)參數(shù)的影響。采用動態(tài)參數(shù)和靜態(tài)特性相結(jié)合的方式進行分析,結(jié)合器件常規(guī)應(yīng)力下的退化特征,找到TID效應(yīng)造成SiC VDMOS動、靜態(tài)參數(shù)退化規(guī)律及機制產(chǎn)生差異性的主要因素,為SiC VDMOS動態(tài)輻射損傷的研究提供指導(dǎo)。
試驗器件是日本ROHM公司生產(chǎn)的39 A、650 V N型SiC VDMOS(SCT3060ALHRC11)。圖1為典型尺寸的溝槽柵VDMOS的三維示意圖。試驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進行,輻照源選擇60Co,劑量率為50 rad(Si)/s。在常溫下以不同偏置(柵源電壓Vgs=-5、0、20 V,漏極和源極接地)對樣品輻照至100 krad(Si)。
圖1 溝槽柵VDMOS的三維結(jié)構(gòu)示意圖[23]Fig.1 3D structure diagram of trench-structure VDMOS[23]
采用Keithley 4200A-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)檢測輻照前后亞閾值Ids-Vgs曲線,定義Vth為曲線Ids=10-5A的Vgs。使用BC3193半導(dǎo)體分立器件測試系統(tǒng)依據(jù)器件數(shù)據(jù)表的要求在Vgs=18 V且Ids=13 A時對導(dǎo)通電阻(RDS(ON))進行測試,在Vgs=22 V時對柵源泄漏電流(IGSS)進行測試。使用Agilent DSO-X-2024A示波器依據(jù)MIL-STD-750/3472標準,測量器件開關(guān)響應(yīng)參數(shù):開啟時間ton、開啟延遲時間td(on)、上升時間tr、關(guān)斷時間toff、關(guān)斷延遲時間td(off)、下降時間tf。輻照試驗和開關(guān)響應(yīng)測試的條件列于表1。
表1 輻照試驗和開關(guān)響應(yīng)測試的條件Table 1 Condition for irradiation experiment and switching response test
在進行總劑量電離試驗時,器件的開關(guān)響應(yīng)曲線中柵極驅(qū)動電壓和漏極輸出電壓分別通過高壓探頭被Agilent DSO-X-2024A示波器檢測,分別在0、10、30、50、70、100 krad(Si)進行移位測試。圖2為正柵Vgs=20 V偏置時SiC VDMOS柵極驅(qū)動電壓曲線和漏極輸出電壓曲線隨累積總劑量的變化。在累積劑量達到100 krad(Si)時,3種偏置中只有正柵偏置失去了開關(guān)特性,因此,圖2中100 krad(Si)的曲線并未顯示??煽吹?,輻照后器件的柵極驅(qū)動電壓分別在0~200 ns和2 600~2 800 ns的米勒平臺區(qū)出現(xiàn)了延滯,并隨著累積劑量的增大變得更加惡劣。與此同時隨著累積輻照劑量的增大,關(guān)斷過程變緩,Ldi/dt變小,導(dǎo)致器件在關(guān)斷末端的脈沖電壓峰值也在降低,其中,L為繞圈的自感系數(shù),di/dt為電流對時間的變化率。
a——驅(qū)動電壓;b——輸出電壓圖2 SiC VDMOS在正柵偏置下隨累積輻照劑量電壓曲線變化Fig.2 Voltage curve of SiC VDMOS under positive gate bias change with cumulative irradiation dose
