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(Introduction)

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。

模拟设置(Simulation Setup)

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。

分析与讨论(Analysis and Discussions)

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。

结论(Conclusions)

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 1(a) 展示了器件的结构单元，包括单晶β-Ga2O3基底、n型Ga2O3外延层、源漏接触以及栅极电极。
• 图 1(b) 展示了模拟中的单元格，包括离子垂直入射的位置和穿过器件的路径。

 

 

图 2: TCAD模拟得到的器件电气特性曲线

• 图 2(a) 显示了转移特性曲线，即栅极电压(VGS)与漏极电流(IDS)之间的关系，VDS = 25V。
• 图 2(b) 显示了输出特性曲线，即漏极电流(IDS)与栅极电压(VGS)之间的关系，VGS从-12V到4V变化。

图 3: SEB阈值电压在器件中的分布

• 该图展示了在不同位置(x0)入射时，SEB阈值电压的变化。
• 图中的插图显示了在x0 = 14μm处，不同VDS下器件的漏极电流随时间的变化。
• 通过分析，确定了SEB敏感区域位于栅极和漏极之间，且在x0 = 14μm处SEB的阈值电压为VDS = 100V。

图 4: 重离子辐照时电场分布的演变

• 图 4(a)-(c) 展示了在不同时间点(t)，器件内部电场分布的变化。
• 图 4(d) 对比了不同时间点下通道内电场强度的分布。
• 电场分布的演变表明，随着时间的增加，器件内部的电场也增加，尤其是在栅极附近。

图 5: 重离子入射后载流子浓度分布

• 图 5(a)-(d) 展示了电子浓度随时间的变化。
• 图 5(e)-(h) 展示了空穴浓度随时间的变化。
• 重离子入射后，沿入射路径产生大量电子-空穴对，导致耗尽层下面的通道逐渐打开。

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 6(a)-(d) 展示了重离子入射后碰撞生成率随时间和空间的变化。
• 图 6(e)-(h) 展示了电子电流密度随时间和空间的变化。
• 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。

图 7: 重离子入射后器件内部电子-空穴运动示意图

• 该图通过三个过程(a)-(c)展示了SEB发生时电子和空穴在器件内部的运动轨迹。
• 过程(a)显示了耗尽层变窄。
• 过程(b)显示了基底层通道逐渐打开。
• 过程(c)显示了电子从源极流向漏极，形成了V型的源-基底-漏极导电路径。