茆邦耀，劉建德，湯金金，尹晉超，劉貴鵬 ，趙桂娟

（1.蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料由于具有更寬的禁帶寬度而表現(xiàn)出了高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率及高熱導(dǎo)率等一系列優(yōu)點(diǎn)，這類(lèi)半導(dǎo)體可以工作在高溫、高壓、高輻射等極端條件下[1]。4H-SiC的禁帶寬度為3.26 eV，離位能為21.8 eV，熔點(diǎn)為2 380 K[2]，這使得它有很好的抗輻射能力[3]，在航空航天、核能開(kāi)發(fā)以及雷達(dá)探測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。

4H-SiC肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）作為最基本的功率器件因其工藝相對(duì)簡(jiǎn)單而得到了廣泛的應(yīng)用[5]。4H-SiC SBD的整流特性主要取決于金屬-半導(dǎo)體界面的肖特基接觸[2，6]，在肖特基接觸下4HSiC SBD能提供近乎理想的動(dòng)態(tài)特性[7-8]。半導(dǎo)體器件在宇宙空間工作時(shí)會(huì)受到各種各樣粒子，如電子、質(zhì)子、中子、快中子以及離子等的輻照。輻照對(duì)SBD中金屬-半導(dǎo)體接觸界面的影響十分嚴(yán)重，常常導(dǎo)致器件無(wú)法正常工作[9]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)4H-SiC SBD離子輻照后的性能退化多有研究[10-12]，但很少有人關(guān)注性能退化的本質(zhì)原因。本文選取Xe離子作為輻照離子，重點(diǎn)研究輻照對(duì)金屬-半導(dǎo)體界面的影響，分析4H-SiC SBD整流特性失效的機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)器件

器件為具有場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)的4H-SiC SBD[13]，如圖1所示。圖2給出了器件的掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜圖（EDAX），圖2（a）為器件的頂面SEM圖，圖2（b）為底面SEM圖。從EDAX圖中可以看出，SBD器件的陽(yáng)極為Al/Ti（圖2（c）），陰極為Ni/Ag（圖2（d））。圖2（e）和（f）分別給出了器件的截面圖。所選用的4H-SiC SBD的額定正向開(kāi)啟電壓為0.6 V，額定反向擊穿電壓為650 V。

圖1 4H-SiC肖特基二極管器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of 4H-SiC Schottky diode device

圖2 4H-SiC SBD SEM和EDAX圖Fig.2 The SEM and EDAX images of 4H-SiC SBD

1.2 SRIM仿真

輻照實(shí)驗(yàn)之前，用SRIM軟件仿真了不同能量Xe離子對(duì)4H-SiC SBD器件的影響。SRIM（the stop?ping and range of the ions in the matter）軟件可以通過(guò)蒙特卡羅方法模擬離子輻照的損傷和位置，該方法與實(shí)際的輻照過(guò)程比較接近。當(dāng)離子通過(guò)4H-SiC SBD時(shí)，會(huì)與沖程內(nèi)的原子發(fā)生碰撞，并將能量以非電離能量損失（NIEL）的形式傳遞給晶格原子；獲得能量的晶格原子發(fā)生位移并產(chǎn)生空位，在材料中形成缺陷，進(jìn)而改變器件的電學(xué)性能。

模擬用能量為0.5～6 MeV的Xe離子對(duì)4H-SiC SBD進(jìn)行輻照，模擬器件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，與實(shí)際器件結(jié)構(gòu)（如圖2所示）相近。器件的軟件模擬部分尺寸為±2.50μm×5.01μm，從左至右共四層：1 μm 厚的Al，10 nm 厚的Ti，3 μm厚的 SiC n-，1 μm厚的SiC n+。Xe離子從器件的陽(yáng)極垂直照射在器件表面，模擬結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，不同能量Xe離子的平均滲透深度不同，0.5 MeV的Xe離子平均深度小于A(yíng)l電極的厚度，如圖4（a）所示；1 MeV的Xe離子大部分滲透到Al和Ti的交界面，平均深度為0.8 μm，如圖4（b）所示；3 MeV Xe離子進(jìn)入了4H-SiC外延層，如圖4（c）所示；6 MeV的Xe離子對(duì)外延層造成了大量的損傷，如圖4（d）所示。為了研究輻照對(duì)4H-SiC SBD的金屬-半導(dǎo)體界面的影響，須保證輻照過(guò)程中只有少量的Xe離子直接打入到4H-SiC外延層中，損壞4H-SiC的晶格完整性，大部分Xe離子作用在金屬-半導(dǎo)體界面附近。因此，選用1 MeV的Xe離子進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。

