今天这篇文章来自川大主要内容是平面栅/沟槽栅SiC MOSFET抗辐射能力对比，
先介绍背景，
航天应用对SiC器件的需求日益增加，相比Si器件，SiC器件对总电离剂量（TID）效应具备更强的抗干扰能力，但对重离子引起的单粒子效应（SEE）较为敏感，
以往研究集中于平面栅SiC MOSFET的单粒子烧毁或单粒子栅穿的失效机理，鲜有平面栅、沟槽栅SiC MOSFET在单粒子漏电方面的对比研究，
这正是本文的意图。
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如上，平面栅、沟槽栅SiC MOSFET器件，左边为平面栅，后称为PG-MOS，右边为沟槽栅，后称为ATG-MOS，
平面栅器件来自Wolfspeed，产品型号C3M0350120D，
沟槽栅器件来自Infineon，产品型号IMW120R140M1H，
实验前进行开盖处理，辐照在冰冷的哈尔滨进行，
辐照源为587 MeV的³⁶Kr离子，仿真得到Kr在4H-SiC中的LET值为37.15MeV·cm2/mg，入射深度48.15μm，
这里解释一下，LET，线性能量转移值，到底是啥意思？
顾名思义，就是重离子在穿过半导体材料时，在单位路径长度上，沉积的能量大小，
可以理解成，LET值越大，重离子在单位长度内撞击出的电子-空穴对越多，产生的初始等离子体柱密度越高，更容易触发后续的雪崩和热失控。
换言之，LET值越大，重离子初始携带能量的转化率越高，
转化成什么能量？
答：器件雪崩、热失控所需的能量。
辐照过程中持续监测栅极电流和漏极电流，当总注量达到1e6 ions/cm2、IDG超过5μA（判定单粒子栅穿） ，或ID超过1mA（判定单粒子烧毁） 。
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不同样品的实验结果如上，
后四列依次为：栅极单粒子漏电、源极单粒子漏电、单粒子栅穿SEGR以及单粒子烧毁SEB，
PG-MOS，这四项依次发生在200V、350V、375V和425V，
ATG-MOS，这四项依次发生在300V、>350V、425V和425V，
相比PG-MOS，ATG-MOS的栅极单粒子漏电的电压余量高出100V，
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典型波形如上，左图为VDS=275V，右图为VDS=350V，
蓝色曲线为PG-MOS，红色曲线为ATG-MOS，
每种器件又分为实线和虚线，实线是IDG（栅漏电流），虚线是ID（漏电流），
通过对比IDG与ID增幅的大小，便能推测物理机制，
比如275V时，PG-MOS的IDG、ID增幅基本相同，表明仅出现栅极单粒子漏电，
而此时ATG-MOS的IDG、ID基本不增加，表明未出现栅极单粒子漏电。
而在350V时，PG-MOS的ID增幅远大于IDG增幅，表明源极单粒子漏电远比栅极单粒子漏电严重，
反观ATG-MOS，ID增幅与IDG增幅相同，表明仅出现栅极单粒子漏电。
且通过右图中的小插图可看到，ATG-MOS的IDG明显小于PG-MOS。
简言之，相同电压下，ATG-MOS对SELC的抵抗能力更强，
而PG-MOS容易在低压下发生栅极SELC，在高压下转为源极SELC。
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IDS与IDG波形如上，左图为VDS=275V，右图为VDS=350V，
类似的分析方法，结论是，
1、SELC会导致永久性漏电流增加，
2、PG-MOS损伤位置随电压升高从栅极区域扩展到源极区域，而ATG-MOS损伤位置更稳定，发生在远离沟道的区域。
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未发生SEB或SEGR的样品，在辐照实验前后，漏电流及BV如上，
纵轴是实验后/实验前的电流比值，直接反映SELC导致的永久性漏电流增长倍数，
BV则反映样品辐照后能否保持高压阻断能力，
仔细看左图，发现作者将其划分为几个区域，
最上方是SEB或SEGR，无样品到此区域，
往下看，依次是Serious、Moderate、Slight以及Negligible，越往上越严重，
对比PG-MOS和ATG-MOS，看得很清楚，
无论实线虚线，PG-MOS漏电都更早、更快的起来，且实验后BV明显退化。
