随着科学技术的发展,特别是航天技术、核技术和军事技术的发展,对高性能、低体量、可以应用于各种恶劣的高温强辐射环境下的电力电子系统有着迫切的需求。由于SiC功率器件在高温、高功率、高效率和减小体量等方面具有极大的优势,随着制造工艺的成熟必将广泛应用于以上领域,对SiC功率器件辐照效应和加固方法的研究变得十分重要。而目前对于4H-SiC功率MOSFET器件辐照效应的研究还不系统,辐照损伤机制有待揭示,抗辐照加固设计还未开展。本文针对4H-SiC VDMOSFET器件在辐照环境下的应用所面临的问题,开展了4H-SiC VDMOSFET器件及其关键结构的质子和总剂量辐照效应、损伤机制和加固方法研究,主要的研究工作和创新成果有:（1）阈值电压漂移的机制及加固方法研究通过质子和总剂量辐照实验研究,明确了电离效应带来的阈值电压漂移是器件在辐照环境下应用的关键问题,会导致器件不能正常关断,还会导致器件的输入、输出、反向传输电容的增大,漏电流的增大,这些会导致器件因为栅驱动电荷不足而不能正常工作和增大器件功耗。通过对不同氮化浓度的MOS电容在相同剂量下的辐照实验揭示了其原因是:SiC MOS器件特殊的栅介质氮钝化工艺不仅减小了近界面电子陷阱,还引入了近界面空穴陷阱,导致近界面空穴陷阱在界面附近陷阱中占主导,在辐照过程中由于质子的电离效应在整个质子运动的路径上产生电子空穴对,占主导的空穴陷阱会捕获更多的空穴形成净正电荷。基于此机制,研究了抗电离辐照带来的阈值电压漂移的栅介质钝化工艺设计。通过减少NO退火时间来减少氮的引入量,在保证界面陷阱和近界面电子陷阱浓度不显著增大的情况下,降低近界面空穴陷阱,减小器件的阈值电压漂移,从而提升器件的抗电离辐照能力。制备NO退火时间分别为60分钟和90分钟的NMOS和PMOS电容来进行总剂量辐照实验,得到NO退火时间为60分钟的样品在没有显著影响导带附近界面态和近界面电子陷阱的情况下,使辐照后界面有效正界面电荷数量减小了6倍,从而将器件在电离辐照情况下阈值电压的漂移减小了6倍。（2）击穿电压下降的机制、退化的数值模型及加固方法研究通过质子和总剂量辐照实验研究明确了电离效应带来的击穿电压下降是器件在辐照环境下应用的关键问题。通过跟终端相同工艺制备的MOS电容和器件一起进行辐照实验,提取了辐照剂量跟终端界面带电量的对应关系,并据此利用TCAD建立了辐照对器件击穿电压影响的数值模型,利用TCAD仿真揭示了器件击穿电压下降的原因是正电荷抑制了耗尽层的扩展,将电场峰值像前推,导致首环电场的增大和电场分布的不均匀。终端采用氮化工艺,辐照后界面带电荷的机制和栅氧相同。然后从终端结构和终端工艺两方面进行了加固设计。基于建立的电离效应对器件击穿电压影响的数值模型,设计了抗电离辐照带来的击穿电压下降的终端结构,在不增加面积的情况下设计的平面型非均匀场限环终端将器件的抗辐照能力提升到29Mrad,设计的沟槽型终端使得器件的抗电离辐照能力进一步提升,达到44Mrad。然后,研究了抗电离辐照带来的击穿电压下降的终端工艺设计,采用先湿氧氧化再淀积二氧化硅的终端工艺,虽然这种工艺制备的界面会有大量陷阱,但总的来说电子陷阱和空穴陷阱数量接近,使得辐照后的有效界面电荷浓度减小,制备了器件进行了总剂量辐照实验验证,在3Mrad辐照后器件的击穿电压没有变化。（3）导通电阻退化的机制、数值模型和加固方法研究通过质子辐照实验研究明确了位移效应带来的导通电阻的下降是器件在辐照环境下应用的关键问题。器件在最大剂量1×1014p/cm2（能量为5MeV）时因导通电阻恶化而失效,通过对一起进行辐照的器件关键结构MOS电容、横向MOSFET、欧姆接触TLM的测试分析,分离了辐照对各部分电阻的影响。结合DLTS表征的结果,利用TCAD体陷阱模型建立了位移效应对器件导通电阻的数值模型,基于此模型的仿真研究,明确了导通电阻退化机制,位移效应产生的缺陷捕获自由载流子使载流子浓度下降,当缺陷浓度和外延掺杂浓度相似时会完全补偿,但在完全补偿前器件导通电阻的显著恶化是由于JFET区变窄到夹断导致的JFET区电阻的急剧增大。最后,基于建立的位移效应对器件导通电阻影响的数值模型,通过设计JFET区的宽度和浓度,使得在不降低击穿电压的前提下,通过抑制JFET区变窄将急剧恶化剂量点下的导通电阻退化程度降低了4.5倍。综上所述,本文通过开展4H-SiC VDMOSFET器件及其关键结构MOS电容（不同氮钝化工艺）、横向MOSFET、欧姆接触TLM的质子和总剂量辐照实验,进行电学特性测试和材料级表征,结合SRIM和TCAD仿真,系统的研究了4H-SiC VDMOSFET器件的质子辐照效应和总剂量辐照效应,明确了器件在辐照环境下遇到关键问题,揭示了辐照损伤的内在机制,建立了关键电学特性退化的数值模型。最后针对器件应用于辐照环境的关键问题,基于辐照损伤退化机制和数值模型,对器件的结构和工艺进行了抗辐照加固设计,部分设计方案已经通过辐照实验得到验证,为4H-SiC VDMOSFET器件在辐照环境下的应用奠定了基础。