CN111460655A - 重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法、装置，其中，重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法，包括：获取SiC MOSFET器件的参数信息；根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数；将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数；对比所述第一电学参数和所述第二电学参数，分析重离子辐射对SiC MOSFET器件电学参数的影响。该方法可以多尺度地观测和分析重离子在SiC MOSFET中产生的缺陷，确定缺陷电荷在器件内的分布情况，得到缺陷最终对器件参数造成的影响；与开展重离子辐照实验相比，在节省大量的时间和经费的同时可以对器件的抗辐照性能进行很好的预测和评估。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法、装置。
背景技术
碳化硅材料相对于硅材料有较大的禁带宽度和较高的热导率，这使得SiC MOSFET比硅基MOSFET在散热性能和击穿电压方面更具优势。正如碳化硅预期优越的材料特性，SiCMOSFET已经实现了高性能的系统应用。近年来碳化硅器件逐渐进入商用领域，尤其电动汽车行业的发展，碳化硅功率模块在电动车动力系统和充电桩中使用较多。
在电子电力系统中使用SiC MOSFET能很好的降低设备的重量和功耗，吸引着人们探索其在航空航天领域的应用。空间环境中的射线和粒子会影响电子器件的正常工作，严重时可能会损坏电子设备。SiC MOSFET在空间环境中使用同样会面临这些问题，轻则导致性能退化，重则可能使其烧毁。空间环境中重离子虽然通量较低，但其具有极强的能量损失特性。目前在SiC MOSFET重离子辐射损伤的研究中，主要集中在器件的宏观效应方面，对于微观机理方面研究较少，同时重离子实验机时比较宝贵，可申请用于碳化硅重离子辐照研究的较少。相比于传统的硅基器件，SiC MOSFET具有一些优势同时也存在一些问题。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法、装置以解决现有技术研究重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析操作复杂、成本高的问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法，包括：获取SiC MOSFET器件的参数信息；根据所示参数信息构建SiCMOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数；将缺陷电荷引入所述SiCMOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数；对比所述第一电学参数和所述第二电学参数，分析重离子辐射对SiC MOSFET器件电学参数的影响。
进一步地，所述获取SiC MOSFET器件的参数信息包括：获取SiC MOSFET器件的材料信息；获取SiC MOSFET器件的尺寸信息；和获取SiC MOSFET器件的重离子预入射位置信息。
进一步地，所述根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数包括：利用TCAD软件构建SiC MOSFET模型坯；根据所述SiC MOSFET器件掺杂浓度调整所述SiC MOSFET模型坯的掺杂浓度，得到与所述SiC MOSFET器件对应的SiC MOSFET模型；计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数。
进一步地，所述将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiCMOSFET模型的第二电学参数包括：利用蒙特卡罗模拟计算，得到缺陷电荷；将所述缺陷电荷拟合到所述SiC MOSFET模型，模拟重离子辐射；计算经过模拟重离子辐射的SiC MOSFET模型的第二电学参数。
进一步地，所述第一电学参数和所述第二电学参数均包括：输出特性、转移特性和击穿电压。
根据本发明的另一个方面，提供一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析装置，包括：
获取模块，用于获取SiC MOSFET器件的参数信息；
计算模块，用于根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数；
所述计算模块，还用于将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数；
分析模块，用于对比所述第一电学参数和所述第二电学参数，分析重离子辐射对SiC MOSFET器件电学参数的影响。
进一步地，所述获取模块具体用于：
获取SiC MOSFET器件的材料信息；
获取SiC MOSFET器件的尺寸信息；和
获取SiC MOSFET器件的重离子预入射位置信息。
进一步地，所述计算模块包括：
模型坯构建单元，用于利用TCAD软件构建SiC MOSFET模型坯；
调整单元，用于根据所述SiC MOSFET器件掺杂浓度调整所述SiC MOSFET模型坯的掺杂浓度，得到与所述SiC MOSFET器件对应的SiC MOSFET模型；
计算单元，用于计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数。
进一步地，所述计算模块还包括：
蒙特卡罗模拟计算单元，用于利用蒙特卡罗模拟计算，得到缺陷电荷；
模拟重离子辐射单元，用于将所述缺陷电荷拟合到所述SiC MOSFET模型，模拟重离子辐射；
计算单元，还用计算经过模拟重离子辐射的SiC MOSFET模型的第二电学参数。
进一步地，所述第一电学参数和所述第二电学参数均包括：
