摘要：SiC MOSFET由于栅氧化层较厚，在空间辐射环境中对电离总剂量效应敏感。测量辐照前后器件的阈值电压（VTH）变化是评估其抗总剂量特性的重要手段。本文通过开展不同阈值电压测试方法的比较，分析认为由下扫I-V 曲线提取器件阈值电压更为准确。基于该阈值电压提取方法，对比分析了辐照偏置、辐照温度、辐照剂量率对器件总剂量特性的影响规律。分析认为栅极偏置可加剧电子-空穴对的分离并减弱其复合过程，导致高密度的氧化物陷阱电荷积累；高温辐照可加剧空穴输运及热发射退火过程，导致陷阱电荷积累减少；同时，SiC MOSFET几乎不存在剂量率效应，认为器件界面处Si―H 键密度较低，低剂量率辐照不会加剧H 释放过程。

关键词：SiC MOSFET；电离总剂量效应；阈值电压提取方法；辐照条件；剂量率

引 言

碳化硅（SiC）材料具有优异的电学和热学特性，成为制造功率半导体器件的理想选择。随着SiC/SiO2 界面质量的改善，SiC 功率金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal⁃oxide⁃semiconductorfield⁃effect transistor， MOSFET）已实现商业化。SiC MOSFET 具有优异的高压、高频、高温特性，在电力、高温和空间电子领域有着巨大的应用前景［1］。航天应用时，SiC MOSFET 可大大减轻飞行器的重量和体积，并提高系统效率。但空间环境中的射线及粒子引发的电离总剂量效应及单粒子效应可对器件的性能产生影响，制约了器件的空间应用［2］。

SiC MOSFET 栅氧化层较厚，易受电离总剂量效应［3⁃5］影响。目前对于SiC MOSFET 电离总剂量效应的研究及评估仍沿用传统Si功率MOSFET 的方法，即在不同工作状态下对器件开展辐照，依据器件关键电参数——阈值电压、阻断电压、泄露电流等参数的退化量，研究器件的电离总剂量效应［6⁃7］。试验结果表明，SiC MOSFET 的电离总剂量效应受辐照偏置［8⁃10］、辐照温度［11⁃12］、辐照剂量率［6，13］等多种因素影响。分析认为栅极偏置为SiC MOSFET 的最劣偏置，但由于器件型号、工艺等差异，最劣的栅极偏压幅值大小存在差异［7⁃9］。栅极偏置辐照下器件的阈值电压退化最显著，且退化量与氧化层内部的电场强度相关。高电场下，电子空穴对显著分离，同时电子-空穴对的复合过程减弱，最终导致电荷产额显著增加。高温辐照时，器件的阈值电压退化量小于室温辐照。高温环境下，辐照产生的陷阱电荷显著退火，导致阈值电压漂移量减小。剂量率研究中，认为SiC MOSFET 并未存在低剂量率增强效应。

值得注意的是，上述所有研究均基于Si 基功率器件阈值电压的测试方法。但SiC MOSFET 的界面特性与Si 功率MOSFET 差异较大，高密度的界面陷阱电荷在测试阈值电压时可俘获载流子，导致阈值电压测不准［14⁃17］。因此，采用基于Si 基功率器件的阈值电压测试方法获得的总剂量效应结果可能无法准确评估SiC MOSFET 的总剂量效应。固态技术协会（Joint Electron Device Engineering Council， JEDEC）针对SiC/SiO2 高界面态密度的问题提出了适用于SiC MOSFET 的阈值电压测试方法［18⁃19］。本文通过对比几种测试方法提取的阈值电压差异，分析选择更为有效的阈值电压提取方法，并基于该方法，分析总剂量辐照时的偏置、温度、剂量率对辐射效应的影响规律及机制。

