劉超銘，肖一平，王天琦，張慶豪，王祖軍，李何依，馮紹輝，齊春華，張延清，馬國(guó)亮，霍明學(xué)

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院，哈爾濱150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001；3.西北核技術(shù)研究所，西安710024；4.北京微電子技術(shù)研究所，北京100076)

人類對(duì)空間的探索使電子器件和芯片的應(yīng)用更加廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，40%以上的航天器故障是由空間環(huán)境效應(yīng)導(dǎo)致的，其中空間帶電粒子輻射環(huán)境對(duì)電子元器件的影響最為突出[1]。高能帶電粒子可穿過航天器外部防護(hù)結(jié)構(gòu)，在艙內(nèi)電子元器件中產(chǎn)生電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、單粒子效應(yīng)和內(nèi)部充電效應(yīng)[2]。這些效應(yīng)都會(huì)引起器件性能退化或故障，無法滿足我國(guó)航天電子元器件高可靠、長(zhǎng)壽命的需求。碳化硅(SiC)材料具有較大的禁帶寬度和較高的原子臨界位移能，所以SiC器件具備高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高功率品質(zhì)因數(shù)及高熱導(dǎo)率等卓越性能?？煽啃苑矫?，SiC器件具有強(qiáng)抗電磁波沖擊和高抗輻射損傷的能力，作為大功率和高頻器件在極端環(huán)境中有極大的應(yīng)用潛力[3-4]。

目前針對(duì)4H-SiC肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)的電子輻照效應(yīng)已開展了大量的研究[5-10]。研究表明，當(dāng)輻照電子能量超過100 keV時(shí)會(huì)在SBD中引入Z1/2和EH6/7，Z1/2和EH6/7的濃度隨著輻照注量增大而提高[11-12]。Omotoso等的研究表明，電子輻照會(huì)導(dǎo)致Ni/4H-SiC SBD自由載流子濃度降低[13]。SiC SBD經(jīng)電子輻照后，會(huì)在半導(dǎo)體/金屬界面附近形成缺陷，顯著增加理想因子和出現(xiàn)瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)電流[14]。葉毅等研究了表面電場(chǎng)降低(D-Resurf)技術(shù)，可提高反向擊穿電壓，改善正向?qū)ㄌ匦?，還通過仿真對(duì)參數(shù)進(jìn)行了一系列的優(yōu)化[15]。陳剛等制備了Ni/SiC SBD，Ni/SiC作為終端放置在SBD邊緣，在反向擊穿電壓為1 100 V時(shí)，Ni/SiC SBD依然保持較小的漏電流，且正向?qū)ㄌ匦员憩F(xiàn)良好[16]。

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,以肖特基二極管(SD)和PiN二極管為主的傳統(tǒng)二極管已無法滿足高頻率、大功率及低功耗的市場(chǎng)需求,前者擊穿電壓低、反向漏電大，而后者高頻特性較差。因此結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(JBS)應(yīng)運(yùn)而生,該結(jié)構(gòu)將SBD結(jié)構(gòu)和PiN結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合在一起,結(jié)合了SBD良好的開關(guān)特性和PiN二極管高擊穿電壓和低漏電流特性，具有高耐壓、低壓降、小漏電、高頻特性好及強(qiáng)抗過壓和浪涌電流能力。與SBD相比，JBS中有P-N結(jié)存在，輻照效應(yīng)更加復(fù)雜，包括了在SBD中不存在的少子效應(yīng)。因此，在研究分析JBS輻照效應(yīng)的過程中不僅要考慮半導(dǎo)體-金屬肖特基結(jié)的輻射效應(yīng)，還要考慮P-N結(jié)的輻照效應(yīng)。由于JBS的復(fù)雜性，目前主要開展仿真和基礎(chǔ)研究，主要包括制備工藝的開發(fā)改進(jìn)方面。綜上，4H-SiC SBD電子輻照效應(yīng)的機(jī)理與評(píng)價(jià)研究相對(duì)較多。而對(duì)4H-SiC JBS電子輻照效應(yīng)的研究還屬于起步階段。

本文基于場(chǎng)限環(huán)終端的JBS，研究了JBS經(jīng)1 MeV電子輻照前后的I-V和C-V特性及機(jī)理，并通過光致發(fā)光(photoluminescence，PL)光譜分析了電子輻照后缺陷的性質(zhì)和演化過程。

1實(shí)驗(yàn)介紹

本文以中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研制的4H-SiC JBS為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)Cross section of SiC JBS

(b)Photo of SiC JBS

圖1中，圖1(a)為器件的截面結(jié)構(gòu)，圖1(b)為實(shí)物照片。N型外延層摻雜濃度為6.5×1015cm-3，厚度為11 μm。二極管的陽(yáng)極由Ti/N-SiC肖特基接觸和AlSi金屬電極組成，襯底為歐姆接觸。

輻照實(shí)驗(yàn)源為黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所的1 MeV高壓電子加速器，注量分別為5.0×1014cm-2和5.0×1015cm-2。輻照前打開器件封裝，使芯片暴露。圖2為1 MeV電子穿透SiC實(shí)驗(yàn)樣品的CASINO軟件[17]模擬結(jié)果。由圖2可見，1 MeV電子在SiC材料中的射程為361 μm。

