劉翠翠，郭 剛，李治明，殷 倩，張艷文，劉建成，韓金華，張 崢，張付強(qiáng)，陳啟明

(1.中國原子能科學(xué)研究院 國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 102413；2.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

目前新一代航天器為了降低成本、提高性能和使用壽命，將逐步采用電推進(jìn)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)[1-2]。電推進(jìn)系統(tǒng)對功率器件的性能要求更高，僅工作電壓需達(dá)kV量級，常規(guī)Si器件難以達(dá)到該水平[3-4]。由于SiC器件更適合高溫、高壓、強(qiáng)輻射場等復(fù)雜工況下的工作，也更有可能滿足新一代航天器對高集成、大功率、強(qiáng)耐壓、高工頻等性能的需求[5-8]。SiC二極管是利用半導(dǎo)體材料制成的具有單向?qū)щ娦缘亩似骷?，包含肖特基勢壘二極管(schottky barrier diode，SBD)、結(jié)構(gòu)勢壘肖特基二極管(junction barrier schottky, JBS)和PIN二極管。其中，JBS同時(shí)具有 SBD 開啟電壓低、恢復(fù)速度快以及 PIN二極管擊穿電壓高、反向漏電流密度低的優(yōu)點(diǎn)，因此在飛行器電推進(jìn)等系統(tǒng)中具有更好的應(yīng)用優(yōu)勢。早在本世紀(jì)之初，國內(nèi)外學(xué)者便開始對SiC二極管輻射效應(yīng)開展地面模擬輻照實(shí)驗(yàn)研究[9]。2004年，Luo等[10]利用63.3 MeV質(zhì)子開展了SiC SBD及SiC JBS位移損傷效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)輻照后器件正向電流改變較小，但因質(zhì)子輻照對4H-SiC內(nèi)某些深層陷阱的退火作用，器件的反向漏電流小幅下降。2005年，Harris等[11]在質(zhì)子輻照SiC SBD位移損傷效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，SiC SBD相比SiC JBS展現(xiàn)出更強(qiáng)的抗質(zhì)子輻照能力。2012年，張林等[12]采用低能電子和伽馬射線開展Ni/4H-SiC SBD探測器輻照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子能量達(dá)1 MeV，由于其超過了造成SiC內(nèi)C原子和Si原子位移所需的最低入射電子能量(分別為100 keV和220 keV)，可在SiC材料內(nèi)同時(shí)引入電離損傷和位移損傷，且位移缺陷在材料內(nèi)引入復(fù)合中心，導(dǎo)致肖特基耗盡層的復(fù)合電流增加。2019年，Hazdra等[13]采用質(zhì)子、中子、電子以及伽馬射線對JBS、PIN、MOSFET、JFET四種SiC器件開展了輻射效應(yīng)研究，結(jié)合深能級瞬態(tài)譜(DLTS)測試結(jié)果，得出載流子去除是導(dǎo)致JBS退化的主要機(jī)制。2020年，曹爽等[14]通過208 MeV Ge重離子輻照SiC JBS發(fā)現(xiàn)，輻照后器件的正向I-V特性幾乎無變化，而反向I-V和C-V特性退化，肖特基勢壘高度增加、電容量變小。同時(shí)，SiC JBS的退化特性與反向偏置電壓密切相關(guān)，且器件漏電流可隨粒子注量的累積持續(xù)增加。

SiC 功率器件應(yīng)用于航天領(lǐng)域，不僅需要其優(yōu)異的電性能，還要求具備在空間輻射環(huán)境下長期穩(wěn)定工作的能力。但空間環(huán)境中存在大量質(zhì)子和一定量的高能重離子，導(dǎo)致SiC JBS易發(fā)生電離輻射損傷以及非電離輻射損傷。目前SiC器件輻射效應(yīng)退化的表現(xiàn)不統(tǒng)一，關(guān)于其輻射效應(yīng)機(jī)理的解釋也不清晰，因而無法形成真正可靠的抗輻射加固設(shè)計(jì)與評估技術(shù)。為了解決這一問題，本研究基于地面加速器裝置，開展SiC JBS對中能質(zhì)子的輻射效應(yīng)響應(yīng)及機(jī)理研究，測量器件輻照前后的正反向I-V特性、反向C-V特性和DLTS譜，提取器件電性能變化和缺陷引入情況，并深入分析兩者間的關(guān)系。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及測試