圖3 模擬器件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The schematic of Al/Ti/4H-SiC Schottky barrier diode and experimental conditions of Xe ion irradiation

圖4 模擬不同能量Xe離子輻照4H-SiC SBD的損傷圖Fig.4 SIMS depth of 4H-SiC SBD after 1MeV Xe ion irradiation

1.3 輻照實(shí)驗(yàn)

在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的蘭州重離子加速器（HIRFL，Heavy Ion Research Facility in Lan?zhou）上進(jìn)行了輻照實(shí)驗(yàn)。Xe離子能量為1 MeV，通量為2×1015ion/cm2，從陽(yáng)極垂直照射在4H-SiC SBD器件上。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

正常工作時(shí)4H-SiC SBD的正向和反向I-V特性曲線(xiàn)如圖5所示，小于0.8 V的正向開(kāi)啟電壓（Von）被認(rèn)為是穩(wěn)定的I-V特性曲線(xiàn)[14]。根據(jù)熱電子發(fā)射理論，理想因子（n）和肖特基勢(shì)壘（SBH，Φb）決定了一個(gè)SBD的電學(xué)性能。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的4H-SiC SBD的I-V特性曲線(xiàn)Fig.5 The I-V characteristics of 4H-SiC SBD

SBD的理想電流方程為[6]：

式中：V為外加電壓；IS為從零偏置電壓下ln（n）軸直線(xiàn)截距得出的飽和電流；n為理想因子；Rs為串聯(lián)電阻阻值；q為元電荷量；K為玻耳茲曼常數(shù)；T為溫度；A為肖特基結(jié)有效結(jié)面積（本文所用器件A=0.5 mm2）；A*為理查德森常數(shù)，4H-SiC的理查德森常數(shù)為 146 A/cm2·K2[14-15]。

圖5（a）和（b）分別是輻照前的正向和反向I-V特性曲線(xiàn)，圖5（c）和（d）分別是Xe離子輻照后的正向和反向I-V特性曲線(xiàn)。Xe離子輻照明顯地改變了4H-SiC SBD的I-V特性，輻照后的正向開(kāi)啟電壓接近于0 V，正向電流增大了近10倍；反向擊穿電壓降至-100 V，反向電流大小變化不大，反向漏電明顯增加。

1 MeV的Xe離子輻照會(huì)在4H-SiC SBD器件的金屬-半導(dǎo)體接觸界面附近引入損傷和缺陷，一方面輻照產(chǎn)生的缺陷造成了許多表面態(tài)，在界面處產(chǎn)生了費(fèi)米能級(jí)釘扎[12]；另一方面，表面缺陷和近表面的體缺陷使得肖特基界面處的隧穿概率增大，導(dǎo)致隧穿電流隨之增大。正向開(kāi)啟電壓的減小說(shuō)明SBD金屬-半導(dǎo)體接觸界面的肖特基勢(shì)壘降低，使更多的載流子通過(guò)勢(shì)壘。根據(jù)熱電子發(fā)射理論[6]，SBD的正向電流主要由越過(guò)勢(shì)壘的載流子提供。這可以很好地解釋輻照后4H-SiC SBD正向I-V特性的變化。根據(jù)式（1）～（4），肖特基勢(shì)壘的降低會(huì)使得電流變大，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。為了研究輻照產(chǎn)生的缺陷對(duì)器件性能的影響[10，16-17]，將輻照后的器件在溫度873 K下退火30 min[18-19]再測(cè)試，得到了圖5（e）和（f）。從I-V特性曲線(xiàn)中可以看出，4H-SiC SBD的肖特基接觸特性曲線(xiàn)變成了歐姆接觸特性曲線(xiàn)。

