《Microelectronics Reliability》：Degradation mechanisms of gate oxide reliability in SiC Power MOSFETs under different energy proton irradiation
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质子能量依赖性导致SiC MOSFET栅氧化层可靠性下降，次级粒子是主要损伤机制，蒙特卡洛模拟验证了等效TID和DDD与击穿电压相关性。
薛斌瑞|魏颖|寻明珠|张丹|梁晓文|王嘉兴|徐敬仪|冯杰|于学峰|林文|郭琦|李玉东
中国科学院新疆物理化学技术研究所极端环境电子学重点实验室、特殊环境条件下功能材料与器件重点实验室，中国乌鲁木齐北京南路40-1号，830011
摘要
本研究探讨了在不同能量质子辐照下碳化硅（SiC）功率MOSFET的栅氧化层可靠性，未观察到单事件击穿（SEB）现象。结果表明，质子辐照引起的栅氧化层潜在损伤会导致栅氧化层击穿电压显著下降。随着质子能量的增加，器件栅氧化层击穿特性的退化变得更加严重。经过300 MeV质子辐照后，器件的栅氧化层击穿电压接近其额定电压。通过蒙特卡洛模拟计算了不同能量质子的等效总电离剂量（TID）和位移损伤剂量（DDD），以及产生的二次粒子的类型、能量和线性能量转移（LET）。分析表明，SiC MOSFET栅氧化层中的潜在损伤主要由二次粒子引起。较高的质子能量会导致更大的LET和更广的二次粒子范围，从而在栅氧化层内造成更严重的潜在损伤，进而显著降低栅氧化层的可靠性。
引言
碳化硅（SiC）作为一种第三代宽禁带半导体材料，具有较高的击穿场强、优异的导热性和高饱和电子漂移速度等优点[1][2]。制造的SiC功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）表现出较高的电压耐受性、高温耐受性、快速的开关能力和较低的导通损耗[3][4]。因此，它们成为高压、高温、高频和高功率开关应用的首选材料，在航空航天电力电子系统中具有广泛的应用潜力。空间环境中的高能粒子可能导致SiC MOSFET出现单事件泄漏电流（SELC）、单事件栅极断裂（SEGR）和单事件烧毁（SEB）等现象。这些效应会导致泄漏电流增加、栅氧化层退化，甚至器件失效，对空间电子设备的功能造成重大风险[5][6][7][8][9]。SEB效应会导致器件不可逆的失效，引起了研究人员的极大兴趣。SEB阈值电压与入射粒子的线性能量转移（LET）和器件漏极偏压之间存在反比关系[10]。因此，适当配置器件的工作电压可以避免SEB的发生。
在航空航天电力系统中使用SiC MOSFET时，必须同时考虑高能粒子引起的单事件瞬态缺陷和器件运行过程中的长期可靠性退化。由于制造工艺和材料特性，SiC MOSFET的栅氧化层可靠性本身就较为脆弱，辐射效应可能会进一步加剧这种退化[11][12][13][14][27]。邱乐山等人通过辐照后栅极应力（PIGS）测试发现，在重离子辐照下未受SEB影响的器件，其栅氧化层失效电压远低于规定的工作电压。这种现象归因于器件JFET区域中心上方约50纳米宽的损伤区以及邻近位置的类似潜在损伤[15]。因此，辐射效应会在栅氧化层中产生额外的故障，进一步降低其可靠性。
