本文是一篇关于氧化镓(Ga2O3)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在单粒子烧毁(single event burnout, SEB)事件中的机制研究的文章。文章通过使用技术计算机辅助设计(TCAD)模拟来探究侧向耗尽型氧化镓MOSFET设备在SEB中的敏感区域和安全操作电压,并提出了辐射损伤机制。
引言部分首先指出了随着航空航天和核能的不断发展,对于在高辐射环境中可靠运行的电子设备的需求日益增加。氧化镓作为一种新型宽带隙半导体材料,具有高电子迁移率和超宽带隙,适用于高击穿电压(BV)、大输出电流和高功率因子(PFOM)的应用,因此在地球和太空中的动力设备应用中具有潜力。然而,在太空应用中,这些设备可能会暴露在高能质子、电子和重离子等多种辐射源下,这些辐射源可能会降低Ga2O3设备的电气特性,甚至导致灾难性损坏。
文章回顾了以往关于Ga2O3基场效应晶体管(FET)设备辐射效应的研究,包括使用质子、γ射线等进行的辐照实验。这些研究表明,随着质子辐照通量的增加,设备的性能会下降。此外,γ射线辐照对β-Ga2O3通道的缺陷产生不严重,载流子浓度和迁移率保持不变。然而,关于重离子辐照Ga2O3 MOSFET的研究报道较少。Ma等人使用TCAD平台模拟了β-Ga2O3 MOSFET的瞬态特性,并研究了单粒子效应(SEE),发现随着漏极电压(VDS)、线性能量转移(LET)和重离子入射角的增加,漏极瞬态电流的峰值会增加。文章指出,与Si和SiC VDMOS设备中的寄生晶体管结构不同,Ga2O3 MOSFET是一种没有PN结结构的场效应晶体管,内部没有寄生晶体管结构。由于掺杂引起的深受主能级,Ga2O3中形成P型通道非常困难。因此,重离子辐照引起的设备故障机制在β-Ga2O3 MOSFET中仍有待研究。
在模拟设置部分,文章基于Higashiwaki等人的实验,建立了一个370V耗尽型Ga2O3 MOSFET设备的模型。设备各区域的具体厚度和掺杂浓度在表I中给出。图1展示了该功率器件的侧向结构,包括单晶β-Ga2O3基底上生长的300nm n型Ga2O3外延层,源和漏接触通过Si的离子注入形成,具有高斯供体掺杂浓度和特定厚度。器件的顶部是一个长度为2μm、带有20nm厚Al2O3介电层的栅极电极。Ga2O3材料参数在表II中给出。模拟中考虑了泊松方程、载流子输运方程和载流子连续性方程等主要物理方程,以及SRH复合模型、CVT模型、费米-狄拉克统计模型、能带缩窄模型和冲击模型等主要模型。最终,基于上述典型的物理方程和器件模型,模拟了器件的电气特性。
在分析与讨论部分,文章首先分析了设备的SEB敏感区域。通过在截止状态下使用负偏置VGS=-20V,逐渐增加漏极电压VDS以寻找设备的SEB阈值电压。文章讨论了LET=10 MeV cm2/mg时设备的SEB敏感区域,并展示了结果。图3显示,在x0=14μm处,SEB的阈值电压随不同入射位置而变化,表明SEB敏感区域位于栅极和漏极之间。结合电场分布分析了设备的敏感区域,发现在x0=14μm时,SEB的阈值电压为VDS=100V。
文章进一步分析了SEB现象的微观机制。在重离子入射后,设备内部的载流子浓度分布和电场强度在不同时间点的变化。图5展示了重离子入射前后设备内部电子和空穴浓度的分布。在重离子入射前,由于设备处于截止状态,载流子被耗尽,没有导电通道。重离子入射后,沿入射路径产生大量电子-空穴对。由于VDS为正,设备内部存在从漏极到源极方向的电场。这些电子和空穴在电场的驱动下发生漂移,导致耗尽层下面的通道逐渐打开。
文章还讨论了SEB现象的电流密度和影响生成率随时间的变化。重离子引起的电子-空穴对生成率在大约1×10−10s时达到峰值,同时电流密度和影响生成率随时间逐渐增加。由于重离子的入射,电子电流密度沿离子轨迹开始增加。在重离子入射过程中,影响生成率的增加导致载流子浓度增加,电子在电场的作用下向漏极漂移,导致电流不受限制,电子电流密度增加。
文章得出结论,通过TCAD模拟分析了侧向耗尽型β-Ga2O3 MOSFET的SEB效应。研究发现SEB最敏感区域位于栅极靠近漏极的一侧。结合设备内部不同时间点的电气参数分布,SEB在Ga2O3 MOSFET中的机制归因于设备内部没有PN结的特殊场效应晶体管结构。重离子入射会在入射路径上产生大量电子-空穴对,栅极下方积累的空穴逐渐增加栅极电压,降低栅极控制能力。同时,大量电子开始漂移,耗尽层逐渐变窄,远离栅极的基底层通道打开。SEB电流通过MOSFET本体流动,形成V型的源-基底-漏极导电路径,而栅极下的通道层仍可被Ga2O3 MOSFET的负栅极电压偏置耗尽。
图 1: 横向氧化镓MOSFET器件的示意图
图 2: TCAD模拟得到的器件电气特性曲线
图 3: SEB阈值电压在器件中的分布
图 4: 重离子辐照时电场分布的演变
图 5: 重离子入射后载流子浓度分布
图 6: 重离子入射后的时间依赖参数空间演变和电流密度
图 7: 重离子入射后器件内部电子-空穴运动示意图
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