SiC器件单粒子效应敏感性分析

于庆奎，曹 爽，张洪伟，梅 博，孙 毅，王 贺，李晓亮，吕 贺，李鹏伟，唐 民

(1.中国空间技术研究院，北京 100029；2.国防科技工业抗辐照应用技术创新中心，北京 100029)

为了提高性能、降低重量，新一代航天器需使用高压功率器件，如新一代长寿命卫星电推进技术需使用工作电压为1 200 V的高压功率器件。美国NASA以太阳能电源系统为例进行推算，使用300 V电压的太阳能电池阵，相比120 V电压方案，可降低重量2 457 kg，且越高的电压就会节省更多的重量[1]。第3代半导体SiC的禁带宽度是Si的2～3倍、临界电场强度是Si的10倍、热导率是Si的3倍、本征载流子浓度比Si低19个数量级，因而SiC器件在高温、高压、大功率、低功耗等方面具有硅器件不可比的巨大优势，成为新一代航天器用高压功率器件的理想选择。

来自银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地球辐射带的质子、重离子和电子等带电粒子，在电子器件中会引起单粒子效应(SEE)、电离总剂量(TID)效应和位移损伤(DD)效应。为降低空间辐射效应对航天器在轨长期稳定可靠工作的危害，根据任务重要性和轨道环境严酷度，航天器对电子器件提出了抗辐射要求，如对于地球轨道长寿命卫星，一般要求抗单粒子烧毁(SEB)的线性能量传输(LET)大于75 MeV·cm2/mg。对于大多数半导体材料，高能粒子入射产生1对电子-空穴对所需的平均能量为其禁带宽度的3～5倍[2]，SiC具有较宽的禁带宽度，理论上SiC器件具有优于Si器件的抗电离辐照能力，包括抗单粒子效应能力。近年来，针对空间应用需求，国内外对当今世界上已有的SiC MOSFET和SiC肖特基二极管开展了大量辐射效应研究，研究表明，SiC器件抗单粒子能力弱[3-5]，抗电离总剂量和位移损伤能力强[6-13]。本文给出国内外4个生产厂的SiC MOSFET和SiC肖特基二极管的重离子试验数据，分析单粒子效应机理，讨论SiC器件空间应用需解决的相关问题。

1 SiC器件重离子试验数据

样品包括SiC肖特基二极管(以下简称二极管)和SiC MOSFET，均为商用器件，来自国内3个生产厂(分别称为A、B、C)和美国Cree公司。试验前所有样品开帽，去除芯片表面的防护胶，以减少入射离子在到达器件敏感体前的能量损失。

重离子试验在中国科学院近代物理研究所的重离子加速器(HIRFL)和中国原子能科学研究院HI-13串列加速器上进行，离子垂直入射。所有试验均在室温环境下进行。

1.1 重离子引起的SiC器件单粒子烧毁

对来自3个生产厂的样品进行单粒子烧毁试验，每个试验条件测试1只样品。辐照过程中，SiC二极管施加静态反向偏压VR；SiC MOSFET的栅源间短接，即VGS=0 V，施加漏源电压VDS。SiC器件重离子单粒子烧毁试验条件和测试结果列于表1。

从表1可看出：1) 入射离子LET在37 MeV·cm2·mg-1发生单粒子烧毁，没有器件抗单粒子烧毁LET大于81.4 MeV·cm2·mg-1；2) 来自3个生产厂的额定工作电压1 200 V的SiC器件，在600 V偏置下均发生了单粒子烧毁，发生单粒子烧毁的电压不高于50%的额定工作电压；3) SiC二极管和SiC MOSFET均发生了单粒子烧毁，表明单粒子烧毁与器件类型关系不大。用显微镜检查单粒子烧毁的样品，发现芯片表面有熔坑。

表1 SiC器件重离子单粒子烧毁试验条件和测试结果Table 1 Heavy ion SEB experiment condition and test result for SiC device

1.2 重离子引起SiC器件漏电流增加

对来自2个生产厂的样品进行重离子试验。辐照过程中，SiC二极管施加静态反向偏压VR；SiC MOSFET的栅源间短接，即VGS=0 V，施加漏源电压VDS。重离子引起SiC器件漏电流增加的测试结果列于表2。

表2 重离子引起SiC器件漏电流增加的测试结果Table 2 Test result of leakage current increase induced by heavy ion for SiC device

a——正向I-V特性；b——反向I-V特性图1 1 200 V SiC二极管重离子辐照前后正、反向I-V特性Fig.1 Positive and reverse I-V characteristics of 1 200 V SiC diode before and after heavy ion irradiation

从表2可看出，重离子辐照下，在单粒子烧毁失效前的更低电压下，SiC器件出现漏电流增加的现象。如A厂额定工作电压1 200 V的SiC二极管在LET为37 MeV·cm2/mg的离子辐照下，在240～300 V下出现漏电流增加；漏电流随注量的增加而增加。试验结果显示SiC二极管和SiC MOSFET均出现漏电流增加；来自不同生产厂的SiC器件重离子引起的漏电流增加现象类似。

1 200 V SiC二极管重离子辐照前后正、反向I-V特性如图1所示。可看出，辐照后漏电流增加的样品正向I-V特性未发生明显变化；PN结雪崩击穿电压未降低。

对重离子辐照后漏电流增加的芯片，在显微镜下检查表面未发现异常，用红外热像仪检查，芯片表面未发现异常热点。为分析重离子引起SiC器件漏电流增加的原因，对1 200 V SiC二极管进行重离子微束试验。试验在中国科学院近代物理研究所重离子微束装置上进行。离子为Kr，能量为2.15 GeV，在硅中LET为18.5 MeV·cm2/mg，在硅中射程为124.9 μm，离子束斑尺寸约40 μm×40 μm。离子束以每秒5～10个离子的速率、在芯片200 μm×200 μm区域内，以30 μm步长、600 ms/步的频率进行扫描辐照。1 200 V SiC二极管Kr离子微束辐照中漏电流随入射离子的变化如图2所示。