本研究SiC JBS樣品是Infineon公司、泰科天潤公司產(chǎn)品，編號為#1和#2。兩款器件均采用TO-247封裝，反向直流電壓1 200 V，標(biāo)定工作溫度218～448 K。實(shí)驗(yàn)前，所有實(shí)驗(yàn)樣品均開帽處理并暴露出靈敏區(qū)(圖1)。#1芯片面積較小，平均正向電流40 A；#2平均正向電流20 A，故#1的工作電流密度更大。開帽后對實(shí)驗(yàn)樣品的基本電學(xué)性能進(jìn)行測試，篩選出電學(xué)性能穩(wěn)定、均一性較好的器件開展輻照實(shí)驗(yàn)。

圖1 輻照實(shí)驗(yàn)樣品Fig.1 Irradiation test sample

1.2 輻照實(shí)驗(yàn)

輻照實(shí)驗(yàn)在中國原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器的重離子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)終端進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場示于圖2。質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)在真空靶室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)樣品固定在靶室的樣品架上，在輻照過程中質(zhì)子在器件有肖特基結(jié)構(gòu)一側(cè)表面垂直入射，輻照實(shí)驗(yàn)過程中器件全程處于真空環(huán)境。

圖2 HI-13 串列加速器重離子單粒子效應(yīng)測量裝置輻照終端Fig.2 Irradiation terminal of heavy ion single event effect measuring device of HI-13 tandem accelerator

1.2.1等效低地球軌道(LEO)輻照損傷 考慮到低軌道衛(wèi)星空間環(huán)境中的中能質(zhì)子占比較大，以低軌道衛(wèi)星在軌運(yùn)行10 a為目標(biāo)應(yīng)用場景，基于位移損傷等效劑量法[19]選定質(zhì)子能量10 MeV，并設(shè)置20 MeV對照組，每種能量下開展3×109p/cm2、3×1010p/cm2兩個(gè)注量的室溫、無偏壓輻照。每種條件下的輻照時(shí)間均為1 000 s，即注量率分別為3×106p/(cm2·s)、3×107p/(cm2·s)，束斑面積為5 cm × 5 cm，輻照條件及對應(yīng)編號列于表1。輻照后，測試器件的電學(xué)性能，包括正向I-V、反向I-V以及C-V特性。同時(shí)對經(jīng)過100 d充分室溫退火后器件的工作狀態(tài)進(jìn)行測試，評價(jià)器件質(zhì)子輻照后的室溫退火自修復(fù)能力。

表1 質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Proton irradiation test parameters

1.2.2等效地球同步軌道(GEO)輻照損傷 基于位移損傷等效劑量法，采用10 MeV質(zhì)子、最大注量1×1012p/cm2條件輻照所產(chǎn)生的位移損傷約為在低地球軌道至地球靜止軌道等低、中、高全部典型軌道上運(yùn)行10年所累積的位移損傷。因此，在室溫、無偏壓條件下，開展10、15、20 MeV三種能量，累積注量1×1012p/cm2的質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)。質(zhì)子注量率為3×108p/(cm2·s)，質(zhì)子束斑面積為5 cm×5 cm，各樣品的輻照條件列于表2。在器件輻照前后對其進(jìn)行電學(xué)特性，包括正向I-V、反向I-V和C-V特性分析。同時(shí)對經(jīng)過100 d充分室溫退火后器件的工作狀態(tài)進(jìn)行測試，評價(jià)器件質(zhì)子輻照后的室溫退火自修復(fù)能力。

表2 質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Proton irradiation test parameters

1.3 SiC JBS的數(shù)學(xué)模型

SiC JBS電容C與電壓V的關(guān)系可由公式(1)的1/C2-V關(guān)系表示[15]：

(1)

(2)

式中，NC為4H-SiC的有效態(tài)密度。通過以上數(shù)學(xué)模型可計(jì)算出輻照前后SiC JBS的肖特基勢壘高度ΦB、有效載流子濃度Neff等特性參數(shù)，再結(jié)合載流子特性及材料特性，可從理論上分析不同束流條件下器件產(chǎn)生輻射損傷程度以及引起宏觀性能退化的深層物理機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品基本電學(xué)性能

器件輻照前的電學(xué)特性示于圖3。由圖3可知，兩款器件在1 V以內(nèi)的正向特性以及反向電學(xué)特性相似。

a——正向特性；b——反向特性圖3 器件輻照前的電學(xué)特性Fig.3 Electrical characteristics of devices before irradiation