输出特性、转移特性和击穿电压。
根据本发明的又一方面，提供一种计算机存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述技术方案中任意一项所述方法的步骤。
根据本发明的又一方面，提供一种电子设备，包括存储器、显示器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述技术方案中任意一项所述方法的步骤。
本发明旨在利用方法模拟得到重离子在SiC MOSFET引起的缺陷电荷的分布，将缺陷电荷参数与SiC MOSFET的TCAD器件模型拟合，进一步分析得到重离子致辐射缺陷对SiCMOSFET电学参数的影响，揭示SiC MOSFET电学参数在重离子辐照下的变化，有助于推进碳化硅器件的制造改进和在航空航天领域的应用。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明中提出通过模拟构建SiC MOSFET的材料与器件模型，可以多尺度地观测和分析重离子在SiC MOSFET中产生的缺陷，确定缺陷电荷在器件内的分布情况，得到缺陷最终对器件参数造成的影响；开展重离子辐照实验的评估研究，与开展重离子辐照实验相比，在节省大量的时间和经费的同时可以对器件的抗辐照性能进行很好的预测和评估。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法流程图；
图2是根据本发明第二实施方式的SiC MOSFET器件的平面结构示意图；
图3是根据本发明第二实施方式的重离子在入射碳化硅材料0.5um范围内产生的电荷沉积分布图；
图4是根据本发明第二实施方式的重离子辐照后SiC MOSFET转移特性的变化图；
图5是根据本发明第二实施方式的重离子辐照后SiC MOSFET输出特性的变化图；
图6是根据本发明第二实施方式的重离子辐照后SiC MOSFET击穿特性的变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示，在本发明实施例的第一方面，提供了一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法，包括：
S1：获取SiC MOSFET器件的参数信息；
S2：根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数；
S3：将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数；
S4：对比所述第一电学参数和所述第二电学参数，分析重离子辐射对SiC MOSFET器件电学参数的影响。
可选的，所述获取SiC MOSFET器件的参数信息包括：获取SiC MOSFET器件的材料信息；获取SiC MOSFET器件的尺寸信息；和获取SiC MOSFET器件的重离子预入射位置信息。
可选的，所述根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数包括：利用TCAD软件构建SiC MOSFET模型坯；根据所述SiC MOSFET器件掺杂浓度调整所述SiC MOSFET模型坯的掺杂浓度，得到与所述SiC MOSFET器件对应的SiCMOSFET模型；计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数。
可选的，所述将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiCMOSFET模型的第二电学参数包括：利用蒙特卡罗模拟计算，得到缺陷电荷；将所述缺陷电荷拟合到所述SiC MOSFET模型，模拟重离子辐射；计算经过模拟重离子辐射的SiC MOSFET模型的第二电学参数。
可选的，所述第一电学参数和所述第二电学参数均包括：输出特性、转移特性和击穿电压。
上述实施例在不通过实验的条件下，构建SiC MOSFET模型，利用软件模拟得到器件不同区域的重离子辐照损伤程度，观察辐照损伤的微观分布特征，观测重离子辐射损伤的微观来源。同时对辐射损伤进行多尺度分析，利用TCAD仿真工具拟合微观辐照损伤模型，从器件的角度计算重离子辐照下SiC MOSFET电学参数的变化。
在本发明一具体实施例中，利用Geant4软件可以计算重离子辐照在SiC MOSFET产生的缺陷电荷的分布；进一步利用半导体器件模拟软件TCAD建立SiC MOSFET的器件模型，引入我们利用Geant4计算得到的重离子辐射损伤分布，分析重离子致缺陷电荷对SiCMOSFET电学参数的影响。
Geant4是由欧洲核子中心(CERN)主导开发的蒙特卡罗程序包。作为完全开源的蒙特卡罗应用软件包，Geant4被广泛应用于微电子学、空间辐射效应、辐射医学等研究领域。Geant4作为粒子实验模拟的软件，可以详细模拟粒子在材料中的输运。TCAD指半导体工艺模拟以及器件模拟工具，大多数TCAD软件按照功能可分为3个模块，最底层是工艺仿真模块，用来确定标准工艺下材料水平的器件结构结构，标准工艺包括氧化，扩散，离子注入，干湿法刻蚀，光刻等。仿真主要考虑因素包括杂质扩散，注入杂质和晶格作用声学模型和机械力下的应力，材料各向异性等等。然后是器件仿真，在前面工艺仿真得到的器件结构基础上计算电学行为，最顶层是提参模块，根据器件模型提取符合标准的电学参数。
选取加速器中常用的重离子:Cu(铜)离子进行仿真模拟，Cu离子的能量选择212MeV。高能重离子入射碳化硅二极管会沿离子径迹产生大量的次级粒子，重离子和次级粒子所造成的大量的能量沉积，会使得径迹附近产生缺陷电荷，一部分缺陷电子与空穴复合，一部分缺陷电子运动到漏极在器件工作时被扫除器件，一部分空穴则运动到SiC与氧化层界面界面，被界面陷阱捕获导致界面缺陷浓度增大。这些缺陷会影响SiC材料的物理、化学性能，进而导致SiC MOSFET的电学性能退化甚至失效。
利用Geant4构建碳化硅二极管模型，对入射重离子能量及类型、物理过程、数据抽取等进行编程，通过仿真模拟的方法可以获得SiC MOSFET的重离子致缺陷电荷分布。将缺陷电荷模型引入TCAD软件，模拟重离子辐射损伤对SiC MOSFET电学参数的影响。