图2 1 200 V SiC二极管Kr离子微束辐照中 漏电流随入射离子的变化Fig.2 Leakage current of 1 200 V SiC diode irradiated by Kr microbeam as a function of incident ion

从图2可看出，器件漏电流与入射离子数量呈线性关系：当有离子束辐照，漏电流线性增加；停止离子束辐照，漏电流不增加。停止离子辐照后，器件漏电流未出现恢复现象。微束试验结果表明，器件漏电流随入射离子数量的增加是由于多个离子分别作用的结果，SiC器件漏电流增加具有累积效应。

总结SiC器件重离子辐照试验结果：1) 重离子会引起SiC器件漏电流增加和单粒子烧毁；2) 漏电流增加和单粒子烧毁与入射离子LET和偏置电压有关；3) 发生单粒子烧毁的电压不高于50%额定电压，在更低的电压下发生漏电流增加；4) 重离子引起的漏电流随入射离子注量增加，具有累积效应。

2 单粒子效应机理

国际上大部分研究认为，SiC器件重离子辐照下的漏电退化和烧毁失效与热有关[14-21]。基本观点是，在电场作用下重离子电离产生的电子-空穴对聚集，导致局部温度过高，超过SiC熔点，造成晶格损伤。美国Witulski等[17]通过试验和TCAD仿真，得到离子入射的中心位置的温度最大值超过3 600 K(高于SiC熔化温度)，认为SiC二极管漏电退化是由于离子入射导致局部生热，SiC与金属相互作用达到共融状态；单粒子烧毁是由于局部生热超过SiC熔点，晶格结构彻底损坏的结果。

图3 SiC肖特基二极管单粒子微烧毁剖面示意图Fig.3 Profile diagram of SiC Schottky diode micro-SEB

分析认为，重离子辐照下发生了单粒子微烧毁，局部肖特基结被破坏，形成漏电通路，引起反向漏电流增大。图3为SiC肖特基二极管单粒子微烧毁剖面示意图，虚线区域为推断的微烧毁路径。SiC肖特基二极管发生的单粒子微烧毁后的正、反向偏置等效电路如图4所示。二极管D为原始设计的二极管，电阻R为漏电通路的等效电阻。当入射离子LET和偏压相对较低时，损伤形成的漏电通路较小，R较大，对并联的肖特基二极管正向I-V特性未产生明显影响，因为其阻抗较反向二极管的小，引起反向漏电流增大。随入射离子LET或偏压增加，损伤形成的漏电通路增大，R的阻抗降低，漏电流增大；随入射离子注量的增加，损伤形成的漏电通路数量增加，漏电流增加。在高LET和高偏压下，损伤形成的漏电通路足够大，导致短路发生，器件出现致命烧毁失效。因而，SiC二极管重离子辐照后漏电流随入射离子LET、注量及偏压增加而增大，在高LET、高偏压下发生单粒子烧毁。

图4 SiC肖特基二极管发生的单粒子微烧毁后的 正(a)、反(b)向偏置等效电路Fig.4 Positive (a) and reverse (b) bias equivalent circuits of SiC Schottky diode after micro-SEB

3 SiC高压功率器件空间应用需解决的问题

综合分析国内外对现有SiC器件单粒子效应研究的进展，认为需进一步开展以下研究工作。

1) 辐照损伤演化机制

对于理论上抗辐射能力强的SiC器件，现有理论难以解释为何SiC器件实际抗单粒子能力弱，需研究导致在较低的电压下发生性能退化和烧毁失效的辐照损伤的演化机制，为航天器选用及器件加固提供支撑。

2) 辐照损伤对器件可靠性的影响

为降低空间辐射效应带来的危害，航天器可靠性设计准则要求器件必须工作在安全工作区内。安全工作区是指器件在该范围内工作不会发生辐射引起的故障。SiC器件在低电压下辐照就出现漏电流增加，目前对漏电流增加对可靠性的影响不清楚，无法准确确定器件安全工作区。

3) SiC器件辐照试验方法

航天器设计准则规定了抗辐射设计的要求，抗辐射设计的基础是元器件抗辐照能力数据。要准确评估器件抗单粒子能力，需研究掌握SiC器件性能退化和烧毁失效随入射离子能量/LET和角度、电压、温度等变化的规律，例如，SiC器件存在载流子冻析效应。在室温只有不足60%的杂质离化，当温度达700 K时，所有杂质才全部离化[22]。SiC器件可能工作在高温环境，有必要在全温度范围内对SiC器件单粒子效应进行研究。基于SiC器件辐射效应规律特点，制定科学可行的辐照试验方法。

4) SiC器件加固技术研究

和硅器件比，SiC材料特性和加工工艺不同，器件辐射效应也存在差异，已有的硅器件的加固技术对SiC器件不完全适用，需针对SiC特点，开发针对性的器件加固技术。

4 结论

新一代航天器迫切希望使用SiC高压功率器件。研究发现，现有SiC器件抗单粒子能力弱，在低于50%额定电压下，重离子入射器件内部导致永久损伤，引起器件漏电流增加，甚至单粒子烧毁，不满足空间应用要求，有必要开展SiC器件辐射效应及加固技术研究。