2.2 等效LEO軌道損傷

2.2.1I-V特性 器件輻照前后的正向I-V特性示于圖4。由圖4可見，質(zhì)子輻照后器件#1開啟電壓均略增大，正向電流特性略降低，而器件#2幾乎沒有改變。說明采用3×1010p/cm2以下注量的10、20 MeV質(zhì)子輻照，兩款器件的正向特性均不會產(chǎn)生明顯退化，SiC JBS的正向特性對于質(zhì)子輻照效應(yīng)不敏感，且器件#2正向特性穩(wěn)定性更好。表明在不加電、室溫條件下，在LEO軌道運(yùn)行10年所累積的位移損傷，基本不會造成這兩款器件正向特性嚴(yán)重退化。

a——#1進(jìn)口器件；b——#2—國產(chǎn)器件圖4 輻照前后的正向電學(xué)性能Fig.4 Positive electrical properties before and after irradiation

器件輻照后的反向I-V曲線示于圖5。由圖5可以看出，器件#2經(jīng)質(zhì)子輻照后的漏電流發(fā)生明顯增加，且10 MeV質(zhì)子造成了器件擊穿電壓的嚴(yán)重退化。而小測試電壓下反向電流的減小，可能是隧穿電流降低、熱擴(kuò)散電流降低等原因?qū)е?，這可能與肖特基勢壘的增加、輻照缺陷俘獲載流子致其濃度降低以及界面負(fù)電荷累積等原因有關(guān)。

a——#1進(jìn)口器件；b——#2國產(chǎn)器件圖5 輻照前后的反向電學(xué)性能Fig.5 Reverse electrical properties before and after irradiation

2.2.2退火特性 經(jīng)過室溫退火后的反向I-V特性示于圖6。質(zhì)子輻照后，對于器件#1，#1-1器件的反向額定擊穿電壓降570 V，其他器件的反向額定擊穿電壓均降至800 V以下；對于器件#2， #2-2、#2-1器件的反向額定擊穿電壓均分別降至780、880 V以下，而#2-4器件的反向額定擊穿電壓降至810 V以下。

a——#1進(jìn)口器件；b——#2國產(chǎn)器件圖6 室溫退火后的反向電學(xué)性能Fig.6 Reverse electrical properties after annealing at room temperature

可以看出，SiC JBS的反向特性對于質(zhì)子位移損傷效應(yīng)較為敏感，輻照后器件的特性變得不再穩(wěn)定?？赡苁墙缑骐姾煞e累導(dǎo)致半導(dǎo)體界面處的峰值電場增加，同時(shí)輻照缺陷引起肖特基結(jié)、PN結(jié)界面受損并增強(qiáng)了隧穿效應(yīng)，綜合多種因素共同導(dǎo)致器件擊穿特性受損。對比圖5可知，#1器件抗低注量、高能量條件質(zhì)子輻照損傷能力更強(qiáng)，但輻照后室溫退火缺陷消除的能力較差，這可能與其材料摻雜濃度過大等原因有關(guān)，也說明室溫退火不會完全消除器件因輻照帶來的損傷，器件性能也難以恢復(fù)。

2.2.3C-V特性 器件輻照前后的C-V特性曲線示于圖7。器件#1經(jīng)注量3×109p/cm2、能量10 MeV質(zhì)子輻照后#1-1器件電容退化率達(dá)到32.6%，其他器件幾乎無改變；而器件#2的#2-2器件、#2-4器件電容退化率分別達(dá)到25.2%、24.3%，其電容特性與質(zhì)子能量和注量出現(xiàn)了明顯的相關(guān)性，且10 MeV低能量、3×1010p/cm2高注量下出現(xiàn)了更明顯的退化。

a——#1進(jìn)口器件；b——#2國產(chǎn)器件圖7 輻照前后的C-V特性Fig.7 C-V characteristics before and after irradiation

將圖7的C-V數(shù)據(jù)帶入公式(1)，得到1/C2-V關(guān)系曲線并計(jì)算出器件的特性參數(shù)列于表3。分析發(fā)現(xiàn)，對于#2器件，在同一能量下，注量3×1010p/cm2比3×109p/cm2質(zhì)子輻照后造成了更嚴(yán)重的載流子去除效應(yīng)和勢壘的增高。對于#1器件，#1-1電容改變異常的原因可能與其出廠可靠性有關(guān)，其他器件的載流子濃度、肖特基勢壘高度變化較小，可能因測試及計(jì)算精度所限而無法展現(xiàn)出#2器件的規(guī)律。

表3 質(zhì)子輻照前后SiC JBS的關(guān)鍵參數(shù)Table 3 Key parameters of SiC JBS before and after proton irradiation