a——開關(guān)響應(yīng);b——轉(zhuǎn)移特性圖3 累積輻照劑量點達到70 krad(Si)時3種偏置下SiC VDMOS電學(xué)特性曲線變化Fig.3 When cumulative dose point of irradiation reaches 70 krad(Si),electrical characteristic curves of SiC VDMOS with three biases
對比3種偏置受到總劑量輻照后仍未失去開關(guān)特性時的開關(guān)響應(yīng)曲線及轉(zhuǎn)移特性曲線,發(fā)現(xiàn)不同柵極偏置對于器件開啟響應(yīng)和轉(zhuǎn)移特性的影響。圖3為累積輻照劑量點達到70 krad(Si)時3種偏置下SiC VDMOS開關(guān)響應(yīng)的變化曲線和轉(zhuǎn)移特性的變化曲線。可看出,3種偏置中動態(tài)開關(guān)的輻射損傷程度對于柵極偏置的依賴性和靜態(tài)參數(shù)中轉(zhuǎn)移特性曲線對于柵極偏置的依賴性極其相似。3種偏置輻照后,正柵偏置下器件的關(guān)斷響應(yīng)時間會驟增,負柵偏置其次,零偏最弱。這與器件在不同柵極偏置輻照后的靜態(tài)參數(shù)的退化規(guī)律一致。
依據(jù)MIL-STD-750/3472標準,測量器件開關(guān)響應(yīng)參數(shù),并在轉(zhuǎn)移特性曲線中提取閾值電壓。圖4為隨累積總劑量的增大3種偏置輻照時器件開啟時間和關(guān)斷時間與閾值變化的對比。隨著累積劑量的增大,3種偏置的開啟時間(ton)并未發(fā)生大幅度的變化,其中變化最劇烈的正柵偏置在累積劑量到達70 krad(Si)時從99 ns的初始標準值降低到66 ns。與ton不同的是,在此偏置和劑量點下關(guān)斷時間(toff)從140 ns的初始標準值提升到313 ns。
a——開啟響應(yīng);b——關(guān)斷響應(yīng)圖4 SiC VDMOS在3種偏置下隨累積輻照劑量的閾值變化與響應(yīng)時間變化對比Fig.4 Comparison of threshold change and response time change of SiC VDMOS with accumulation irradiation dose under three biases
在累積輻照劑量達到100 krad(Si),本文對3種偏置的器件進行常溫環(huán)境下168 h的退火試驗,圖5為常溫168 h退火后SiC VDMOS 3種偏置的輸出電壓變化曲線。可看到,正柵偏置器件在經(jīng)過168 h常溫退火后重新具有了一定的開關(guān)特性,這是由于柵氧中的氧化物陷阱電荷部分復(fù)合導(dǎo)致器件獲得了阻斷特性。另外兩種偏置的開關(guān)特性也在168 h退火后得到了部分恢復(fù),均表現(xiàn)為關(guān)斷時間略微降低。
圖5 常溫168 h退火后SiC VDMOS3種偏置的輸出電壓變化曲線Fig.5 Output voltage variation curve of SiC VDMOS with three biases after 168 h annealing at room temperature
為了更好地解釋SiC VDMOS動態(tài)輻射損傷中的開關(guān)特性變化,本文進一步對于器件的導(dǎo)通電阻及柵極泄漏電流進行測試。圖6為3種偏置下器件的電學(xué)參數(shù)隨累積輻照劑量的變化。從測試結(jié)果來看,隨著輻照劑量的積累,器件中柵極氧化物積累帶正電荷的氧化物陷阱電荷,這些帶正電荷的缺陷會在半導(dǎo)體表面吸引電子,增加表面電子濃度,從而降低器件RDS(ON),RDS(ON)并未出現(xiàn)特殊的變化。與此同時總劑量輻射對于柵氧的泄漏電流也并未產(chǎn)生影響,這和以往的研究結(jié)果是一致的。結(jié)果表明,在本次試驗中總劑量電離輻照并未對器件的柵氧和襯底產(chǎn)生位移類缺陷性質(zhì)的損傷,由此,本文回到總劑量電離輻射對柵氧產(chǎn)生的陷阱電荷來展開進一步的分析。
