不同栅偏下SiC MOSFET的辐照响应及退火恢复研究

发布时间：2020-07-19 00:08

【摘要】：碳化硅(SiC)具有高导热系数、高电子迁移率、高击穿场强和宽禁带的优势,利用SiC材料制成的器件在抗辐照上有着极大的潜力。目前商用SiC MOSFET制备工艺成熟,已经投入使用,考虑到SiC MOSFET在航天、核能等领域的应用前景,研究总剂量效应对其影响具有重要意义。本论文采用Cree公司生产的SiC MOSFET进行了总剂量试验和辐照退火试验,具体工作内容如下:1.针对SiC MOSFET和抗辐照加固后的Si MOSFET进行辐照试验,辐射源为~(60)Co,累积总剂量150krad。辐照前后,对器件电学参数进行测量,分析器件辐照损伤的机理。辐照后,两类器件的阈值电压出现明显退化,向负压一侧漂移,击穿电压和导通电阻没有明显改变,SiC MOSFET阈值电压退化较少,Si MOSFET漏电流增加明显,SiC MOSFET的漏电流有少许增加。2.针对SiC MOSFET进行不同栅压偏置下的总剂量试验,累积总剂量1300krad,栅压偏置分别为12V,16V,20V,22V,24V。栅压偏置12V条件下的器件在累积剂量达到300krad,600krad,900krad,1100krad,1300krad时,将器件取出进行测试,数据显示器件阈值电压的负向漂移在辐照过程中持续增加。栅压偏置试验显示,12V至20V栅压偏置范围内,SiC MOSFET阈值电压的退化随栅压增加变大,在20V至24V栅压偏置范围内,阈值电压的退化随栅压增加变小。通过简化的中带电压法计算辐照诱生的氧化层陷阱电荷浓度和界面陷阱电荷浓度,详细研究了器件在辐照后出现阈值退化以及高栅压偏置时引起的阈值回漂的原因。3.对总剂量试验后的SiC MOSFET进行了高温退火试验和强电场退火试验,研究了器件性能退火恢复的机理。高温退火试验温度150°C,栅压偏置分别为0V和12V。12V栅压偏置退火264小时后,器件阈值电压基本恢复到辐照前的水平,0V栅压偏置下阈值电压恢复较少。强电场退火试验根据器件的隧穿电压范围,在室温下分别采用32V,34V,36V,38V,40V,42V栅压偏置,在175°C下分别采用36V,40V栅压偏置。相比较于高温退火恢复,强电场退火恢复需要的时间极大缩短,几分钟内便可以恢复阈值电压的退化。4.为确保强电场退火过程不会对栅氧化层造成损伤,对强电场下氧化层的可靠性进行测试。通过威布尔分布对栅氧化层经时击穿特征寿命进行统计,利用经时击穿模型评估不同场强下的氧化层击穿时间大小,与强电场退火恢复需要的时间进行对比。试验结果表明,选择合理的栅压进行强电场退火,达到恢复器件阈值电压退化的目的是可行的。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386
【图文】：

第 2 章 SiC MOSFET 器件及辐照效应基础理论2.1 SiC MOSFET 器件介绍20 世纪 90 年代以来，SiC MOSFET 的技术发展十分迅速，器件的长期可靠性和耐用性已经可以接受，SiC 材料较高的热导率提高了器件的电流密度，较高的禁带宽度提高了器件的击穿场强。目前，SiC MOSFET 已经广泛地应用在额定电压 600V，甚至 1000V 以上的领域。2.1.1 SiC MSOFET 的基本结构本文试验中采用 Cree 公司生产的 4H-SiC MOSFET（C2M0160120D）器件，阻断电压标称值为 1200V，25°C 下工作电流标称值为 19A。

北京工业大学工学硕士学位论文一般选择 Ni、Al。其他结构自上而下分别是：1、N+源区。4、P+源区，P+源区将 P 阱区和 N+源区短的开启，同时也减小了源极的接触电阻。5、P 阱FET 的 P 阱区和 N+源区均通过扩散来完成，两次扩的差值决定了沟道的长度，但在 SiC 材料中杂质的阱区和 N+区的形成需要通过多次离子注入。6、N 型者零的情况下，沟道无法形成反型层，PN 结耗尽层漂移区一侧扩展，所以 N 型漂移区的掺杂浓度和厚ET 的击穿电压，同时掺杂浓度的改变也漂移区的电小。7、N+衬底层，衬底层属于重掺杂区域，掺杂浓面电极时可以形成欧姆接触。FET 的工作原理

第 2 章 SiC MOSFET 期间及辐照效应基础理论可以认为沟道内的电势近似为零且处处相等，此时的沟道具有电阻的特性，漏源之间电流和漏源两端电压成正比，所以将这一段区域称为线性区。漏源两端电压继续增大，源端电势始终为零，栅漏之间电势差越来越小，靠近漏端一侧的沟道厚度逐渐减小。沟道厚度的减小会引起载流子浓度的减小以及沟道电阻的增大，导致曲线的斜率随着漏源两端电压的增加逐渐减小，所以将这一段区域称为非线性区。继续增大漏源两端电压直到漏端沟道被夹断，此时的漏源两端所加的电压即为饱和漏源电压 VDsat，漏源两端所加电压大于饱和漏源电压后，如果继续增加，则会使沟道夹断点向源极移动，沟道夹断区实际上就是载流子耗尽区，载流子一但到达夹断点，就会在耗尽区的强电场作用下以饱和速度迅速到达漏端，此时漏源之间电流不会随着漏源电压增加继续增大，所以称为饱和区。

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本文编号：2761608