1 试　验

本文采用的试验样品为国内外两款1200V/80mΩ的商用SiC MOSFET。总剂量辐照采用中国科学院新疆理化技术研究所60Co 伽马源。为探究测试方法的影响，对比BC3193 点测法、带预处理脉冲IDS⁃VGS（其中IDS 为漏源电流，VGS 为栅源电压）曲线的固定电流法和最大跨导法测量阈值电压漂移时的差异。其中IDS⁃VGS 曲线测试时采用双向扫描。正扫（由负到正）前施加持续100ms幅值VGS=−20V的预处理脉冲，负扫（由正到负）前施加持续100ms幅值VGS=20V的预处理脉冲。

SiC MOSFET 作为功率开关，在典型工作电路中可能处于以下几种状态：

① 栅极偏置（VGS=15V，漏源电压VDS=0V）；

② 漏极偏置（VGS=0V，VDS=1200V）；

③ 浮空偏置；

④ 马达驱动偏置（VGS=0~15V，10kHz脉冲电压信号，占空比50%，VDS=50V，IDS=1A）。

在以上几种偏置状态下开展总剂量辐照试验，探究辐照偏置对器件电离总剂量效应的影响。

此外，在相同栅极偏置（VGS=20V，VDS=0V）下，分别开展25、50、100、150℃的高温辐照试验，探究辐照温度的影响。采用0.1rad（Si）/s与50rad（Si）/s的60Co⁃γ 射线辐照探究剂量率对器件总剂量效应的影响，辐照偏置采用栅极偏置与浮空偏置。辐照前后器件的IDS⁃VGS曲线均利用Keithley4200A⁃SCS 测量。所有测试均在室温下进行。

2 试验结果及分析

2.1 测试方法的影响

BC3193点测法、IDS⁃VGS曲线固定电流法、IDS⁃VGS曲线最大跨导法均为MOS器件常用的阈值电压测试方法。BC3193点测法默认在VGS=VDS时读取IDS=1mA时的VGS值为阈值电压，测试延迟为8ms，总延迟为10ms。固定电流法与最大跨导法均基于IDS⁃VGS曲线提取。由于SiC MOSFET的SiC/SiO2界面处存在较高密度的界面陷阱电荷，I⁃V曲线扫描时存在回滞现象，如图1所示，导致由上扫与下扫曲线读取的阈值电压结果存在显著差异。根据标准采用带预处理脉冲的I⁃V 曲线双向扫描序列，扫描时漏极施加恒定电压VDS=50mV，栅极电压扫描范围为−5~10V。本文中固定电流法读取的阈值电压即为曲线中IDS=1mA 时的VGS值。最大跨导法是在I⁃V曲线中的最大跨导处作切线，读取曲线与x 轴交点的VGS值为阈值电压。

由三种方法提取的国内外2款SiC MOSFET的阈值电压（VTH）随剂量变化如图2所示。随着剂量增加，测量的阈值电压均呈减小趋势，但BC3193的点测结果误差显著高于由I⁃V 曲线提取的结果。尤其当器件阈值电压漂移为负时，BC3193点测法无法测试到其真实值。对比固定电流法与最大跨导法的阈值电压结果发现，虽然数值存在差异，但提取的阈值电压变化量一致，因而采用这两种方法均可准确表征器件的阈值电压变化。此外，对比由上扫及下扫曲线提取的阈值电压发现，随着剂量增加，阈值电压变化量逐渐不一致。分析认为这是由SiC MOSFET 的阈值电压回滞现象变化引起的。