2.2.4微觀缺陷 基于深能級瞬態(tài)譜(DLTS)測試結(jié)果可獲得器件受質(zhì)子輻照所產(chǎn)生的缺陷類型及密度。器件輻照前后的DLTS測試結(jié)果示于圖8?？梢?，這兩款SiC JBS缺陷峰強(qiáng)度不完全相同，但基本都存在3個(gè)主要的缺陷峰，分別是160 K附近的E0.4、310 K附近的Z1/2和400 K附近的EH[13-14]。分析認(rèn)為，E0.4屬于Si空位峰；Z1/2是Z1/Z2峰與相鄰EH2、EH3能級疊加所形成，屬于C空位峰，其產(chǎn)生可能與器件制備過程中的陽極層注入和后續(xù)退火有關(guān)；EH峰的形成復(fù)雜，推測是多個(gè)缺陷能級疊加所致，可能與C缺陷團(tuán)簇有關(guān)。三個(gè)峰均向上凸起，峰強(qiáng)為正，屬于受主型缺陷能級，會俘獲多數(shù)載流子電子并降低其遷移率，進(jìn)而導(dǎo)致相同偏壓下電流的下降等電學(xué)性能改變。

a——進(jìn)口器件；b——國產(chǎn)器件圖8 輻照前后的DLTS測試結(jié)果Fig.8 DLTS test results before and after irradiation

分析DLTS結(jié)果可知，10 MeV和20 MeV質(zhì)子輻照均令原有的E0.4、Z1/2、EH缺陷能級峰位增強(qiáng)，說明質(zhì)子輻照導(dǎo)致C缺陷與Si缺陷密度均增加，但Si原子離位閾能大于C原子離位閾能，因此質(zhì)子輻照可引入更多的C缺陷，也因此導(dǎo)致多個(gè)C缺陷相關(guān)峰位均在質(zhì)子輻照后增強(qiáng)；而#2-2的Z1/2左側(cè)出現(xiàn)新缺陷峰位，以及EH原有缺陷峰位的展寬，則可能與質(zhì)子輻照在SiC器件中引入了新型缺陷有關(guān)，但其同原有缺陷峰位重合故并未顯示出單獨(dú)缺陷峰位。同時(shí)，#1-4,、#2-4輻照后DLTS均明顯變形，這可能與20 MeV較高能量質(zhì)子輻照在器件內(nèi)引入了更嚴(yán)重的C缺陷簇?fù)p傷相關(guān)。由于缺陷能級密度增加，俘獲載流子能力增加，載流子濃度減小，這與C-V測試結(jié)果一致，也證明質(zhì)子輻照導(dǎo)致器件內(nèi)產(chǎn)生更多缺陷，缺陷密度增加，載流子復(fù)合增加，并引發(fā)載流子去除效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致器件反向電學(xué)性能出現(xiàn)明顯退化。

2.3 等效GEO軌道輻照損傷

2.3.1I-V特性 提高質(zhì)子輻照注量后器件的正向I-V特性示于圖9。可見，相比于前面小于1×1011p/cm2注量的中能質(zhì)子輻照，采用1×1012p/cm2注量質(zhì)子輻照之后器件的正向I-V出現(xiàn)了明顯退化，但隨著輻照質(zhì)子能量的增加其退化程度減小。結(jié)合理想因子的計(jì)算公式可知，器件的理想因子相比于輻照前有所增大，且在10 MeV處達(dá)到最大，這是因?yàn)橄啾雀吣芰康馁|(zhì)子，10 MeV質(zhì)子輻照引起了SiC JBS最為嚴(yán)重的非電離能量損失(non-ionizing energy loss, NIEL)，因此會產(chǎn)生更嚴(yán)重的輻照缺陷，導(dǎo)致復(fù)合電流增加，削弱了器件原本的熱電子發(fā)射電流占比。

a——#1進(jìn)口器件；b——#1國產(chǎn)器件圖9 輻照前后的正向電學(xué)性能Fig.9 Positive electrical properties before and after irradiation

通過圖10所示反向I-V特性，可見器件#1和器件#2在受到質(zhì)子輻射后，在小測試電壓下都出現(xiàn)了漏電流減小的現(xiàn)象；而隨測試電壓增加，#1組中經(jīng)10 MeV質(zhì)子輻照的#1-1器件反向漏電流在560 V處便開始出現(xiàn)了驟增，#2組中經(jīng)10 MeV質(zhì)子輻照的#2-1器件反向漏電流也在200 V以后便出現(xiàn)了緩慢增加的現(xiàn)象。

a——#1進(jìn)口器件；b——#2國產(chǎn)器件圖10 輻照前后的反向電學(xué)性能Fig.10 Reverse electrical properties before and after irradiation

