摘 要：在超高剂量下，使用10 keV的X射线和3MeV的质子对SiC功率MOSFET中的总电离剂量和位移损伤进行了研究。根据偏置条件及制造工艺的不同，设备的电学响应出现了显著的参数变化。在辐照过程中施加正门偏压时，电学性能下降最为严重，这是由于正电荷在门氧化物中捕获所致。采用最新一代SiC技术的设备表现出较小的亚阈值摆动衰减，这得益于SiC/SiO界面的高质量。而暴露于3MeV质子下的设备则同时出现了电离损伤和位移损伤效应。对SiC功率MOSFET进行的I-V和电容-电压测量表明，存在两种主要的退化机制：1)电离损伤导致的门氧化物及SiC/SiO界面中的电荷捕获；2)位移损伤导致的SiC漂移区的晶格损伤。这会降低这些设备的串联电阻。
一、引言
宽带隙半导体碳化硅(SiC)已成为下一代高效和高功率密度应用中最可行的替代材料，可以取代硅(Si)[1][2]。由于碳化硅具有极高的热传导性，且离子化及缺陷形成所需的能量高于硅，因此该技术非常适合在极端工作环境中使用，包括高温和高辐射环境下的应用[3]。这些优势使得基于碳化硅的电力电子设备非常适合用于航天、航空电子设备、核工业以及高能物理实验领域[4][5][6]。在这些环境中，商用碳化硅电力器件可能会受到总电离辐射剂量的影响，从而导致器件性能下降。
在介电层中存在的电荷，即栅极上的二氧化硅(SiO)[9]。对于几种SiC器件类型，TID效应的影响主要被研究到2Mrad(SiO)的水平[10][11][12][13][14][15]。与其他宽带隙功率技术相比，SiC器件在较高剂量下的TID退化更为严重，例如当承受100Mrad(SiO)的剂量时，AlGaN/GaNHEMTs会出现显著的退化现象[16]。在本研究中，对制造商生产的上一代SiC功率MOSFET进行的研究表明，当承受1.5Mrad(SiO)的剂量时，阈值电压会出现显著的负偏移，而界面陷阱密度则会增加。然而，新一代SiC功率MOSFET在超高剂量下的TID响应仍不清楚，对其的研究可能有助于更好地了解基于SiC的器件中发生的退化机制。高能粒子及其碰撞过程还可能引发位移损伤效应[9]。这种损伤效应会使原子从原来的晶格位置移位，从而产生各种缺陷，如空位、间隙原子以及反位缺陷[17]。其中一些缺陷具有电活性，可以作为陷阱中心发挥作用，从而显著改变半导体的载流子传输特性，如载流子迁移率、载流子浓度以及载流子寿命等[18]。在关于4H-SiC器件中位移损伤效应的研究文献中，大多数研究都将SiC结势垒肖特基二极管和SiC PIN 二极管结构作为SiC辐射探测器来探讨[19][20]。目前，关于4H-SiC功率MOSFET中质子[21][22]、中子[22][23]以及电子[23]引起的位移损伤效应的实验相对较少。晶体管电特性的下降可能与以下因素有关[22]:1)n型漂移区中的载流子损耗由于产生了深acceptor中心;其次，由于产生了Z1/Z2中心，导致载流子的迁移率和寿命下降(带隙位置为E-0.68 eV)，相应的E2能级为E-0.60 eV，E3能级为E-0.72 eV。
这些高能粒子还可能引发破坏性的单事件效应[9]，例如单事件烧蚀效应[24][25][26][27]，以及单事件门断裂效应[28][29]。如果以高LET粒子为例，那么单事件烧蚀效应和单事件门断裂效应才是主要的影响；而对于低LET粒子，如高能中子或质子，则会出现单事件漏电流等非破坏性的单事件效应[4][30][31][32]。因此，对于重离子照射来说，单事件烧蚀效应和单事件门断裂效应可能是主要的影响；而对于低LET粒子，则主要是单事件漏电流这种非破坏性的效应。
这项研究探讨了两种不同代次的商用SiC垂直结构在超高剂量下的TID和DD效应。
