研究论文

8 元胞拓扑和JFET宽度对SiC MOSFET耗尽层的影响

随着电力电子系统在光伏、新能源汽车、智能电网等领域的广泛应用，对高温、高频和高压器件的需求不断增长。与传统的硅基器件相比，碳化硅（SiC）电力电子器件具有更大的禁带宽度、更高的饱和电子漂移速度、更高的击穿场强和更高的热导率等特性。这些特性决定了SiC MOSFET具有低导通电阻、高功率密度和高温耐受性的优势，并成为最具前景的器件之一。然而，在SiC MOSFET器件的制造过程中，由于工艺波动以及4H-SiC材料本身的原因，器件的电学参数会不同程度地波动。而且在栅氧层界面处还会或多或少地出现一些界面态，导致大规模生产的4H-SiC MOSFET的鲁棒性和可靠性降低。特别是，当SiC MOSFET处于关闭状态一段时间时，栅氧化层处的界面电荷的存在会改变半导体表面的电势电位，从而影响整个耗尽层的形成。作为PN结的核心区域，耗尽层能够有效地调节器件内部的电场分布，抑制诸如JFET区域边缘或结终端处等关键位置的峰值电场，从而使电场在更广泛的区域内均匀分布，并充分发挥高临界击穿电场的优势。此外，它有助于降低结电容（C_oss、C_gd），缩短开关过程中的充电和放电时间，从而降低开关损耗。因此，对SiC MOSFET中耗尽层的研究对于优化器件的电场调节和开关性能至关重要。但是目前仍缺乏一种能够检测并描述JFET区域耗尽层变化的检测方法。

近日，重庆大学陈显平教授课题组设计并制造了一种具有不同JFET宽度和元胞拓扑结构的1200 V 4H-SiC MOSFET功率器件。基于TCAD仿真工具和C_g-V_g曲线测试，讨论并分析了该器件在不同栅极电压（V_g）下的电容变化情况。主要研究了元胞拓扑结构、JFET宽度与JFET耗尽电压（V_g）之间的关系，发现当JFET宽度≤1.4 μm时，条形元胞和六边形元胞主要受到耗尽层横向扩展的限制。当JFET宽度≥1.6 μm时，六边形元胞表现出比条形元胞更大的有效JFET宽度，需要更负的栅极电压才能使JFET区域完全耗尽。在相同的JFET宽度下，条形元胞在栅极氧化层中的电场强度低于六边形元胞，导致被栅极氧化层界面吸引的电荷更少。然而，随着JFET宽度的增加，电场强度的差异逐渐减小。通过对比分析，本文揭示了元胞拓扑结构对电场分布的影响，为提高栅极电压的稳定性、明确关键的JFET宽度以及降低器件的可靠性风险提供了实验数据支持。此外，HTGB测试表明，增加的JFET宽度会导致在条形和六边形元胞中都出现额外的正电荷积累，从而导致耗尽电压漂移（∆V_g）。然而，通过比较电荷注入量，发现六边形元胞注入的电荷对JFET宽度变化的敏感度较低。这主要是因为随着JFET宽度的增加，六边形元胞每个顶点处形成的耗尽层能够有效地缓和JFET中心的电场，并减少栅氧化层界面的电荷注入。基于这一特性，六边形元胞结构具有更好的电场屏蔽效果和更高的鲁棒性。这种结构优势进一步推动了宽禁带半导体器件在高压和高功率领域的应用进程。

图1. JFET 区域完全耗尽时的（a）JFET宽度- C_g曲线；（b）JFET 宽度-V_g曲线。

图2. 当JFET宽度分别为（a）1.2 μm；（c）1.6 μm和（e）2.0 μm时，沿Y轴的电场分布情况；当JFET宽度分别为（b）1.2 μm；（d）1.6 μm和（f）2.0 μm时，沿X轴的电场分布情况。

