基于外延掺杂物理模型的SiC功率器件单粒子泄漏电流阈值预测研究

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：Physical Models for Epitaxial Doping Dependence of Single-Event Leakage Current in SiC Power Devices

本文推荐研究人员针对SiC功率器件在重离子辐射下易发生单粒子泄漏电流（SELC）退化的问题，开展了外延掺杂依赖性物理模型研究。通过理论推导与实验验证，提出了高线性能量传输（LET）条件下SELC阈值电压仅与外延层掺杂浓度相关的解析模型（VSELC,sat ∝ NEPI-1/3），并修正了低LET区的临界功率模型（VSELC ∝ LET-1/2）。该模型为1200V至6500V级SiC器件抗辐射设计提供了关键理论依据，对航天及地面高可靠性应用具有重要意义。

　　

在追求更高效率、更小体积的功率电子系统中，宽禁带半导体材料碳化硅（SiC）凭借其卓越的耐高压、耐高温特性，正逐步取代传统硅基器件，特别是在航空航天、新能源汽车等极端环境应用中展现出巨大潜力。然而，当这些器件运行于存在宇宙射线或放射性粒子的环境中时，高能重离子的撞击可能引发灾难性故障。其中，单粒子泄漏电流（Single-Event Leakage Current, SELC）是一种典型的非灾难性但会导致器件性能逐步退化的效应，表现为器件在受到重离子撞击后产生不可恢复的泄漏电流增加，严重影响系统长期可靠性。长期以来，工程界面临一个核心挑战：如何准确预测并提升SiC功率器件抵抗SELC的能力？传统的观点多将器件的耐辐射能力与其外延层厚度挂钩，认为越厚的阻挡层能更好地抵御离子侵袭，但这一假设缺乏精确的物理模型支撑，且无法解释一些实验中的反常现象。例如，为何具有相同额定电压但不同外延掺杂浓度的器件，其SELC阈值会存在显著差异？为了揭开这一谜团，由A. Sengupta领衔的研究团队开展了一项深入的理论与实验研究，其成果最终发表在《IEEE Transactions on Nuclear Science》上。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用美国德州农工大学K500回旋加速器产生多种重离子（如²⁰Ne、⁴⁰Ar、¹⁰⁹Ag、¹⁴¹Pr）对1200V至6500V额定电压的SiC JBS二极管和MOSFET进行辐照实验，监测其泄漏电流变化以确定SELC阈值；其次，通过SRIM软件计算离子在SiC中的线性能量传输（Linear Energy Transfer, LET）和射程；第三，采用基于耗尽层近似理论的解析建模方法，推导耗尽区存储的临界能量（U_SELC）与SELC阈值电压（V_SELC）及外延掺杂浓度（N_EPI）的数学关系；最后，通过对比分析不同外延参数（掺杂浓度、厚度）的商用器件（来自General Electric和Wolfspeed公司）实验数据，验证所提出物理模型的普适性。

实验结果与分析

研究团队通过系统的实验获得了关键数据。图3(a)和(b)分别展示了MOSFET和二极管在不同LET离子辐照下的SELC阈值电压。一个关键发现是：对于高LET（>30 MeV·cm²/mg）离子，SELC阈值主要取决于外延层的掺杂浓度，而与外延层的厚度关系不大。例如，外延掺杂浓度为8×10¹⁵ cm^-3的1200V器件（#1）与外延厚度达40μm但掺杂浓度相同的1200V*器件（#2），在¹⁴¹Pr离子辐照下，其V_SELC均约为200V。相反，外延掺杂更低的4500V器件（#4，N_EPI=2×10¹⁵ cm^-3）的V_SELC则显著提高至375V以上。这一现象直接挑战了“厚度决定抗辐射能力”的传统观念。

基于耗尽近似理论，研究人员建立了关键的物理模型。他们推导出在SELC阈值电压V_SELC下，耗尽层宽度W_SELC的表达式（公式1），进而得到耗尽层存储的临界能量密度U_SELC（公式3）。分析表明，U_SELC仅与V_SELC和N_EPI有关。表I.I和I.II的数据显示，在高LET条件下，U_SELC,sat趋于一个常数，约为90 ± 15 μJ/cm²。这一常数的发现意味着，SELC的发生存在一个临界能量密度阈值，当重离子释放的能量达到此阈值时，便会触发器件的永久性退化。

对于低LET（<15 MeV·cm²/mg）区域，研究团队则对现有的临界功率模型进行了修正。他们将Johnson等人模型中的活性层厚度X重新定义为与器件击穿电压相关的本征参数，即外延层厚度L_EPI（公式5）。修正后的模型（V_SELC ∝ (L_EPI/LET)^1/2）在低LET区与实验数据表现出良好的一致性（图6,7）。这表明在低LET条件下，离子轨迹电阻较高，其产生的电子空穴对是导致泄漏电流退化的主要机制，器件的物理尺寸（厚度）开始发挥作用。

讨论与结论

本研究最重要的贡献在于明确区分了SELC在不同LET区间的物理主导机制，并建立了统一的预测模型。在高LET区，SELC阈值由外延掺杂浓度决定，遵循V_SELC,sat ∝ N_EPI^-1/3的规律（公式8），这源于耗尽层存储能量的临界释放。图8清晰地展示了该模型与实验数据的完美吻合，验证了其正确性。这一规律与单粒子烧毁（Single-Event Burnout, SEB）的物理模型相似，暗示两者可能共享部分底层物理过程，只是SELC所需的临界能量远低于SEB。

研究结论明确指出，优化SiC功率器件的抗SELC能力，尤其是在高辐射风险（高LET离子）的应用场景中，应优先考虑采用更低掺杂浓度的外延层设计，而非单纯增加外延层厚度。这为器件制造商提供了清晰且成本效益更高的设计指南。该物理模型成功地将器件的材料参数（N_EPI）与宏观的辐射效应阈值联系起来，实现了从经验性规律到理论预测的跨越。它不仅适用于二极管，也适用于MOSFET的漏-源SELC（DS-SELC）机制，表明其具有广泛的适用性。这项研究为未来开发用于太空和高端工业领域的“辐射硬化”SiC功率器件奠定了坚实的理论基础，对提升相关电子系统的在轨寿命和地面运行可靠性具有深远意义。