在總劑量電離試驗中,γ射線在柵極氧化物中產(chǎn)生電子-空穴對,圖7為具有正柵偏壓的MOS電容器的能帶圖[10],其展示了輻射誘導(dǎo)電荷產(chǎn)生的主要過程。相關(guān)研究表明,在零偏狀態(tài)下,柵極氧化中的電子和空穴自由復(fù)合,因此柵極氧化物中積累的陷阱電荷較少。由于柵極施加電場時會加速柵氧中空穴或電子的偏移,因此正、負柵極偏置下柵極氧化物陷阱電荷會不同程度的加速積累。SiO2中空穴遷移率遠低于電子遷移率,在正柵偏輻照時電子漂移速率遠大于負柵偏輻照時空穴漂移速率,進而部分空穴被氧空穴俘獲形成帶正電荷氧化陷阱電荷[10-11]。
a——導(dǎo)通電阻;b——柵極泄漏電流圖6 3種偏置下器件的電學(xué)參數(shù)隨累積輻照劑量的變化Fig.6 Variation of electrical parameter of device with accumulation irradiation dose under three biases
圖7 具有正柵偏壓的MOS電容器的能帶圖[10]Fig.7 Band diagram of MOS capacitor with positive gate bias[10]
器件柵氧中帶正電的陷阱電荷在導(dǎo)致閾值降低的同時,也會對器件的耗盡層產(chǎn)生一定影響。圖8為柵氧摻雜密度為1×1012cm-2帶正電的陷阱電荷前后器件耗盡層的變化情況??煽闯?,在柵氧中注入的正電荷等效于在柵極添加額外的正壓偏置。對于SiC VDMOS縱向器件,反饋電容Cgd可近似看作JFET的區(qū)電容。
(1)
式中:εox為氧化層介電常數(shù);εs為空間電荷區(qū)介電常數(shù);Sj為JFET區(qū)總面積;tox為柵氧厚度;td為耗盡層厚度。
隨著輻照的累積,氧化層的正電荷缺陷變多,耗盡層厚度變薄,在低漏源電壓Vds偏置條件下Cgd不斷增大,這將導(dǎo)致米勒平臺區(qū)域的延滯逐步加強。同時,在高Vds偏置條件下,耗盡層厚度不斷變大,Cgd趨于飽和[24]。一方面,由于米勒平臺區(qū)域的延滯,器件在開啟和關(guān)斷過程中對于柵極電容的充電和放電過程將會更為緩慢,器件的開啟響應(yīng)和關(guān)斷響應(yīng)隨之延長;另一方面,閾值的降低往往會使器件溝道區(qū)提前進入反型區(qū),從而更快地使器件提前開啟和延遲關(guān)斷。SiC VDMOS在經(jīng)過總劑量電離輻照后開關(guān)特性中開啟和關(guān)斷響應(yīng)的退化程度的差異性很有可能是由于上述兩種原因的同時作用而導(dǎo)致的。
a——柵氧未摻雜陷阱電荷;b——柵氧摻雜帶正電的陷阱電荷[24]圖8 器件的耗盡層情況Fig.8 Depletion layer condition of device
隨60Co γ射線輻照時累積劑量的增加,3種柵極偏置的輻照均會導(dǎo)致器件開啟時間略微縮短,關(guān)斷時間驟增,開關(guān)損耗總體增大。同時,正柵偏置下器件退化最為顯著,負柵偏置其次,零偏最弱。對于器件開啟和關(guān)斷響應(yīng)退化程度的差異性是由以下兩種原因共同導(dǎo)致的。一方面,由于米勒平臺區(qū)域的延滯,器件在開啟和關(guān)斷過程中對于柵極電容的充電和放電過程將會更為緩慢,器件的開啟響應(yīng)和關(guān)斷響應(yīng)隨之延長。另一方面,閾值的降低往往會使器件溝道區(qū)提前進入反型區(qū),從而更快的讓器件提前開啟和延遲關(guān)斷。進一步深化且細致的研究動態(tài)輻射損傷特性對于全面、系統(tǒng)保障SiC功率器件在空間輻射環(huán)境中的可靠性具有重大意義。