文章信息：

Effects of cell topology and JFET width on depletion layer of SiC MOSFET

Bofeng Zheng, Houcai Luo, Huan Wu, Jingping Zhang, and Xianping Chen

J. Semicond. 2026, 47(4), 042102  doi: 10.1088/1674-4926/25060030

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9 双极器件中的低剂量率辐射损伤增强效应和辐照前高温应力效应：钝化层中氢的作用

随着商业航天产业的快速发展，为降低成本与缩短设计周期，航天器电子系统日益倾向于采用商用现货（COTS）器件。但这类器件在空间环境中使用时仍存在可靠性挑战，其中双极型器件的关键问题在于低剂量率辐射损伤增强（ELDRS）效应。当前相关研究仍缺乏对超低剂量率下辐射损伤机理的深入认识，这导致现有加速试验方法的评估保守性存疑。同时，辐照前高温应力（PETS）会大幅削弱器件的抗总剂量辐射能力，而电子器件在制造与存储过程中所经历的热冲击等高温过程，则会进一步加剧其性能退化，从而增加航天器的可靠性风险。现有研究证实，钝化层是影响ELDRS与PETS效应的关键要素。Si/SiO₂界面及钝化层内氢的浓度、分布差异，是辐射损伤呈现剂量率依赖特征的主要诱因，去除钝化层可有效抑制两类效应。尽管有实验指出Si₃N₄等钝化层会引入大量氢并加剧损伤，但目前仍缺乏对相关物理机制的系统性分析，特别是氢键类型与ELDRS、PETS效应之间的关联尚未得到明确阐释。

近日，西北核技术研究院缑石龙对多款典型双极工艺集成电路开展了极低剂量率下的辐照试验和辐照前高温应力试验。试验结果表明，部分器件在0.002 rad(Si)/s的超低剂量率辐照下，性能退化程度较0.01 rad (Si)/s常规低剂量率工况高出三倍以上，同时呈现显著的PETS效应，最大增强因子可达20.3。研究还发现，具备PETS效应的器件，其ELDRS饱和剂量率均低于0.01 rad (Si)/s。为厘清相关现象的内在物理机制，团队对器件钝化层开展组分表征分析。结果显示ELDRS饱和剂量率小于0.01 rad (Si)/s的器件，钝化层整体氢含量偏高；而出现强PETS效应的器件，内部双氢键占比显著更高。据此提出了上述试验现象的机理：超低剂量率下的ELDRS效应，源于辐照过程中钝化层含氢缺陷释放H⁺，并迁移至 Si/SiO₂界面引发损伤；PETS效应则主要由钝化层内N–H₂、Si–H₂键经高温处理释放H₂所致，H₂向氧化层迁移后，可在辐照作用下与氧化物陷阱电荷发生反应，进一步解离生成H⁺，最终加剧器件辐射损伤。

双极器件低剂量率辐射损伤增强效应和辐照前高温应力效应的试验和机理研究，对于此类器件在抗辐射性能评估和加固改进具有重要的参考和指导意义。

图1. 在不同的剂量率(50, 0.1, 0.01, 0.002 rad(Si)/s辐照下四款双极器件的ΔI_B 随辐照总剂量的变化曲线：(a) TSB7192 (b) TSB712 (c) LM139 (d) LM211。

图2. 双极器件钝化层中的氢对ELDRS效应的影响机制图示。

图3. 双极器件钝化层中的氢对PETS效应的影响机制图示： (a) 辐照前高温应力过程 (b) 高剂量率辐照过程。

该文章以题为“Enhanced low dose rate sensitivity and pre-irradiation elevated-temperature stress effects in bipolar devices: role of hydrogen in the passivation layer”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Enhanced low dose rate sensitivity and pre-irradiation elevated-temperature stress effects in bipolar devices: role of hydrogen in the passivation layer

Shilong Gou, Wuying Ma, Zhibin Yao, Zujun Wang, Jiangkun Sheng, and Yuanyuan Xue

J. Semicond.  2026, 47(4), 042301 doi: 10.1088/1674-4926/25090014

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