本实施例用Geant4和TCAD建立碳化硅二极管器件与材料模型，对重离子辐射SiCMOSFET后产生的缺陷损伤进行数值模拟，具体步骤如下：
1)、建立SiC MOSFET材料及器件模型，首先获取SiC MOSFET中各部分的材料及尺寸，以及入射粒子的种类和能量大小。
2)、利用Geant4软件进行仿真计算，定义入射粒子详细信息，经模拟计算可以得到重离子在器件内部产生的缺陷损伤分布，进一步得到界面缺陷浓度的变化。
3)、利用1)中在TCAD软件中构建的SiC MOSFET模型，引入2)得到的界面缺陷浓度变化，模拟计算缺陷电荷对器件电学参数的影响。
根据SiC MOSFET的成分结构剖析，得到如图2所示该器件的平面结构示意图，器件为典型的VDMOS结构。在模拟中重离子从多晶硅栅极入射穿过氧化层进入碳化硅材料区域，S代表源区为n型重掺杂，源区往外是p型重掺杂区，两者都存在于n型浅掺杂的外延层中。重离子穿过一层较薄的氧化层后进入碳化硅材料区域，并在其中损失能量，产生大量电子空穴对，本实施例中只考虑重离子在距离碳化硅与二氧化硅界面0.5um范围内造成的损伤，这一部分损伤更容易对碳化硅与二氧化硅界面产生影响。如图3所示为重离子在入射碳化硅材料0.5um范围内产生的电荷沉积分布。电荷沉积沿离子径迹在0.5um深度范围内有较小的波动，在垂直于离子径迹的方向呈高斯线性分布，远离径迹中心电荷沉积越小。重离子辐照产生的电子空穴对一部分发生在运动过程中复合，一部分在材料中运动，运动到碳化硅与二氧化硅界面的电子空穴易被界面缺陷捕获，形成缺陷电荷。如图4所示，为重离子辐照后SiC MOSFET转移特性的变化。因界面陷阱捕获空穴较多，界面中存在大量固定正电荷，所以拟合界面缺陷后SiC MOSFET的Id-Vg曲线出现向左漂移，阈值电压从辐照前的约3.2V减小到1.4V。如图5所示，为重离子辐照后SiC MOSFET输出特性的变化，此时栅压设定为20V保证器件完全开启。一方面由于碳化硅材料中存在一部分缺陷，重离子辐照有几率在材料中产生缺陷也有几率使部分缺陷复合，另一方面界面问题在碳化硅器件中一直存在且影响较大，重离子辐照产生的缺陷在退火后可能仅保留界面部分缺陷。因此从图5中看到器件的输出特性并无明显变化，在只考虑重离子在界面处缺陷的情况下，载流子迁移率和有效载流子浓度受到的影响较小。图6是重离子辐照后SiC MOSFET击穿特性的变化，我们设定器件在栅压为零时漏电流大于105则器件被击穿，重离子辐照后器件击穿电压比辐照前降低约200V。
上述实施例提出通过Geant4和TCAD来构建SiC MOSFET的材料与器件模型，多尺度地观测和分析重离子在SiC MOSFET中产生的缺陷，确定缺陷电荷在器件内的分布情况，得到缺陷最终对器件参数造成的影响；通过更改本发明所设置的器件模型，可以对应不同特征尺寸或不同生长方式的SiC MOSFET，开展重离子辐照实验的评估研究。与开展重离子辐照实验相比，在节省大量的时间和经费的同时可以对器件的抗辐照性能进行很好的预测和评估。
在本发明实施例的另一个方面，提供一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析装置，包括：
获取模块，用于获取SiC MOSFET器件的参数信息；
计算模块，用于根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数；
所述计算模块，还用于将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数；
分析模块，用于对比所述第一电学参数和所述第二电学参数，分析重离子辐射对SiC MOSFET器件电学参数的影响。
可选的，所述获取模块具体用于：
获取SiC MOSFET器件的材料信息；
获取SiC MOSFET器件的尺寸信息；和
获取SiC MOSFET器件的重离子预入射位置信息。
可选的，所述计算模块包括：
模型坯构建单元，用于利用TCAD软件构建SiC MOSFET模型坯；
调整单元，用于根据所述SiC MOSFET器件掺杂浓度调整所述SiC MOSFET模型坯的掺杂浓度，得到与所述SiC MOSFET器件对应的SiC MOSFET模型；
计算单元，用于计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数。
可选的，所述计算模块还包括：
蒙特卡罗模拟计算单元，用于利用蒙特卡罗模拟计算，得到缺陷电荷；
模拟重离子辐射单元，用于将所述缺陷电荷拟合到所述SiC MOSFET模型，模拟重离子辐射；
计算单元，还用计算经过模拟重离子辐射的SiC MOSFET模型的第二电学参数。
可选的，所述第一电学参数和所述第二电学参数均包括：
输出特性、转移特性和击穿电压。
在本发明实施例的又一方面，提供一种计算机存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述技术方案中任意一项所述方法的步骤。
在本发明实施例的又一方面，提供一种电子设备，包括存储器、显示器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述技术方案中任意一项所述方法的步骤。
本发明旨在保护一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法，包括：获取SiC MOSFET器件的参数信息；根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiCMOSFET模型的第一电学参数；将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数；对比所述第一电学参数和所述第二电学参数，分析重离子辐射对SiC MOSFET器件电学参数的影响。该方法可以多尺度地观测和分析重离子在SiC MOSFET中产生的缺陷，确定缺陷电荷在器件内的分布情况，得到缺陷最终对器件参数造成的影响；与开展重离子辐照实验相比，在节省大量的时间和经费的同时可以对器件的抗辐照性能进行很好的预测和评估。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (12)