显著的阈值电压回滞主要由高密度的界面陷阱电荷引起。随着辐照剂量的增加，器件的阈值电压回滞不断减小［20］。对于未辐照器件，上扫过程中施主型界面陷阱电荷发射空穴，导致IDS⁃VGS 曲线“相对负漂”；下扫过程中施主型界面陷阱电荷发射电子，导致曲线“相对正漂”［如图1（a）所示］，形成阈值电压回滞现象。辐照后，电离总剂量辐照产生的带正电的氧化物陷阱电荷除引起I⁃V 曲线显著负漂外，还会减弱空穴发射过程，导致上扫曲线的“相对正漂”程度减小，同时对电子发射过程无显著影响，导致下扫曲线的“ 相对负漂”程度不变，最终导致阈值电压回滞减小。因此，辐照前后SiCMOSFET 的下扫曲线几乎不受界面陷阱电荷俘获/发射载流子的影响，更能体现总剂量辐照陷阱电荷的作用。后续的研究结论均基于下扫I⁃V 曲线固定电流法（1 mA）获得。

2.2 辐照偏置的影响

电场对于辐射陷阱电荷积累的影响至关重要。在栅极偏置、漏极偏置、浮空偏置及马达驱动偏置状态下开展SiC MOSFET 的电离总剂量效应研究。器件的阈值电压漂移量（ΔVTH）随辐照剂量的变化如图3 所示。随着辐照剂量的增加，SiC MOSFET 的阈值电压不断减小，且对比不同偏置下的阈值电压减小量可知，栅极偏置>马达驱动>漏极偏置≈浮空偏置。

电离总剂量辐照过程中，氧化层中陷阱电荷的积累与电场密切相关。恒定栅极偏置下，氧化层中的电场分布如图4（a）所示，此时氧化层中存在约为3MV/cm 的恒定电场。恒定漏极偏置下，氧化层中的电场分布如图4（b）所示。漏极施加的电压大部分降在外延层，在栅氧化层中仅产生峰值为1 MV/cm的非均匀电场。动态偏置下，氧化层中的电场处于交替变换状态。但考虑所施加的栅极电压为0/15V，漏极电压为VDS=50V，其在氧化层中产生的电场应低于3MV/cm及1MV/cm。此外，浮空偏置状态下，氧化层中几乎无电场。

氧化物中陷阱电荷的积累与电子空穴对的产生、空穴输运等过程相关。其中，初始空穴产额决定了MOS 器件的初始电压偏移，与空穴的产生和逃脱复合过程相关。对于MOS 器件，初始阈值偏移为［21］：

其中g0 为每单位剂量产生的初始电子- 空穴对密度；tox 为氧化层厚度；f（y Eox）为逃脱初始复合的空穴分数，决定了最终空穴产额；D 为剂量，单位为rad（SiO2）；栅氧化层电容Cox＝εox/tox，其中εox 为栅氧化层的相对介电常数。初始空穴产额与器件的氧化层厚度tox 及氧化层电场Eox 密切相关。对于60Co⁃γ射线辐照SiO2，初始空穴产额随Eox增加而增加。

因此，恒定栅极偏置条件下，SiC MOSFET 的阈值电压退化最为显著。马达驱动状态下，高电场时陷阱电荷积累，低电场时陷阱电荷退火，阈值电压退化小于恒定栅极偏置。漏极偏置下，栅氧化层中的电场较小，其作用下陷阱电荷的积累与浮空状态类似。

2.3 辐照温度影响

对同一款SiC MOSFET 开展不同温度下的辐照试验。试验过程中，将器件与辐照板放置于高温箱中，同时对高温箱中的剂量率进行标定。辐照剂量率为100rad（Si）/s，辐照偏置为VGS=20V、VDS=0V。辐照剂量点为50、100、200、500、1 000 krad（Si）。每个剂量点待器件恢复至室温后测试。

提取不同温度下辐照器件的阈值电压变化量随剂量的变化，结果如图5 所示。随着辐照剂量的增加，阈值电压不断负向漂移。同时，相同剂量处，辐照温度越高，辐照器件的阈值电压漂移量越小。

温度主要影响空穴输运及热退火过程。空穴通过SiO2 的输运可导致VTH 早期恢复，该过程可由连续时间随机游走（Continuous time random walk，CTRW）模型描述。其中阈值电压漂移发生一半恢复的时间ts表达式［21］为：