在X射线和3MeV质子的作用下，研究了功率MOSFET的性能。在暴露于这些辐射后，对SiC功率MOSFET的静态(I-V)特性和动态电容-电压(C-V)特性进行了研究。I-V测量结果显示，无论是第二代还是第三代MOSFET，阈值电压都出现了显著的负偏移现象，这表明在两次实验中，门氧化物中积累了正电荷，这一点已在第三节中讨论过。此外，在第四章中还展示了使用3MeV质子测试的设备在I-V和C-V特性上出现的退化现象。
二、器件与实验细节
A.被测设备
被测试的设备是由美国Cree/Wolfspeed公司生产的垂直式第二和第三代SiC平面栅MOSFET芯片。这些设备由多个单元组成，这些单元并联连接在一起。图1(a)展示了单个单元的二维示意图，其中两个水平通道区域用红色标出。第二代设备(CPM2-1200-0080B)的R值为80毫欧，沟道间距约为9微米。其栅氧化层由40纳米的SiO构成。推荐的栅源电压范围为-5伏至+20伏，最大栅源电压可达1200伏。第三代设备(CPM3-1200-0075A)的R值为75毫欧，沟道间距更小，栅源电压为-4伏至15伏，同时其SiC/SiO界面质量也得到了改善[33]。一种减少SiC/SiO界面缺陷密度的常见方法是将SiO栅氧化物经过一氧化氮(NO)或一氧化氮(NO)退火处理[35]。这种方法通常能够将缺陷密度降低两个数量级，相比Si/SiO界面的情况要有效得多[34]。
这些裸芯片被直接放置在光束下，以便让芯片表面直接暴露于光束之下。这些器件被焊接在定制的直接键合铜板上，如图1(b)所示。漏极连接是通过焊接的方式实现的。
由于栅极和源极通过直径为300微米的单铝线键合连接在一起，如图1(c)所示。
B.辐射条件与测量设置
进行了两项实验。第一项实验在帕多瓦大学进行，使用了一种10keV的X射线辐照装置，辐照剂量率为3.1 Mrad(SiO)/小时，总辐照时间约为32小时，最终达到100Mrad(SiO)。所有剂量值均以Mrad(SiO)为单位进行计算。在辐照过程中，对这一系列SiCMOSFET器件施加了多种栅极偏置条件。
1)“GND”(电压为0伏)；
2)“半开启状态”(电压为5伏)；
3)“开启状态”(第二代产品的电压为20伏，第三代产品的电压为15伏)；
4)“-V”状态(第二代产品的电压为-5伏，第三代产品的电压为-4伏)。
在四种情况下，栅氧化层中的电场强度(E)的数值通过数值模拟得到：0V/cm、1.0MV/cm、4.7MV/cm和-0.67MV/cm。漏极和源极的电位被设定为0V。经过曝光处理后，所有端点在100摄氏度的温度下被接地，然后对这些器件进行了退火处理，持续24小时。
第二个实验使用的是由帕多瓦的INFN-莱尼亚罗国家实验室的CN加速器提供的质子束。这些质子的动能为3MeV，在SiC材料中的穿透深度可达53微米(根据ECIF模拟[36])。在每次对DUT工作区域进行辐照之前和之后，以及在整个辐照过程中，都会监测质子束的强度。测试了具有R=80兆的二代设备，在
“-”偏压条件下进行测试(电压为20伏)。质子辐照在真空室中进行，辐照剂量率为51.6千拉德/秒，总剂量达到100兆拉德，相当于总能量密度为6.7×10厘米。辐照完成后，设备在室温下保持20伏的偏压状态持续24小时，而在100摄氏度的情况下则持续24小时。
在这两个实验中，I-V静态特性在室温下进行了测量，包括在多个辐照步骤中测量，以及退火处理之后。同样，C-V特性也在室温下进行了测量，包括在辐照前后以及退火处理之后。这些测量是使用KeysightE4990A阻抗分析仪进行的。测试设备为Keysight16047E，用于安装被测设备。选择30kHz的频率作为最佳选择，这样可以避免在较高频率下的寄生效应，同时降低较低频率下的噪声影响[37]。对于每组测试条件，至少测试了两台设备。