1.一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析方法，其特征在于，包括：
获取SiC MOSFET器件的参数信息；
根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数；
将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数；
对比所述第一电学参数和所述第二电学参数，分析重离子辐射对SiC MOSFET器件电学参数的影响。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取SiC MOSFET器件的参数信息包括：
获取SiC MOSFET器件的材料信息；
获取SiC MOSFET器件的尺寸信息；和
获取SiC MOSFET器件的重离子预入射位置信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数包括：
利用TCAD软件构建SiC MOSFET模型坯；
根据所述SiC MOSFET器件掺杂浓度调整所述SiC MOSFET模型坯的掺杂浓度，得到与所述SiC MOSFET器件对应的SiC MOSFET模型；
计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数包括：
利用蒙特卡罗模拟计算，得到缺陷电荷；
将所述缺陷电荷拟合到所述SiC MOSFET模型，模拟重离子辐射；
计算经过模拟重离子辐射的SiC MOSFET模型的第二电学参数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述第一电学参数和所述第二电学参数均包括：
输出特性、转移特性和击穿电压。
6.一种重离子辐射对SiC MOSFET电学参数影响的分析装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取SiC MOSFET器件的参数信息；
计算模块，用于根据所示参数信息构建SiC MOSFET模型，并计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数；
所述计算模块，还用于将缺陷电荷引入所述SiC MOSFET模型，并计算经过重离子辐射SiC MOSFET模型的第二电学参数；
分析模块，用于对比所述第一电学参数和所述第二电学参数，分析重离子辐射对SiCMOSFET器件电学参数的影响。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块具体用于：
获取SiC MOSFET器件的材料信息；
获取SiC MOSFET器件的尺寸信息；和
获取SiC MOSFET器件的重离子预入射位置信息。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括：
模型坯构建单元，用于利用TCAD软件构建SiC MOSFET模型坯；
调整单元，用于根据所述SiC MOSFET器件掺杂浓度调整所述SiC MOSFET模型坯的掺杂浓度，得到与所述SiC MOSFET器件对应的SiC MOSFET模型；
计算单元，用于计算所述SiC MOSFET模型的第一电学参数。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块还包括：
蒙特卡罗模拟计算单元，用于利用蒙特卡罗模拟计算，得到缺陷电荷；
模拟重离子辐射单元，用于将所述缺陷电荷拟合到所述SiC MOSFET模型，模拟重离子辐射；
计算单元，还用计算经过模拟重离子辐射的SiC MOSFET模型的第二电学参数。
10.根据权利要求6-9任一项所述的装置，其特征在于，所述第一电学参数和所述第二电学参数均包括：
输出特性、转移特性和击穿电压。
11.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任意一项所述方法的步骤。
12.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、显示器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-5中任意一项所述方法的步骤。
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| Title |
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| 贾少旭;毕津顺;曾传滨;韩郑生;: "核反应影响半导体器件单粒子翻转的Geant4仿真" * |
| 高婷婷等: "65nm n沟MOSFET的重离子辐照径迹效应研究" * |
| 魏莹等: "辐射陷阱电荷对０.１８μｍＮ－ＭＯＳＦＥＴ转移特性影响的ＴＣＡＤ仿真" * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115128423A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-30 | 哈尔滨工业大学 | 一种重离子辐照影响β-Ga2O3 MOSFET器件电学性能的模拟方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111460655B (zh) | 2023-10-20 |
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Legal Events
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