碳化硅功率MOSFETs粒子辐射效应机理及低载流子寿命控制加固方法研究

Silicon carbide power MOSFETs make the power electronics system smaller, faster, more efficient and more reliable, and have tremendous potential in the aerospace field. However, silicon carbide power MOSFETs are very sensitive to high-energy particles, that limits their applications because of the triggering of the degenerative effect and single event burnout effect. In this project, we regard the radiation response of the silicon carbide power MOSFETs introduced by the incident particles as the research object, and study the radiation effect mechanism and low carrier lifetime control reinforcement method scientifically. The specific contents include: 1) Studying the simulation models of the energy loss, electron-hole pair distribution, self-heating effect and stress-strain coupling in the particle radiation effect. 2) Analyzing and calculating the internal parameters of the device theoretically after radiation, investigating the particle radiation effect mechanism, and evaluating the particle radiation hardening performance of the device. 3) The low carrier lifetime control hardening method is investigated through both the simulation and experiment, and makes the safe working voltage of SiC power MOSFETs reach the value of breakdown voltage. The purpose of the project is to reveal the variations of the performance for the silicon carbide power MOSFETs based on different particle incident conditions, to provide a favorable basis for the degradation and failure assessment of the device, and to establish the theoretical and technical foundation for the development of the particle radiation hardening devices.

碳化硅功率MOSFETs可使电力电子系统变得更小、更快、更高效且更可靠，在航空航天领域具有巨大的开发潜力。然而，碳化硅功率MOSFETs对高能粒子非常敏感，产生的退化效应和单粒子烧毁效应限制了其应用。本项目以空间入射粒子在碳化硅功率MOSFETs中引起的辐射响应为研究对象，对辐射效应机理和低载流子寿命控制加固方法进行基础科学研究。具体内容包括：1）研究粒子辐射效应中入射粒子能量损耗、电子-空穴对分布以及自热效应和应力应变耦合的仿真模型。2）理论分析与计算辐射后器件内部参数变化规律、探究粒子辐射效应机理以及评估器件粒子辐射加固性能。3）通过模拟和实验两方面研究低载流子寿命控制加固方法并使SiC功率MOSFETs的安全工作电压达到击穿压值。本项目旨在揭示碳化硅功率MOSFETs性能随不同条件入射粒子的变化规律，为器件退化和失效评估提供依据，为研制粒子辐射加固器件奠定理论和技术基础。

本项目针对碳化硅（SiC）功率MOSFETs器件宇航空间应用领域面临的挑战，开展了SiC功率MOSFETs器件粒子辐射效应及辐射加固技术研究。首先，以传统SiC功率MOSFETs器件为研究对象，探究粒子辐射效应仿真模型，对粒子辐射效应仿真模型进行了详细研究，并通过模拟和实验验证了模型的准确性。在完成粒子辐射效应仿真模型基础上，对入射粒子引起的漏电流退化效应和单粒子效应进行了全面研究，其中既包括实验研究又包括模拟研究。实验研究表明，国产SiC功率MOSFETs器件在低于400V漏偏压下会发生轻微的漏电流退化现象；当漏偏压加到500V时，器件则发生了严重的漏电流退化，即长时间辐射将导致器件漏电流不断退化直至烧毁；当漏偏压加到550V时，器件最终触发了瞬态SEB效应，即器件的SEB阈值电压在500~550V之间，这与国外同类型产品辐射实验测试性能相当。通过进一步数据分析，发现即使在550V漏偏压下栅极电流仍处于较低水平，即没有引发栅漏电流退化现象。模拟研究表明，当漏源电压低于450V时，器件源极金属/SiC材料界面的最高温度大于外延层/衬底结；当漏压达到500V时，温度导致的漏电流退化在源极金属界面发生；因此，为了实现SiC MOSFETs器件的重离子辐射加固，需要同时降低重离子入射后源极金属界面和衬底结两个位置的峰值温度。在上述实验和模拟研究基础上，本项目继续开展了粒子辐射效应加固的相关工作：完成了额定1.2-kV超结SiC功率VDMOS的重离子辐射模拟仿真研究，并在此基础上完成了基于单缓冲层结构的加固优化设计，可将退化阈值和SEB阈值分别提高至800V和1200V；完成了1.2-kV CoolSiC槽栅功率VDMOS，并在此基础上完成了基于单缓冲层结构的加固优化设计以及低载流子寿命控制（LCLC）加固优化设计，可将退化阈值和SEB阈值分别提高至800V和900V；完成了1.5-kV SiC器件结型终端扩展型（JTE）终端结构的重离子辐射效应模拟仿真研究，并在此基础上完成了基于多重缓冲层结构的加固优化设计，可将SEB阈值提高至1200V以上。在研究计划的基础上，本项目还进行了硅（Si）功率SOI LDMOS总剂量效应机理与加固研究、分立栅Si功率MOSFET（SGE-MOSFET）器件单粒子效应机理与加固研究。