C.电气应力影响的评估
用X射线进行辐照，需要大约29小时才能达到100Mrad的剂量(针对SiO)。为了区分由电应力引起的退化与辐照引起的退化，我们在不进行辐照的情况下，对基于SiC的MOSFET器件进行了应力处理，处理时间与进行辐照时的时间相同。
在图2中，该器件在“-”型偏压条件下进行了测试，即处于最高偏压状态下。通常情况下，这些SiC器件具有出色的稳定性，这一点与其他之前的SiC器件相比非常出色[38][39][40]。经过约29小时后，每个测试偏压条件下的阈值电压变化不到8mV，而亚阈值区域的漏电流则有所减小。与辐射引起的效应相比，由应力引起的效应几乎可以忽略不计。详见第三节。
三、实验结果：X射线
A.针对第二代设备的不同偏置条件下的TID响应机制
图3(a)展示了第二代SiC功率MOSFET在饱和状态下的传输特性(I-V曲线)。在100摄氏度的热退火处理下，该器件在偏压为5伏的情况下工作。在辐照过程中，器件的阈值电压出现了负偏移，导致工作点发生显著漂移，在100兆拉姆的辐照后，电流增加了超过2倍。经过退火处理后，SiC器件的部分响应特性恢复了，这表明形成了大量稳定的缺陷。
在线性区域(V=0.1V)下，I-V特性如图3(b)所示。在曝光过程中，曲线向负V值方向移动，这表明在相对较厚的栅氧化层中存在正电荷的捕获现象。这种偏移的幅度在10到100毫拉德之间逐渐减小，表明捕获现象可能已经达到了饱和状态。另一方面，漏电流I的定义为Iat V=-5V。该电流对TID的影响几乎不敏感，这表明栅氧化层的耐受性很好，同时也没有出现与STI相关的效应。通常情况下，在超高剂量下，平面Si基MOS器件会出现这类效应[41][42][43]。与原始测量结果相比，在受到100Mrad的辐射后，I-V曲线并没有出现变化，这表明栅氧化层没有受到任何损伤(即不存在栅极断裂的情况)。
图4展示了辐照过程中偏置条件对TID灵敏度的影响，该图对相关数据进行总结。
各项参数的退化情况如下:1)最大漏流I;2)阈值电压V；3)最大传输导纳g。所有数值都是在线性区域计算的，即V=0.1伏时，而I则是在V=4.5伏时估算得到的。阈值电压Vd被定义为Vd=V/2；Vd是在线性区域(V=0.1伏)取得的，作为I-V曲线在最大一阶导数点时的线性外推在栅压轴上的截距，也就是在g达到最大值时的阈值电压。
图4(a)中的变化趋势显示，在线性工作模式下，电流出现了正向偏移，最大可达190%。当器件在“全偏压”条件下受到100Mrad的辐射后，栅氧化层中的电荷积累达到饱和状态。图4(b)和(c)表明，电流变化的主要因素是由电压的负向偏移引起的，而g参数的退化对电流变化的影响较小。在100Mrad的辐射后，处于“全偏压”条件下的器件，其电压偏移达到了约4.6V；而g参数的变化相对较小，仅为-6%。比较不同偏压条件下辐射过程中的变化，发现在“全偏压”和“半偏压”条件下测试的器件，其温度下降幅度最大，这两种偏压条件下引起的电压变化几乎相同。在“全偏压”和“半偏压”条件下，两者之间的差异很小。
关于这些有偏差的设备并不重要，其数值变化可能由设备间的差异引起。在这两种情况下，它们的数值都是1伏。
在剂量超过10Mrad时，性能趋于稳定。V的饱和趋势，以及1V曲线中没有任何反弹现象，表明在剂量超过10Mrad时，TID现象可能会因为TID引起的正电荷捕获现象在栅极氧化物中达到饱和而得到缓解。
