抗辐射半超结SiC MOSFET研究

今天这篇文章来自伦斯勒理工学院，主要内容是抗辐射半超结SiC MOSFET研究。

先介绍背景

空间环境中，高压SiC功率器件易受重离子轰击引发的单粒子烧毁（SEB）影响，导致器件出现灾难性损坏

已有报道证明，传统平面型SiC MOSFET的单粒子烧毁可能在器件额定阻断电压的50%以下发生

仿真分析显示，失效过程大致如下，重离子轰击产生电子-空穴等离子体，导致N外延层/ N+衬底界面的电场增强，进而在该界面形成介观等离子体

已有研究指出，在传统平面型SiC MOSFET的外延层和衬底之间插入缓冲层，可抑制电场增强，进而提高单粒子烧毁阈值电压V_SEB

基于此，本文在SiC超结MOSFET的柱区与衬底之间添加均匀掺杂区域，使其演变为半超结器件，并通过仿真研究，证实该结构可大幅提升V_SEB

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器件结构如上，

（a）为3D结构，（b）为semi-SJ（半超结）截面图，（c）为SJ截面图，（d）为传统平面型MOS截面图，红色区域为衬底，黄色区域为N型外延层，蓝色区域为P型柱区，黑色虚线为仿真时设置的重离子轨迹。

此前研究发现，在重离子轰击中，P柱是最薄弱的区域，因此semi-SJ和SJ结构，黑色虚线均位于P柱区域。

X_total为漂移区厚度，仿真中设为31μm

X_SJ为柱区深度，X_TFL为柱区与衬底之间的均匀掺杂层厚度

这里解释一下，TFL，Triangular field layer，三角形电场层

设置TFL层的目的，是当器件发生雪崩击穿时，在该层形成三角形电场分布。

至于为什么要形成三角形电场分布，且看后面的分析。

针对半超结结构，研究不同柱宽、不同柱区深度下的抗辐射能力，柱宽包括1.2μm和2.4μm，柱深则通过调整X_SJ/X_total实现拉偏，仿真中，将该值分别设为0.9、0.75和0.5，仿真中使用Ag离子作为重离子，单个入射Ag离子携带的能量设为1289 MeV，LET（linear energy transfer）设为46 MeV·cm²/mg，这里解释一下，LET，线性能量转移值，到底是啥意思？

顾名思义，就是重离子在穿过半导体材料时，在单位路径长度上，沉积的能量大小，可以理解成，LET值越大，重离子在单位长度内撞击出的电子-空穴对越多，产生的初始等离子体柱密度越高，更容易触发后续的雪崩和热失控。

换言之，LET值越大，重离子初始携带能量的转化率越高，转化成什么能量？答：器件雪崩、热失控所需的能量。

仿真中将晶格温度达到3000K定为发生单粒子烧毁的判据，此前研究已证实，该判据与传统平面型MOSFET的实测结果一致。

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如上，不同柱宽、不同X_SJ/X_total条件下，器件V_SEB值，其中，最左侧的点是non-SJ，最右侧的点是SJ，当X_SJ/X_total=0.9时，V_SEB最大，为2050V，以下将基于X_SJ/X_total=0.9的情况，讨论单粒子烧毁失效机制。

当重离子轰击SiC晶格时，会产生电子-空穴对，所产生的载流子浓度比背景浓度高出数个数量级，电子流向漏极，空穴流向源极，载流子迁移导致电场分布发生畸变，产生与BJT中的柯克效应（Kirkeffect）类似的效果，

即高浓度可动载流子导致耗尽区电荷中性被破坏，引起电场分布重新调整，峰值电场位置移动并增强。

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不同时间下，沿着重离子入射轨迹，提取电场分布如上，

对比0 ps和2.5 ps，看得很清楚，2.5 ps时，源极接触附近（0μm处）、TFL-衬底界面附近（31μm处）均出现电场增强现象，原因是源极接触下方积累了过量空穴，TFL-衬底界面附近积累了过量电子，源极接触附近的电场增强现象到63 ps时基本消失，这是因为电子从N+区注入，平衡过量空穴，中和表面电场。

尽管半导体表面电场增强现象消失，但TFL-衬底界面电场仍然持续增强，63ps时达到3.1MV/cm的最大值。

电场增强导致显著的碰撞电离，产生更多载流子，进而形成局部高电流密度，最终导致介观等离子体（mesoplasma）形成。

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三种器件的温度分布图如上，

可以看到，SJ和non-SJ器件，峰值温度出现在外延和衬底界面，而semi-SJ器件，结合之前的电场分布图可以看到，到100ps时，峰值电场已经从TFL-衬底界面转移至柱区-TFL界面，到490ps时，电场强度已从3.1MV/cm降至2.3MV/cm，因此温度分布显示，semi-SJ器件的峰值温度出现在柱区-TFL界面，单粒子烧毁在此发生。

换言之，通过引入TFL层，使峰值电场位置从衬底-外延界面，转移至柱区-TFL界面，进而改变介观等离子体形成位置，显著提升V_SEB。

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为定量比较单粒子烧毁能力与导通能力之间的权衡关系，定义一种新品质因数，FOM=（SEB/BV）*（R_1DLimit/R_on,sp），不同柱宽、柱深条件下，FOM变化如上，基于该新品质因数，semi-SJ器件的整体性能比SJ器件高出78%-86%，原因是semi-SJ器件的V_SEB相比SJ器件提升了64%-116%，而电阻增幅不足10%。

小结：

1、在SiC超结MOSFET的柱区与衬底之间添加TFL层，使其演变为半超结器件，当器件发生雪崩击穿时，在TFL层形成三角形电场分布，由此改变峰值电场位置。

2、当X_SJ/X_total=0.9时，semi-SJ器件的V_SEB最大，为2050V，相比SJ器件、non-SJ器件，V_SEB增幅接近2倍。

原理是，通过引入TFL层，使峰值电场位置从衬底-外延界面，转移至柱区-TFL界面，进而改变介观等离子体形成位置，显著提升V_SEB

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