圖21 MeV電子穿透SiC實(shí)驗(yàn)樣品的CASINO軟件模擬結(jié)果Fig.2Simulation results of 1 MeV electronpenetrate the SiC chip simulated by CASINO code

采用Keithley 2636B-2651A-2657A組成的大功率半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量JBS的電學(xué)特性，測(cè)量正向I-V特性可得串聯(lián)電阻值，測(cè)量反向I-V特性可得反向漏電流(Ir)。采用Keithley 4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量輻照前后JBS的C-V特性，可獲得電容、載流子濃度和肖特基勢(shì)壘高度等參數(shù)信息，I-V和C-V測(cè)試均在暗箱中完成。采用Edinburgh FLS1000光致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量輻照前后4H-SiC外延片的光致發(fā)光特性。

2結(jié)果與討論

圖3為1 MeV電子輻照前后4H-SiC JBS的正向I-V特性。由圖3可見，隨著電子注量的增加，正向電流減?。辉?.6 V電壓下輻照前，正向電流為13.6 A；電子注量為5×1014cm-2時(shí)，正向電流為12.8 A；電子注量為5×1015cm-2時(shí)，正向電流為8.1 A。

圖3電子輻照前后4H-SiC JBS的正向I-V特性Fig.3Forward I-V characteristics of 4H-SiC JBSdiodes before and after electron irradiation

串聯(lián)電阻Rs可通過式(1)得出[18]：

(1)

其中，I為電流；n為質(zhì)子數(shù)密度；kB為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；e為元電荷。輻照前，串聯(lián)電阻為49.8 mΩ，是4H-SiC JBS理想的串聯(lián)電阻值。當(dāng)電子注量增長(zhǎng)至5×1014cm-2時(shí)，串聯(lián)電阻增大到53.3 mΩ；當(dāng)電子注量達(dá)到5×1015cm-2時(shí)，串聯(lián)電阻為81.2 mΩ。輻照產(chǎn)生的缺陷可以俘獲SiC中的自由載流子，使凈載流子濃度降低并產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)，從而導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加[19-21]。

圖4為1 MeV電子輻照前后4H-SiC JBS的反向I-V特性。

圖4電子輻照前后4H-SiC JBS的反向I-V特性Fig.4Reverse I-V characteristics of 4H-SiCJBS diodes before and after electron irradiation

由圖4可見，與輻照前相比，電子注量為5×1014cm-2時(shí)漏電流增加，電子注量為5×1015cm-2時(shí)，漏電流則明顯降低。較低注量下漏電流的增加原因可能是輻照引起原子位移產(chǎn)生“形成-復(fù)合中心”[21]；較高注量下漏電流的降低原因可能是電子輻照對(duì)SiC JBS注入退火效應(yīng)，也可能是電子輻照引入補(bǔ)償缺陷導(dǎo)致載流子濃度的降低[22-23]。

圖5、圖6分別為4H-SiC JBS受1 MeV電子輻照前后的C-V特性和C-2-V特性。由圖5可見，樣品的電容隨輻照注量的增加而降低；反向偏壓為-4 V時(shí)，輻照前電容為3.04 nF，電子注量為5×1014cm-2時(shí)，電容降低為2.94 nF；電子注量為5×1015cm-2時(shí)，電容降低為2.27 nF。由圖6可見，凈載流子濃度隨電子注量的增加而降低。電容的降低可能是由于凈載流子濃度的降低而導(dǎo)致半導(dǎo)體耗盡層寬度增加引起的。而凈載流子濃度降低是由于輻照導(dǎo)致禁帶中產(chǎn)生了受主態(tài)缺陷造成的[24]。

圖5電子輻照前后4H-SiC JBS的C-V特性 Fig.5C-V characteristics of 4H-SiC JBSbefore and after electron irradiation

圖6電子輻照前后4H-SiC JBS的C-2-V特性Fig.6C-2-V characteristics of 4H-SiC JBSbefore and after electron irradiation

載流子濃度N由式(2)給出，肖特基勢(shì)壘高度Φb由式(3)給出[14,21]：

(2)

(3)

其中，C為電容；Vbi為內(nèi)建電勢(shì)；εs為半導(dǎo)體的介電常數(shù)；ξ為導(dǎo)帶與費(fèi)密能級(jí)的能級(jí)差。由C-V特征曲線計(jì)算得到的參數(shù)信息如表1所列。

表1電子輻照前后的4H-SiC JBS參數(shù)Tab.1Parameters of 4H-SiC JBS beforeand after electron irradiation

由表1可見，載流子濃度隨輻照注量的增加而顯著降低，這歸因于輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生的受主缺陷捕獲載流子[24];輻照前，肖特基勢(shì)壘高度為1.25 eV；電子注量為5×1014cm-2時(shí)，肖特基勢(shì)壘高度仍為1.25 eV；電子注量達(dá)到5×1015cm-2時(shí)，肖特基勢(shì)壘高度為2.11 eV。圖7為載流子濃度變化量ΔN與電子注量的關(guān)系。載流子去除率η為[14,21]