另一方面，-V“偏置条件导致的V值变化要远低于'”“条件。在受到10Mrad的辐照后，-V“情况下的V值为1V-0.95，而''“情况下的V值为1V=4.5V。不同的TID敏感性与所施加的偏置之间的关系表明，电场的方向和强度非常重要，因为它会影响电荷的捕获效率以及陷阱截面，并可能导致捕获的正电荷向不同方向偏移。在所有条件下，GND“情况下观察到的TID效应最小，这很可能是由于在栅极端施加接地偏置时，电荷捕获效率较低所导致的[42]，[44]，[45]。
GIS的轻微退化并未显著影响整体器件性能，但表明在“-”和“半正”偏压下对SiO/SiC界面处的散射中心可能产生了影响。随着辐照剂量的增加，界面陷阱的数量也有所增加。如图5所示，在“-”和“半正”偏压下，当辐照剂量超过1Mrad时，SS值会上升；“-”偏压下的器件在100Mrad辐照后，SS值达到了82mV/dec，这是最严重的退化情况。相比之下，“GND”和“-V”偏压下的晶体管在10Mrad辐照后，SS值可以忽略不计，低于10mV/dec，这与图4(c)中报告的g变化极小(<1%)的情况一致。
在Si平面MOSFET中，偏置条件对SS和gwas的影响同样被观察到。在这种情况之下，电场在H的传输方向上起着重要作用[46][47][48]。例如，在正栅偏置的情况下，这种偏置方式通常应用于n沟道MOSFET中，此时H会向氧化物/沟道界面移动，从而激活Si/SiO界面的陷阱[46][49]。更有可能的是，SiC电源器件也可能受到与陷阱激活相关的机制的影响。
这些污染物可能会进入氧化层及其界面。不过，SiC器件中的界面陷阱与SiMOS器件中的缺陷有所不同，因此很难确定这些陷阱对宽带隙材料的影响。因为深层次的界面陷阱可能会具有固定的电荷状态。不过，值得注意的是，与整体Vshift相比，这些变化的幅度几乎可以忽略不计，这清楚地表明，由栅极氧化层中的正电荷固定效应引起的TID效应才是主要的效应。
B.X射线照射的CV分析
在图6(a)中，展示了该设备在最高TID退化情况下的输入电容测量结果(C-V曲线)。在照射前、照射后以及退火处理后的电容值变化如图所示。在100Mrad的辐射后，曲线明显向左侧偏移，这是由于正电荷被捕获在栅氧化层中所导致的。经过24小时的室温退火处理后，电容值有所恢复，这表明被捕获的电荷量有所减少，这一结果与预期一致。
如图3(a)所示，I-V曲线有所恢复。没有观察到C-V曲线的明显拉伸现象，这表明界面陷阱密度(D)的变化很小或可以忽略不计[50]。换句话说，辐射只导致了C-V曲线的轻微移动。图6(b)展示了不同栅压条件和剂量下氧化物陷阱密度(N[cm])的估计值。每种情况都展示了两种估计结果：一种是经过辐照处理后的结果，另一种是经过退火处理后的结果。N的计算是基于每个陷阱对应一个电荷这一假设进行的。
其中，q表示电子电荷[库仑]，εox[F/cm]表示氧化物的介电常数，t[厘米]表示氧化物的厚度，而1V[伏特]则是从CV分析中得到阈值电压的变化量。
C.第二代与第三代SiC功率V型MOSFET的比较
图7(a)展示了在第二代和第三代技术下制造的SiC V-MOSFET中，1伏电压下退化率与剂量关系的比较。在高达1兆拉姆的剂量范围内，两种技术的退化率都保持恒定。同样，图7(b)显示了亚阈值摆动的变化情况。
在“ON”偏置条件下，第二代器件在低剂量下表现出更高的△SS增加趋势。相反，第三代器件在1Mrad以下剂量范围内△SS没有变化，这表明SiC/SiO界面的耐受性更高。制造商通过减少界面处的活性缺陷数量，有效提升了第三代SiC器件的界面质量，从而减少了界面陷阱在X射线照射过程中的影响[33]。这些结果表明，TID劣化的主要因素仍然与两种MOSFET中栅氧化层中的正电荷捕获有关，同时也证实了D对1V劣化的贡献可以忽略不计。
四、适用3-Mev质子的实验结果
A.第二代设备的TID和DD