若以进入Serious区为标准，那么ATG-MOS大约需要325V，PG-MOS只需200V，前者的余量多了125V，
直观反映了两种器件抗辐照能力的差异。
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不同漏压下，实验前后Vth和迁移率的变化如上，
可以看到，不同漏压条件下，ATG-MOS的Vth、迁移率变化量几乎一致，
而PG-MOS的迁移率变化量随漏压增大而明显增大，
这现象有两种可能原因，
1、重离子垂直入射到器件，平面MOS和沟槽MOS沟道位置的不同，使得前者沟道被重离子击中的概率远高于后者，
2、ATG-MOS栅极单粒子漏电明显小于PG-MOS。
这就涉及到平面栅or沟槽栅的结构差异了，很有意思。
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电场仿真如上，
先看左图，275V下的栅氧峰值电场随时间变化的结果，
从插图中的GS击穿曲线可推断，栅氧临界场强是10 MV/cm，
PG-MOS的峰值场强远高于10 MV/cm，而ATG-MOS的峰值场强略高于10 MV/cm，
再看右图，275V下、不同位置的电场强度，
ATG-MOS中，仅有小于5%的区域，电场超过10 MV/cm，
PG-MOS中，超过60%的区域，电场超过10 MV/cm，
插图给出了空穴浓度，
ATG-MOS中，空穴可通过高掺杂屏蔽区更顺畅地流向源极，而在PG-MOS中，空穴只能通过浓度较低的P阱流向源极，
因此ATG-MOS栅氧附近的空穴积累程度弱于PG-MOS，这也是前者场强小于后者的原因。
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两种器件的温度分布仿真如上，
结论是——两种器件的漏极电流峰值相近，但PG-MOS的最高峰值温度高于ATG-MOS，
两种器件的寄生NPN晶体管均导通，且峰值电场相近，
但由于高掺杂屏蔽区能阻断部分空穴电流，ATG-MOS中的电流集中程度低于PG-MOS，因此前者具有更强的抗源极单粒子漏电能力。
（b）、（c）两张图还能佐证损伤位置随漏压增大而发生变化，
275V时，两种器件的最高温度均出现在漂移区-衬底界面处，这可能使N-/N+结出现损伤，导致PG-MOS的IDS在高漏压下骤增，
350V时，PG-MOS的最高温度转移至N+/源极接触区，推测金属渗入碳化硅材料，破坏P阱-N+结的阻断能力，导致PG-MOS的IDS在低漏压下便骤增，
然而此时ATG-MOS的最高温度仍然在漂移区-衬底界面处，这证明了该结构的损伤没有随漏压增大而变化。
综合以上分析，得到几点结论，
1、ATG-MOS的抗单粒子漏电能力优于PG-MOS，
2、对ATG-MOS而言，栅极单粒子漏电比源极单粒子漏电更严重，
基于此，考虑改进措施，
在ATG-MOS基础上，可以考虑减少栅极裸露宽度（WEX）、增大底部栅氧厚度（TOXbot）、减小栅宽（WG）等，
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仿真结果如上，以275V下栅氧峰值电场为10MV/cm为标准，
1、WEX降至0，可使栅极单粒子漏电安全辐照电压升至375V，
2、WG减小一半，可使栅极单粒子漏电安全辐照电压升至300V，
3、TOXbot增加2倍、3倍，分别使栅极单粒子漏电安全辐照电压升至425V、550V，
最高效的方法还是增加栅氧厚度，但工艺较复杂。
小结：
1、以Infineon和Wolfspeed产品为例，对比PG-MOS与ATG-MOS的抗辐射能力，
2、SELC会导致永久性漏电流增加，
PG-MOS损伤位置随电压升高从栅极区域扩展到源极区域，而ATG-MOS损伤位置更稳定，发生在远离沟道的区域。
3、若以进入Serious区为标准，那么ATG-MOS大约需要325V，PG-MOS只需200V，前者余量多了125V，表明ATG-MOS的抗单粒子漏电能力优于PG-MOS，
4、不同漏压条件下，ATG-MOS的Vth、迁移率变化量几乎一致，而PG-MOS的迁移率变化量随漏压增大而明显增大，
原因包括沟道位置差异以及栅极单粒子漏电大小差异。
5、对ATG-MOS而言，增加底部栅氧厚度可以有效提升抗辐照能力。
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