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基于4H-SiC的低噪声前端电荷耦合晶体管,用于0.9%辐射能量分辨率
4H-SiC-Based Low-Noise Front-End Charge Coupling Transistor for 0.9% Radiation Energy Resolution
| 作者 | Jiuzhou Zhao · Weizong Xu · Hao Qu · Dong Zhou · Danfeng Pan · Xiaoyu Tang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | 宽禁带半导体 SiC器件 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅 低噪声电荷耦合晶体管 前端电子应用 α粒子检测 碳化硅结型场效应晶体管 |
语言:
中文摘要
本简报提出了一种基于宽带隙碳化硅(SiC)的方法,用于前端电子应用中的低噪声电荷耦合晶体管,可对α粒子进行精确检测并实现良好的能量分辨率。通过采用双栅外延结构设计的联合构建技术,减轻了沟道与底栅之间的电容耦合和电荷泄漏,同时结合蚀刻损伤修复以及干 - 湿 - 干氧化钝化制造工艺,制备出了 4H - SiC 结型场效应晶体管(JFET)。该晶体管室温泄漏电流约为 0.1 pA,输入电容密度低至 0.285 fF/μm²,输出电导低至 10⁻⁶ S,在 1 kHz 时实现了 1.1×10⁻¹⁹ A²/Hz 的良好噪声系数。同时,该晶体管的静态工作点得到了良好调制,最大跨导可在接近零栅极偏压处进行调节,通断比达到 10¹⁰。相应地,该 SiC JFET 在电荷信号分析中表现出色,标准误差为 0.24%,对 5.4 MeV 的α粒子能量分辨率为 0.9%。因此,这项工作为基于 SiC 的前端电子器件在辐射检测应用中开辟了道路。
English Abstract
This brief presents a wide bandgap SiC-based approach for the low-noise charge coupling transistor in the front-end electronic applications, demonstrating precise detection and energy resolution for the -particles. With the joint construction techniques based on dual-gate epistructure design with alleviated capacitive coupling and charge leakage between the channel and the bottom gate, along with the etching damage repair and dry-wet-dry oxidation passivation fabrication process, 4H-SiC junction field-effect transistor (JFET) with room-temperature leakage of ~0.1 pA, input capacitance density as low as 0.285 fF/ m2, and output conductance down to 10^-6 S has been fabricated, achieving a preferable noise figure of 1.1 10^-19 A2/Hz at 1 kHz. Meanwhile, the quiescent operation point has been well modulated with maximum transconductance tuned near zero gate bias, while the on-to-off ratio reaches 10^10 . Correspondingly, the SiC JFET demonstrates excellent performance in the charge signal analysis with a standard error of 0.24%, and an energy resolution of 0.9% for the 5.4-MeV -particle. This work thus paves a way for SiC-based front-end electronics in radiation detection applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于4H-SiC的低噪声前端电荷耦合晶体管技术虽然聚焦于辐射探测领域,但其底层技术突破对我们的核心业务具有重要的延伸价值。
**技术关联性分析**:该研究在SiC JFET器件上实现的突破——极低漏电流(~0.1 pA)、超低输入电容密度(0.285 fF/μm²)和优异的噪声特性——与阳光电源在光伏逆变器和储能系统中对功率半导体器件的需求高度契合。特别是其双栅极外延结构设计和干-湿-干氧化钝化工艺,为降低SiC器件的寄生效应和提升可靠性提供了新思路,这直接关系到我们功率模块的效率和长期稳定性。
**业务价值评估**:对于阳光电源的1500V+高压光伏系统和大容量储能变流器,SiC器件的低损耗和高温特性至关重要。该技术展示的10¹⁰开关比和精确的电荷控制能力,可能应用于我们逆变器中的高精度电流检测和保护电路,提升系统的故障诊断能力和安全性。此外,极低噪声特性对改善电能质量监测精度具有潜在价值。
**技术成熟度与挑战**:该技术目前处于实验室验证阶段,距离功率器件的大规模商用尚有距离。主要挑战在于从小信号器件向大电流功率器件的工艺迁移,以及成本控制。但其在SiC材料加工和表面钝化方面的工艺创新,可为我们与上游供应链(如SiC晶圆和模块厂商)的技术合作提供新方向。
**战略建议**:建议持续跟踪该技术在功率器件领域的演进,评估将相关低噪声设计理念引入我们新一代SiC功率模块的可行性,以强化产品在高精度控制和电磁兼容性方面的竞争优势。