图8展示了第二代SiC功率MOSFET在“零偏压”条件下的转移特性(I-V曲线)。在受到100Mrad的质子辐照后，器件的工作性能出现了显著下降，在V=9伏时，漏极电流减少了约80%。最后，即使进行100摄氏度的退火处理，也无法使器件恢复其性能，反而导致电流下降幅度更大，在V=9伏时，漏极电流减少了约90%。
图8(b)展示了在线性区域(V=0.1V)下的I-V特性。当受到3MeV质子的辐照时，曲线向负值方向偏移，这表明在栅氧化层中存在正电荷捕获现象。在剂量小于10Mrad时，电压变化较大；而在剂量大于10Mrad时，电压基本保持稳定，这表明正电荷捕获现象可能已经达到饱和状态，这种现象与X射线辐照情况类似。然而，当SiC器件在20Mrad以上的剂量下受到质子辐照时，会出现另一种退化现象。这种现象表现为漏电流持续下降，同时I-V曲线的形状也会发生显著变化，尤其是在V>-2V的情况下。
如图3(b)所示，这种退化效应在X射线照射过程中并不明显。因此，X射线和质子辐射所导致的损伤差异表明，当设备受到3MeV质子的照射时，实际上涉及两种机制的共同作用。第一种机制是由TID引起的，在剂量小于10Mrad时占主导地位，这会导致栅氧化层中出现正电荷捕获现象，表现为电压值的负偏移。第二种机制是由DD引起的，在剂量大于10Mrad时占主导地位，相当于每厘米有6.72×10个3MeV质子，这种机制会导致设备的串联电阻能力下降。
很可能是由于在垂直MOSFET的漂移区域中，SiC原子发生了位移所致(该现象发生在器件的顶层、衬底以及JFET区域[33])。DD引起的缺陷会导致Rand的增加，从而使得|和g值降低。值得注意的是，这种DD效应是在3MeV的质子实验中观察到的，而在之前使用200MeV的质子进行相同器件实验时并未观察到这种效应[51]。除了本研究中使用的更高能量辐射外，3MeV和200MeV质子之间的差异还源于3MeV质子具有更大的非电离能量损失(NIEL)，这种能量损失发生在SiC器件的漂移区域内(即，在SiC材料中范围为53微米)[52][54]。最后，在受到100兆拉姆的辐射后，I-V曲线与原始测量值没有差异，这表明栅氧化层没有受到任何损伤(即不存在栅极断裂的情况)。
B.对第二代设备的X射线分析与质子效应研究比较
为了研究3MeV质子辐照所产生效应的本质，并将其与X射线辐照效应进行比较，图9展示了当器件在“-”偏压条件下受到辐照时，主要MOSFET参数的变化情况。lis的衰减率通过计算lat Vgs=4.5V和Vds=0.1V时的比值，并除以其原始值来表示。上方的x轴表示3MeV的质子辐照量，而下方的x轴则表示SiO中的TID当量辐照量。如图(a)所示，质子辐照对I的影响比X射线辐照更为显著，其衰减速率在约4×10^12 cm-2的辐照量时达到一个平台，相当于6Mrad。当辐照量超过6×10^12 cm-2时，由于DD引起的效应，1开始急剧下降。如图9(b)和(c)所示，在10Mrad以下的剂量范围内，I的变化主要源于TID导致的V的负偏移，以及g的轻微退化作用。当质子通量超过约6×10厘米克时，DD效应占主导地位，导致-态电阻的增加，同时I和g的值下降。在1的情况下，DD效应在约10毫拉德时开始显现，在15毫拉德时达到峰值，而在20毫拉德时达到饱和状态。而在X射线辐照过程中并未观察到DD效应，因为此时只有TID降解现象由10千电子伏特的光子引起。
对于质子来说，1V的计算是通过两种不同的方法从I-V曲线得出的：1)使用g值进行计算，正如第Ⅱ-A节中对于X射线的计算方式；2)在亚阈值区域，以I=10nA时的栅极电压变化作为计算依据。这两种方法在剂量超过10Mrad时得出的V值存在差异，因为第一种方法由于DD引起的较大偏差，在扩展区间的估算不够准确。实际上，如图9(c)所示，第一种方法在100Mrad时测量到的1V最大值仅为0.4V，而第二种方法则得到-6.3V的结果。这表明，由于正电荷在栅极氧化层中的捕获，V值呈单调递减趋势。有趣的是，对于3-MeV的质子辐射，1V的饱和值比X射线辐射下的设备要高，大约分别为-6V和-4.5V。3-MeV质子辐射下1V的最高饱和值表明，3-MeV的质子辐射 确实 可能会激活更高密度的物质 沟道氧化层中的陷阱。
