【摘 要】
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碳化硅(SiC)材料本身具有宽禁带、高击穿场强、高热导率以及高饱和电子漂移速率等优点,可以用于高压、高频、高功率及高温领域。相比于传统硅基器件,碳化硅功率器件能够实现提高电子设备工作效率、降低装置体积和重量、增加抗辐照性能等目的,满足新一代航天器对功率半导体器件的要求。对于SiC MOSFET器件来说,总剂量效应是制约其在空间环境中长期稳定工作的重要因素。迄今为止针对SiC MOSFET器件总剂量
【基金项目】
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国家自然科学基金(项目基金编号:11875229);
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碳化硅(SiC)材料本身具有宽禁带、高击穿场强、高热导率以及高饱和电子漂移速率等优点,可以用于高压、高频、高功率及高温领域。相比于传统硅基器件,碳化硅功率器件能够实现提高电子设备工作效率、降低装置体积和重量、增加抗辐照性能等目的,满足新一代航天器对功率半导体器件的要求。对于SiC MOSFET器件来说,总剂量效应是制约其在空间环境中长期稳定工作的重要因素。迄今为止针对SiC MOSFET器件总剂量效应的研究较少,且多以常规实验为主。基于上述背景,本文结合理论模拟和总剂量辐照实验,深入的分析了SiC MOSFET器件总剂量效应的退化规律以及物理机制。论文的主要研究内容及结果是:(1)为了研究总剂量效应引发器件电学性能退化的微观物理机制,利用TCAD工具构建SiC MOSFET器件的二维仿真模型,对其总剂量效应进行理论模拟。研究结果表明,Si O2/SiC处界面态陷阱电荷浓度的增加不会引起器件电学性能发生明显改变,器件氧化层中氧化物陷阱电荷浓度的增加会造成器件阈值电压发生明显漂移。辐照感生的氧化物陷阱电荷是导致器件性能退化的主要原因。(2)为了研究偏置条件对SiC MOSFET器件总剂量效应的影响,本文针对SiC MOSFET器件开展了不同偏置(栅压偏置、漏压偏置、零偏)下的总剂量辐照实验。研究结果表明,γ射线辐照后,器件的阈值电压、击穿电压以及饱和漏电流等静态电学参数发生明显变化;但在不同偏置下,辐照后器件的电学参数退化程度明显不同,相较于其他两种偏置,栅压偏置下辐照后器件的退化程度最大。栅压偏置是器件辐照过程中的最恶劣偏置条件。(3)在确定栅压偏置是辐照时的最恶劣偏置后,为了进一步研究栅极电压与器件辐照退化程度之间的依赖关系,针对SiC MOSFET器件开展了不同栅压(1V、3V、5V、10V、20V)下的总剂量辐照实验。实验结果表明,栅压小于3V时,辐照后器件阈值电压漂移量随栅压增大而增大;当栅压大于3V时,辐照后器件阈值电压漂移量随栅压增大而会减小。高栅压偏置时引发空穴俘获截面减小是导致辐照后器件阈值电压回漂的主要原因。(4)为了研究温度对SiC MOSFET器总剂量效应的影响,针对SiC MOSFET器件开展了常温以及100℃下的总剂量辐照实验,并结合辐照后的不同栅压、不同温度下的退火实验,研究了温度对器件总剂量辐照退化产生影响的物理机理。研究结果表明,辐照时的高温环境会导致器件辐照后的退化程度降低,隧穿退火是高温辐照后器件退化程度降低的主要原因。
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