為了研究界面的微觀(guān)變化[9，11，20]，對(duì)器件進(jìn)行了高清晰透射電子顯微鏡（XTEM）成像。將用TES?CAN LYRA3 FIB-SEM聚焦離子束從器件中心部分5μm深處切取的90 nm寬的截面切片置于FEI Tecnai F30透射電子顯微鏡和配置的Bruker XFlash Detector能譜下進(jìn)行掃描觀(guān)測(cè)。從圖6（a）可以看出，金屬-半導(dǎo)體間有明顯的分界面，各層分布均勻，說(shuō)明退火對(duì)金屬-半導(dǎo)體界面有一定的修復(fù)作用；在圖6（b）中，金屬一側(cè)原子排列均勻致密，4HSiC外延層中無(wú)明顯缺陷，進(jìn)一步證明退火對(duì)金屬-半導(dǎo)體界面的損傷修復(fù)有較大的作用。但是退火不能完全修復(fù)此類(lèi)損傷，從圖6（c）可以看到明顯的原子排列的斷區(qū)，這可能是輻照離子轟擊留下的空位損傷或者是反沖粒子占位形成的損傷，這種損傷對(duì)肖特基勢(shì)壘的影響是永久性的，即便退火也不能改變。

圖6 輻照后873 K退火30 min的金屬-半導(dǎo)體界面XTEM圖像Fig.6 XTEM images of metal-semiconductor interface annealed at 873 K for 30 min after irradiation

為了研究原子的分布，對(duì)界面進(jìn)行了元素分析，如圖7所示。圖7（a）為肖特基接觸界面處電鏡掃描區(qū)域，（b）～（f）為各元素面掃描圖。從圖中可以看出，Si原子主要在SiC區(qū)域，C原子也集中在SiC區(qū)域，上部的C零星分布可能與設(shè)備腔內(nèi)的碳纖維有關(guān)，部分Al和Ti原子是被Xe離子打入到SiC外延層中的。值得注意的是，大部分Ti原子被反沖到Al電極中，這表明Ti電極和4H-SiC外延層的界面處有大量的Ti原子空位，造成了大量的界面態(tài)，使得肖特基勢(shì)壘降低，從而導(dǎo)致金屬-半導(dǎo)體呈歐姆接觸。

圖7 肖特基接觸界面處XTEM EDX元素分布圖Fig.7 XTEM EDX images of the Schottky contact interface

從SRIM和X結(jié)果可知，輻照引入的局部晶格錯(cuò)位和損傷深度取決于輻照離子的能量，且錯(cuò)位和損傷集中分布在一個(gè)平均薄層中。在空間環(huán)境中，可以根據(jù)輻照環(huán)境來(lái)調(diào)整器件的結(jié)構(gòu)使其按照預(yù)期 目標(biāo)正常工作。

2 結(jié)論

本文研究了經(jīng)1 MeV Xe離子輻照后4H-SiC SBD器件電學(xué)性能的退化。SRIM軟件仿真表明，1 MeV Xe離子輻照對(duì)本器件的金屬-半導(dǎo)體界面影響最大。輻照離子向金屬-半導(dǎo)體界面區(qū)域引入了缺陷，導(dǎo)致了肖特基勢(shì)壘的降低，進(jìn)而使得4H-SiC SBD的整流特性失效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由輻照引入的缺陷可以通過(guò)873 K下30 min退火處理得到部分修復(fù)。用XTEM和EDX觀(guān)察并分析了界面處微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化，給出了輻照和退火改變4H-SiC SBD電學(xué)性能的微觀(guān)解釋。

本實(shí)驗(yàn)的研究方法適用于研究在空間環(huán)境中工作的電子電力器件。通過(guò)仿真來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件，再分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論?？臻g環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜且多變的環(huán)境，多種多樣的輻照對(duì)電子電力器件的影響有待深入研究。