值得注意的是，3MeV质子辐射所产生的最大V衰减值与3MeV质子相对于10keV X射线的更高电荷产量并不一致[55][56]。图9(d)展示了电流I的下降情况。在V=0.1V时，1为lat；而在V=-5V时，1达到最小值。这意味着晶体管处于最低工作状态。在X射线照射过程中，I的增加相对较为温和，因为在100Mrad的照射剂量下，I仍保持在10A以下。然而，对于被质子照射的样品来说，I的增幅要大得多，当照射剂量超过4Mrad时，会增加几个数量级。在100Mrad的照射剂量下，I约为5nA，由于Vshift为-6.3V，I的阻塞能力丧失，晶体管无法处于截止状态。
同样，就像X射线的情况一样，GS的初始衰减表明SiO/SiC界面可能存在界面陷阱的激活现象，这与图9(e)中所示的亚阈值摆动的增加是一致的。在1Mrad的辐射剂量范围内，电压增幅达到了80mV/dec，而在10Mrad以下时则出现下降。在这个范围内，TID效应占主导地位。由于TID和DD效应的结合使得数据处理变得复杂，因此超过10Mrad的辐射剂量数据并未被纳入分析之中。
C.质子辐照的能谱分析
图10展示了在“-”偏置条件下，经过3MeV质子轰击的二代SiC-MOSFET的电容测量结果(C-V曲线)。对于同一器件，我们记录了三种情况下的测量数据：照射前、照射后，以及经过退火处理后的两种情况：在20伏和0伏偏压下的室温情况，以及100摄氏度的情况。观察到在100Mrad的辐射后，C-V曲线向左侧偏移，这是由于栅氧化层中产生正电荷所导致的。不过，这种偏移并不像X射线的情况那样是固定的[见图6(a)]，而是C-V曲线出现了显著的变化，这表明界面陷阱密度分布发生了改变。实际上，C-V曲线无法用固定的V偏移来准确描述。
经过退火处理后，曲线向右侧移动，这表明被捕获的电荷量有所恢复，这与图8(a)中I-V曲线中的恢复现象一致。这一机制与X射线的情况类似。然而，C-V曲线并未恢复到照射前的形态，这表明界面处存在D态物质。退火后，C-V曲线的形态出现了微小的变化，这表明在照射过程中，D态物质的恢复程度很小。
五、总结
SiC垂直结构功率MOSFET首次受到超高剂量辐射时(100Mrad)，其退化程度非常显著，且这种退化程度取决于辐射过程中的栅极偏压。当SiCMOSFET在正栅极偏压下受到辐射时，其负阈值电压的变化幅度最大，这是因为栅氧化层中的电场方向和强度导致了电荷的积累，从而使得正电荷更容易被捕获在氧化层中。而“GND”偏压下的器件则表现出最低的退化程度，这是因为栅氧化层中的电场强度较低，导致电荷的积累量有限。在比较第二代和第三代器件对X射线的响应时，也观察到了类似的负阈值电压变化现象。这表明在栅氧化层中存在类似的正电荷捕获现象。不过，尽管这种影响并非主导性现象，但第三代器件的亚阈值摆幅变化几乎可以忽略不计，这反映出在最新的制造工艺中，SiO/SiC界面的性能得到了显著提升。
此外，关于3MeV质子的实验结果表明，在低剂量情况下，这些质子会在栅氧化层产生类似X射线的电荷捕获现象。而在较高剂量和能量下，则会观察到漂移区出现明显的缺陷。这些缺陷会导致-态电阻的显著增加，进而使landg值下降，从而破坏电力开关的静态和动态性能。
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