(4)

圖74H-SiC JBS載流子濃度變化量隨輻照注量的變化Fig.7Carrier concentration variation of 4H-SiC JBS vs.electron irradiation fluence

由式(4)計(jì)算可得載流子去除率為0.37 cm-1，載流子濃度降低與電子輻照引入的缺陷有關(guān)。與重離子輻照相比，電子動(dòng)量較小，在SiC材料中主要產(chǎn)生單空位型缺陷，載流子去除率較小[25]。

圖8所示為1 MeV電子輻照前后4H-SiC外延片的PL光譜圖。激發(fā)光源為氙燈，波長(zhǎng)為380 nm。與輻照前相比，輻照后的PL峰強(qiáng)明顯增加，這是由于電子輻照后缺陷濃度增加。此外，注量為5×1015cm-2時(shí)的PL峰強(qiáng)低于注量為5×1014cm-2時(shí)的PL峰強(qiáng)，這是由電子輻照過程中淬滅效應(yīng)引起的。

圖8電子輻照前后4H-SiC的PL光譜圖Fig.8PL spectra of 4H-SiC beforeand after electron irradiation

圖9為電子輻照前后經(jīng)分峰處理的PL光譜。表2為使用Alentsev-Fock方法[26]得到的發(fā)射峰位λp、能量E、半峰寬σFWHM和峰強(qiáng)IPL。

(a)Φ=0 cm-2

(b)Φ=5 ×1013 cm-2

(c)Φ=5 ×1014 cm-2

(d)Φ=5×1015 cm-2

表2峰位(λp)、能量(Ep)、半峰寬(σFWHM)、峰強(qiáng)(IPL)和可能的結(jié)構(gòu)Tab.2The peak position (λp),the corresponding energy (Ep),the FWHM,the intensity (IPL) ，and possible structure

由圖9(a)可見，輻照前，3個(gè)峰分別位于422 nm(～2.94 eV)，525 nm(～2.36 eV)和597 nm(～2.08 eV)處。經(jīng)電子輻照后，597 nm(～2.08 eV)處的峰消失，470 nm(～2.64 eV)處的峰出現(xiàn)。研究表明，2.94 eV是碳間隙(IC)[27]，2.36 eV和2.08 eV均是硅空位和碳空位配合物(VC+VSi)[14,27-29]，2.62 eV是碳空位(VC)[28]。由圖9及表2可見，經(jīng)1 MeV電子輻照后，碳空位(VC)及碳間隙(IC)的數(shù)量增加。圖10為4H-SiC光致發(fā)光能級(jí)躍遷示意圖。

圖10電子輻照4H-SiC樣品PL躍遷示意圖Fig.10Sketch of the band diagram with the PLtransitions of electron-irradiated 4H-SiC samples

綜上所述，4H-SiC JBS經(jīng)1 MeV電子輻照后IC和VC的濃度增加，導(dǎo)致PL光譜強(qiáng)度增加。引起淬滅效應(yīng)的原因是載流子濃度降低和輻照產(chǎn)生的非輻射復(fù)合中心[30-32]?？傮w來說，電子輻照強(qiáng)烈影響SiC的晶格結(jié)構(gòu)和周期勢(shì)場(chǎng)，并能在禁帶內(nèi)引入缺陷能級(jí)，降低材料中的載流子遷移率和載流子濃度。此外，由電子輻照引起的深能級(jí)缺陷常常充當(dāng)非輻射復(fù)合中心，抑制發(fā)光效率，從而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度降低[32-33]。缺陷濃度的增加會(huì)導(dǎo)致4H-SiC JBS的I-V和C-V特性變化[16]。

3結(jié)論

本文研究了不同注量1 MeV電子對(duì)4H-SiC JBS的I-V特性、C-V特性和缺陷的輻照效應(yīng)。經(jīng)注量為5×1015cm-2電子輻照后，JBS串聯(lián)電阻由49.8 mΩ增加到81.2 mΩ，漏電流隨輻照注量先增加后降低，載流子濃度隨輻照注量的增加而降低，載流子去除率為0.37 cm-1。PL研究結(jié)果表明，輻照后VC、VSi顯著增加。輻照引起缺陷濃度增加并捕獲載流子導(dǎo)致載流子濃度降低，這是4H-SiC JBS器件的I-V特性、C-V特性退化的主要原因。此外，淬滅效應(yīng)可能是由于載流子濃度降低和輻照產(chǎn)生的非輻射復(fù)合中心造成的。

本文從分析SiC JBS器件在1 MeV電子輻照條件下宏觀電性能退化入手，結(jié)合SiC材料PL光譜的微觀缺陷分析，對(duì)宏觀性能與微觀缺陷的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了深入研究，得到了微觀缺陷對(duì)器件電性能的影響機(jī)理與規(guī)律。本文的研究結(jié)果可為SiC基器件的空間應(yīng)用及抗輻射加固技術(shù)研究提供一定的數(shù)據(jù)參考和理論支撐。