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电动汽车驱动 SiC器件 ★ 4.0

碳化硅MOSFET中分裂栅结构对单粒子栅氧损伤的影响

Effect of Split-Gate Structure in SiC MOSFET on Single-Event Gate Oxide Damage

作者 Leshan Qiu · Yun Bai · Yan Chen · Yiping Xiao · Jieqin Ding · Yidan Tang
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年2月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅分裂栅MOSFET 重离子辐照 单事件栅氧化层损伤 辐照可靠性 设计优化
语言:

中文摘要

本研究设计了一种碳化硅(SiC)分裂栅金属氧化物半导体场效应晶体管(SG - MOSFET),以评估分裂栅(SG)结构对重离子辐照下单事件栅氧化层损伤的影响。通过氪($^{84}$Kr$^{+18}$)离子辐照实验与传统金属氧化物半导体场效应晶体管(C - MOSFET)进行比较,结果表明,SG - MOSFET在单事件漏电流(SELC)退化方面没有显著改善。然而,在漏极偏置为100 V的条件下进行辐照后,SG - MOSFET在辐照后栅极应力(PIGS)测试中达到电流限制时的栅极偏置增加了约60%,这表明SG - MOSFET在低漏极偏置下提高了其辐照可靠性。在C - MOSFET中,损伤位于有源区内结型场效应晶体管(JFET)区域中心上方。相比之下,在SG - MOSFET中,损伤出现在主结区域多晶硅栅的拐角处。这种损伤位置的变化表明,SG结构将最敏感点从JFET区域的中心转移到了其他区域。然而,SG制造过程中的结构偏差可能会引入新的敏感点。因此,需要进一步进行设计优化,以提高在更高漏极偏置下的辐照生存能力。

English Abstract

This study designed a type of silicon carbide (SiC) split-gate MOSFETs (SG-MOSFETs) to evaluate the effect of SG structure on single-event gate oxide damage under heavy-ion irradiation. Comparisons with conventional MOSFETs (C-MOSFETs) by krypton (84Kr+18) ion irradiation experiments showed that SG-MOSFETs exhibited no significant improvement in single-event leakage current (SELC) degradation. However, following irradiation at a drain bias of 100 V, the gate bias at which the SG-MOSFET reached the current limit during postirradiation gate stress (PIGS) tests increased by approximately 60%, indicating SG-MOSFETs enhanced their irradiation reliability at low drain bias. In C-MOSFETs, the damage was located above the center of the JFET region within the active region. In contrast, in SG-MOSFETs, the damage was observed at the corner of the polysilicon gate in the main junction region. This shift in the damage location suggests that the SG structure moves the most sensitive point from the center of the JFET region to other areas. However, structure deviations during the manufacturing of the SG may introduce new sensitivities. Therefore, further design optimization is needed to improve irradiation survivability at higher drain biases.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于SiC MOSFET分栅结构抗单粒子辐射损伤的研究具有重要的战略参考价值。SiC MOSFET作为光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件,其可靠性直接影响系统的长期稳定运行,尤其在航空航天、高海拔或强辐射环境应用场景中。

研究表明,分栅结构(SG-MOSFET)能够将辐射敏感点从JFET区域中心转移至栅极拐角位置,在100V漏极偏置下,辐照后栅极应力测试中的电流限制提升约60%,这对提升低偏置工况下的器件可靠性具有积极意义。对于阳光电源的光伏逆变器产品,这意味着在特定工况下可获得更好的抗辐射性能,延长器件寿命。然而,SG结构在单粒子漏电流(SELC)退化方面未显示明显改善,且在高漏极偏置下仍存在新的敏感性问题,这提示该技术尚处于优化阶段。

从应用前景看,该技术对阳光电源拓展特殊应用场景(如太空电源系统、极地光伏电站)具有潜在价值,但目前技术成熟度有限。关键挑战在于:一是制造工艺偏差可能引入新的可靠性风险,需要严格的工艺控制;二是高压工况下的抗辐射性能仍需突破,而这恰是逆变器应用的典型场景。

建议阳光电源保持对SiC器件抗辐射技术的跟踪研究,可考虑与器件供应商或研究机构合作,针对实际应用工况提出定制化需求。同时,在常规地面应用中,现有SiC MOSFET技术已能满足可靠性要求,无需过度关注辐射加固特性,应更聚焦于降低成本和提升效率等核心竞争力。