【SiC】重离子辐照SiC功率器件缺陷的形成

2025 年 5 月 2 日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的 Corinna Martinella 等人以及挪威奥斯陆大学的 Marianne Etzelmüller Bathen 等人在《APL Materials》期刊发表了题为《Formation of extended defects in heavy - ion - degraded SiC power MOSFETs》的文章。该研究聚焦于空间辐射环境下碳化硅（SiC）功率 MOSFETs 的可靠性问题，基于成像光致发光（PL）光谱学方法，对遭受重离子辐照而产生单事件泄漏电流（SELC II）退化的 SiC 功率 MOSFETs 进行了深入探究。实验中，科研人员选取商用 MOSFETs，分别在芬兰于韦斯屈莱大学的辐射效应设施（RADEF）以及德国达姆施塔特的重离子研究中心（GSI）进行宽束和微束重离子辐照，结果表明重离子辐照后的器件出现明显的亮斑异常，通过微分 PL 方法分析发现这些亮斑区域存在零声子线（ZPL）与声子边带（PSB）耦合的光谱特征，证实了堆垛层错（SF）的形成。该研究结果对提升 SiC 功率器件在空间应用中的可靠性以及优化器件设计参数具有重要意义。

主要研究结论

1. SELC II 与堆垛层错相关 ：通过低温 PL 成像和光谱分辨测量，研究发现重离子辐照后的 SiC 功率 MOSFETs 出现明显亮斑异常，光谱分析表明这些亮斑与堆垛层错（SF）相关，其中单个堆垛层错（1SF）和双堆垛层错（2SF）类型最为显著。这证实了 SELC II 退化与 SiC 晶格中的堆垛层错存在密切联系。

2. 辐照方式不影响缺陷本质 ：无论是 Ca 微束还是 Xe 宽束辐照，所引起的缺陷类型相似，均主要是堆垛层错。这表明在 SELC II 机制下，不同重离子种类和辐照模式对 SiC 功率 MOSFETs 造成的损伤在缺陷本质上具有一致性，即主要形成堆垛层错。

3. 缺陷形成机制待进一步研究 ：虽然明确了堆垛层错是导致 SELC II 的关键缺陷，但对于这些缺陷在重离子辐照过程中的具体形成机制，如是从基板传播还是直接在外延层形成，目前仍不清楚，需要后续通过建模和模拟等手段进行深入探究，以全面解释退化机制。

主要创新点

1. 首次结合 PL 技术研究 SELC II 微观缺陷 ：创新性地运用低温成像光致发光（PL）光谱学方法，对重离子辐照诱导产生 SELC II 退化的 SiC 功率 MOSFETs 进行了深入研究。以往研究多聚焦于宏观电气特性变化，本研究从微观层面出发，通过观测器件内部发光特征，成功揭示了与 SELC II 相关的特定缺陷类型 —— 堆垛层错，为理解 SELC II 的物理机制提供了全新的视角和关键实证。

2. 对比不同辐照方式下缺陷一致性 ：系统地对比了 Ca 微束和 Xe 宽束两种不同辐照方式下器件的 PL 特征，发现无论采用何种辐照方式，只要引发 SELC II，所形成的缺陷类型均主要是堆垛层错。这一创新发现打破了对不同辐照条件可能导致不同缺陷类型的传统认知，为简化 SiC 功率器件的辐射效应评估和可靠性设计提供了重要依据，即在 SELC II 研究中，可重点关注堆垛层错这一关键缺陷，而不必过于担忧辐照方式对缺陷本质的影响差异。

3. 提出堆垛层错与器件退化直接关联 ：率先将堆垛层错与 SiC 功率 MOSFETs 的 SELC II 退化直接关联起来，为解释重离子辐照下器件性能下降（如泄漏电流增加）提