IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)—抗輻照特性介紹

氧化硅等絕緣層是MOS器件的重要組成部分，在高能粒子的輻射下，絕緣層中激發(fā)的電子空穴對會對絕緣層的特性造成影響。

工作在高輻射環(huán)境的MOS器件，如太空、高能粒子加速系統(tǒng)等，大量的電子、中子等粒子會持續(xù)地對器件進行輻射，不僅會影響到器件的性能，還會影響到系統(tǒng)的壽命。

下面我們簡要分析一下高能粒子是如何影響絕緣層以及器件性能的，還是以IGBT中的N溝道MOS器件為例。

如圖所示，一個典型的MOS結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵極施加正壓時，P-base與界面附近的能級獲取電子的概率增大，能級向下彎曲，當(dāng)超過閾值電壓后，界面處形成反型層，形成N溝道。當(dāng)高能粒子輻照，其能量超過的禁帶寬度，則會在中形成可自由活動的電子空穴對。除了部分自發(fā)復(fù)合的電子空穴對以外，在外加電場的作用下電子向柵極漂移，空穴則向硅體方向移動。

通常情況下，在和的界面附近的一側(cè)，因為氧的缺失，會存在一定濃度的“氧空位”。這些空位會在的禁帶中形成深能級陷阱，捕獲空穴而帶正電。氧空位的濃度與氧化硅制備工藝相關(guān)。這些固定的正電荷會在和的界面附近的一側(cè)感生出負(fù)電荷（能級電子占有率更高），導(dǎo)致閾值電壓下降。

需要注意的是，空穴在氧化硅中的傳輸，并不像在硅中的傳輸那樣順利，晶格碰撞、氧空位等都會大大降低空穴在氧化硅中的遷移率，因此空穴要擴散到和 的界面通常需要很長的時間。顯然這個過程跟氧化硅的質(zhì)量、厚度以及溫度有很大的關(guān)聯(lián)性

因此中的正電荷通常具有很長的壽命，隨著輻射時間的增加，這個過程會不斷的積累，相應(yīng)地，閾值電壓也會持續(xù)下降。當(dāng)閾值電壓下降到一定程度后，器件誤開啟的概率也就升高了。

當(dāng)然，高能輻照除了對氧化硅造成影響外，對硅體本身也會造成影響。不過因為硅本身具有較好的導(dǎo)電性，輻照產(chǎn)生的電子空穴對可以更順利的排除，因此影響相對來說更小一些。但是特別要注意的是，在溝道中，可能因為高能輻照而引入缺陷能級，降低溝道內(nèi)的載流子遷移率。

在理解輻照的基本影響之后，抗輻照的措施大致也就清晰了，主要在于如何提高氧化層的抗輻照特性。大致上可以分為兩大類的手段，一是盡量減少氧化硅中的氧空位等缺陷，二是中和氧化硅中的正電荷。

第一種手段有可以通過減小氧化硅中的缺陷密度以及缺陷總量兩個角度來考慮，前者可以通過降低氧化硅的生長速度、氧化過程中加入氫等方法來實現(xiàn)；后者可以通過減小氧化硅的厚度來實現(xiàn)。

第二種手段可以通過在氧化硅中注入硅元素等方法，在氧化硅中制造捕獲電子的能級陷阱，從而中和空穴能級陷阱所引起的正電荷。

這里只針對柵氧受輻照的影響進行了描述，實際上在IGBT中除了柵氧以外，還有一個很重要的氧化硅構(gòu)成，即終端區(qū)域的場氧，其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柵氧厚度，且為提高產(chǎn)能，生長工藝通常不如柵氧精細(xì)，因此其中的缺陷密度和缺陷總量都遠(yuǎn)高于柵氧，受輻照影響也就相應(yīng)更大。

因為場氧的主要作用是承受高電壓，因此輻照對場氧的影響主要在于高電壓情況下的漏電流。在后面講到終端結(jié)構(gòu)或者生產(chǎn)工藝時，若有必要再做分析，這里不再詳述。

至此，IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)講解告一段落。