式中t0s 为本征恢复时间，可视为常数；kB为玻尔兹曼常数，a 为跳跃距离，α 描述响应的分散量，Δ（Eox）为电场相关激活能。由该式可知，当温度T 增加，ts 迅速减小，阈值电压在空穴输运过程中迅速恢复。

热退火过程中，空穴从氧化物内的陷阱热发射至氧化物的价带。在任意时刻，以热发射前沿ϕm（t）为界，比ϕm（t）更靠近价带的空穴发射至价带而退火，比ϕm（t）更远的空穴未退火导致阈值电压漂移。未发生热退火的空穴引起的阈值电压漂移量可描述为［22］：

其中：ϕm（t）=kBTln（AT2t）/q，A 是取决于陷阱俘获截面的参数，t 为退火时间；ρ0 （ϕt）为辐照后被俘获空穴的初始分布；ϕt为陷阱能级与价带之间的能量差；xc 为电荷质心在氧化层中的位置。随着T 增加，热发射前沿不断向SiO2 中移动，ϕm（t）增加，最终导致ΔVTH减小。

因此高温环境下，载流子的运动加剧，更为显著的空穴输运及热发射过程导致阈值电压漂移量较室温下更小。

2.4 辐照剂量率的影响

对一款商用SiC MOSFET 开展0.1rad（Si）/s的低剂量率与50rad（Si）/s 的高剂量率辐照试验，辐照源均为60Co⁃γ 射线。器件辐照前后的阈值电压漂移量如图6 所示。随着辐照剂量的增加，高低剂量率辐照下器件的阈值电压均不断减小，且相同剂量处，高剂量率辐照器件的阈值电压漂移量大于低剂量率辐照器件，分析认为这与高剂量辐照下陷阱电荷未及时退火相关。

考虑低剂量率辐照试验器件处于VGS=15V 偏置下上千小时，该电压可能引发偏置温度不稳定性而导致阈值电压漂移。为此，对3只未辐照器件开展3000h 的栅应力试验，器件的转移特性曲线及阈值电压变化如图7 所示。由图可知，栅应力并不会引起器件的阈值电压变化，可排除低剂量率试验过程中栅应力的影响。

不同剂量率下，电子复合-空穴俘获的竞争机制导致的质子（H）释放过程存在差异。由其机理可知，剂量率效应与氧化层中的含氢缺陷相关。SiC MOSFET 界面钝化过程与Si功率MOSFET不同，通常采用NO或N2O 钝化而非H2［23⁃25］，因此界面处的含氢缺陷密度较低，低剂量率辐照时不易引起H释放。此外研究发现，SiC/SiO2界面陷阱相较于Si/SiO2 界面更为稳定［26］，辐照时更不易产生界面陷阱电荷而引起剂量率效应。

3 结　论

通过辐照引起的阈值电压漂移研究SiC MOSFET 总剂量效应是目前的常用方法。本文通过对比点测法、基于IDS⁃VGS 曲线的固定电流法、基于IDS⁃VGS 曲线的最大跨导法提取器件的阈值电压变化，发现由下扫IDS⁃VGS 曲线固定电流法提取的阈值电压更快速且准确。基于固定电流法，开展不同辐照偏置、辐照温度、辐照剂量率下的电离总剂量试验，发现栅极偏置为最劣辐照偏置，强栅极电场下，电子- 空穴显著分离，空穴产额较高，引起阈值电压显著变化。辐照温度影响空穴输运及热发射退火过程，高温下空穴输运及热退火加剧，阈值电压显著恢复，导致最终的阈值电压漂移量减小。高低剂量率辐照相同剂量后，高剂量率下的阈值电压退化更显著，与其辐照后陷阱电荷未及时退火相关。依据剂量率效应机制及SiC/SiO2 界面特性分析，由于界面处Si―H 键密度较低，SiC MOSFET 几乎不存在剂量率效应。

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