与重离子相比，质子在空间环境中具有更广泛的分布和更高的通量，因此研究它们对SiC功率MOSFET的长期可靠性影响至关重要。早期的研究主要集中在质子引起的SEB效应上。研究发现，在SEB发生之前，泄漏电流没有显著增加，静态特性也没有严重退化，从而得出质子不会对器件造成永久性损伤的结论[16]。然而，2023年Niskanen等人首次报告称，即使没有SEB发生，53 MeV质子辐照的器件也会表现出栅氧化层寿命的显著缩短[17]。这种潜在损伤的机制尚未得到解释。2025年，徐等人[18]观察到300 MeV质子辐照在高偏压条件下会导致SEB，而在低偏压条件下则会引发氧化层可靠性退化。他们将栅氧化层可靠性的退化归因于质子在栅氧化层中产生的位移缺陷。这些结果表明，质子辐照也会导致SiC器件栅氧化层可靠性的长期退化。这对于SiC器件在空间环境中的应用至关重要。尽管如此，当前的研究仍主要集中在质子引起的SEB效应上。关于栅氧化层可靠性的研究仍处于早期阶段，特别是质子引起的损伤机制以及可靠性退化与质子能量之间的关系仍不清楚。
在本研究中，选择了30 MeV、50 MeV和300 MeV的质子作为典型高能粒子、高通量区域质子和深穿透高能粒子的代表[19]。在确定每种质子能量的SEB阈值电压后，在相同的偏压条件和总注量下进行了辐照实验。随后进行了TDDB测试以获得栅氧化层击穿电压的Weibull分布。最后，利用蒙特卡洛模拟阐明了栅氧化层可靠性退化的机制。本研究从能量依赖的角度探讨了质子辐照对SiC MOSFET栅氧化层可靠性的影响，并基于现有研究进一步解释了潜在损伤的形成机制。
测试器件
商用1200 V n沟道垂直平面栅SiC功率MOSFET样品（C2M0080120D，CREE公司制造）采用TO-247-3封装，侧壁厚度约为0.6厘米。图1展示了SiC MOSFET结构的剖面图，详细说明了器件布局。所有器件都经过了辐照前后的电学特性测试。
辐射实验
使用加速器设施进行了30 MeV和50 MeV的质子辐照实验
静态参数的影响
图5显示了质子辐照过程中的在线电流（I_DS）监测结果。未发生SEB的器件表现出周期性的电流（I_DS）振荡，范围在10^-6 A到10^-8 A之间，频率与质子束周期同步，表明没有新的泄漏路径。发生SEB的器件则出现电流（I_DS）从标称水平突然上升到电流极限的激增。
所有经过SEB评估的器件的统计结果汇总在表III中。偏压升高会增加SEB发生的概率。在30 MeV条件下，没有器件出现这种情况
模拟与讨论
本研究利用基于模拟的分析进一步揭示了质子引起的栅氧化层潜在损伤的机制以及栅氧化层可靠性退化与质子能量的依赖性。器件可靠性的退化，甚至SEB的发生，可能是由直接入射的高能质子和质子-物质碰撞产生的二次粒子共同引起的[17]。
通过SRIM模拟，研究了直接入射的质子与其沉积的线性能量转移（LET）之间的关系
结论
本研究探讨了SiC功率MOSFET栅氧化层击穿特性的质子能量依赖性退化机制。实验结果表明，未发生SEB的器件在辐照过程中既没有泄漏电流激增，辐照后的静态参数也没有显著退化。然而，这并不意味着栅氧化层没有受到损伤。TDDB测试证实了辐照引起的可靠性退化，表现为不同的现象：低能量下的...
作者贡献声明
薛斌瑞：概念构思、方法论、数据管理、数据分析、软件开发、初稿撰写、审稿与编辑。魏颖：撰写、审稿与编辑、概念构思、资金筹集。寻明珠：模拟分析。张丹：数据管理。梁晓文：数据分析。王嘉兴：数据管理。徐敬仪：数据可视化。冯杰：方法论。于学峰：方法论。林文：监督。郭琦：资金筹集。李玉东：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究部分得到了新疆维吾尔自治区青年杰出人才计划（项目编号：2024TSYCCX0089）、中国科学院的重点部署项目（项目编号：JCPYJJ-22011）、天山人才培训计划（项目编号：2023TSYCTD0010）的支持，同时得到了新疆维吾尔自治区自然科学基金（项目编号：2024D01D30）和中国科学院重点部署项目（项目编号：RCJJ-145-24-22）的资助。
