IGBT中的MOS结构—抗辐照特性介绍

氧化硅等绝缘层是MOS器件的重要组成部分，在高能粒子的辐射下，绝缘层中激发的电子空穴对会对绝缘层的特性造成影响。

工作在高辐射环境的MOS器件，如太空、高能粒子加速系统等，大量的电子、中子等粒子会持续地对器件进行辐射，不仅会影响到器件的性能，还会影响到系统的寿命。

下面我们简要分析一下高能粒子是如何影响绝缘层以及器件性能的，还是以IGBT中的N沟道MOS器件为例。

如图所示，一个典型的MOS结构，当栅极施加正压时，P-base与界面附近的能级获取电子的概率增大，能级向下弯曲，当超过阈值电压后，界面处形成反型层，形成N沟道。当高能粒子辐照，其能量超过的禁带宽度，则会在中形成可自由活动的电子空穴对。除了部分自发复合的电子空穴对以外，在外加电场的作用下电子向栅极漂移，空穴则向硅体方向移动。

通常情况下，在和的界面附近的一侧，因为氧的缺失，会存在一定浓度的“氧空位”。这些空位会在的禁带中形成深能级陷阱，捕获空穴而带正电。氧空位的浓度与氧化硅制备工艺相关。这些固定的正电荷会在和的界面附近的一侧感生出负电荷（能级电子占有率更高），导致阈值电压下降。

需要注意的是，空穴在氧化硅中的传输，并不像在硅中的传输那样顺利，晶格碰撞、氧空位等都会大大降低空穴在氧化硅中的迁移率，因此空穴要扩散到和 的界面通常需要很长的时间。显然这个过程跟氧化硅的质量、厚度以及温度有很大的关联性

因此中的正电荷通常具有很长的寿命，随着辐射时间的增加，这个过程会不断的积累，相应地，阈值电压也会持续下降。当阈值电压下降到一定程度后，器件误开启的概率也就升高了。

当然，高能辐照除了对氧化硅造成影响外，对硅体本身也会造成影响。不过因为硅本身具有较好的导电性，辐照产生的电子空穴对可以更顺利的排除，因此影响相对来说更小一些。但是特别要注意的是，在沟道中，可能因为高能辐照而引入缺陷能级，降低沟道内的载流子迁移率。

在理解辐照的基本影响之后，抗辐照的措施大致也就清晰了，主要在于如何提高氧化层的抗辐照特性。大致上可以分为两大类的手段，一是尽量减少氧化硅中的氧空位等缺陷，二是中和氧化硅中的正电荷。

第一种手段有可以通过减小氧化硅中的缺陷密度以及缺陷总量两个角度来考虑，前者可以通过降低氧化硅的生长速度、氧化过程中加入氢等方法来实现；后者可以通过减小氧化硅的厚度来实现。

第二种手段可以通过在氧化硅中注入硅元素等方法，在氧化硅中制造捕获电子的能级陷阱，从而中和空穴能级陷阱所引起的正电荷。

这里只针对栅氧受辐照的影响进行了描述，实际上在IGBT中除了栅氧以外，还有一个很重要的氧化硅构成，即终端区域的场氧，其厚度远远大于栅氧厚度，且为提高产能，生长工艺通常不如栅氧精细，因此其中的缺陷密度和缺陷总量都远高于栅氧，受辐照影响也就相应更大。

因为场氧的主要作用是承受高电压，因此辐照对场氧的影响主要在于高电压情况下的漏电流。在后面讲到终端结构或者生产工艺时，若有必要再做分析，这里不再详述。

至此，IGBT中的MOS结构讲解告一段落。