2.3.2退火特性 經(jīng)過室溫退火后的反向I-V特性示于圖11，器件#1的反向漏電流進(jìn)一步增大、電學(xué)性能發(fā)生明顯退化，器件#2的反向特性相對穩(wěn)定。其中，經(jīng)過20 MeV質(zhì)子輻照的#1-3器件的反向漏電流在600 V處開始波動，經(jīng)過15 MeV質(zhì)子輻照的#1-2器件的反向漏電流在370 V處開始波動，到580 V完全擊穿，經(jīng)過10 MeV質(zhì)子輻照的#1-1器件的反向漏電流在420 V處完全擊穿。說明采用位移損傷等效劑量法計(jì)算的較高注量質(zhì)子輻照，在SiC JBS器件內(nèi)部引入大量的輻照缺陷，且#1器件內(nèi)的輻照缺陷無法隨室溫退火出現(xiàn)明顯修復(fù)，器件的額定擊穿電壓已降至50%以下，故無法滿足航天應(yīng)用需求。

a——#1進(jìn)口器件；b——#2國產(chǎn)器件圖11 室溫退火后的反向電學(xué)性能Fig.11 Reverse electrical properties after annealing at room temperature

a——#1進(jìn)口器件；b——#2國產(chǎn)器件圖12 輻照前后的C-V曲線Fig.12 C-V performance before and after irradiation

2.3.3C-V特性 器件C-V測試結(jié)果示于圖12。由圖12可知，器件#1和器件#2的電容量都發(fā)生了退化。器件#1退化較小，其中#1-1在0 V處的電容量退化率大于10%，但三種能量質(zhì)子輻照后電容的退化相差較??；器件#2的退化更加明顯，其中經(jīng)過10 MeV質(zhì)子輻照后的#2-1在0 V處的電容量退化率最高并大于30%。因?yàn)镾iC JBS的電容與器件的載流子濃度、界面態(tài)、器件材料及結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)有關(guān)，#2芯片面積大，載流子濃度偏低，相同注量質(zhì)子輻照在#2器件內(nèi)引入更多缺陷和界面態(tài)，導(dǎo)致其載流子濃度進(jìn)一步減小，空間電荷區(qū)變小，勢壘電容減小，故C-V特性出現(xiàn)劇烈改變。

表4為基于圖12的C-V數(shù)據(jù)以及公式(1)計(jì)算出的器件的內(nèi)建電勢Vbi、有效載流子濃度Neff，以及肖特基勢壘高度ΦB?？梢?，經(jīng)過1×1012p/cm2注量的質(zhì)子輻照后，器件的內(nèi)建電勢增加，肖特基勢壘增加，載流子濃度降低。這是因?yàn)橘|(zhì)子輻照誘生更多的輻照缺陷，缺陷會增加載流子的暫時(shí)性俘獲以及復(fù)合能力，導(dǎo)致載流子濃度下降，即載流子去除效應(yīng)，從而導(dǎo)致電學(xué)性能也顯現(xiàn)出退化。同樣，10 MeV質(zhì)子輻照之后器件C-V性能退化最為嚴(yán)重，與I-V特性的結(jié)果一致，主要與低能質(zhì)子NIEL更大，導(dǎo)致更多晶格原子離開平衡位置形成輻照缺陷等原因有關(guān)。

表4 質(zhì)子輻照前后的內(nèi)建電勢及載流子濃度Table 4 Built in potential and carrier concentration before and after proton irradiation

3 結(jié)論

針對商用1 200 V SiC JBS等效航天器典型衛(wèi)星軌道運(yùn)行10年累積的位移損傷劑量所對應(yīng)的10 MeV單能質(zhì)子輻照注量，開展了10～20 MeV中能質(zhì)子加速器地面模擬輻照實(shí)驗(yàn)，得到輻照前后SiC JBS的正向電學(xué)特性、反向電學(xué)特性以及微觀缺陷特性，并分析了輻照條件與器件特性退化之間的關(guān)系。目前商用高性能SiC JBS，尤其是其反向電學(xué)性能，對位移損傷效應(yīng)仍較為敏感。基于10 MeV等效位移損傷劑量法，受中等注量的中能質(zhì)子輻照后所引起的位移損傷缺陷影響，SiC JBS會產(chǎn)生不同程度的退化，為其可靠運(yùn)行埋下隱患；而10 MeV較低能量、較大注量的中能質(zhì)子輻照會導(dǎo)致SiC JBS產(chǎn)生難以恢復(fù)的永久缺陷，可引起其擊穿電壓大幅下降、甚至直接損毀。如果將其應(yīng)用于航天任務(wù)中，則難以滿足航天任務(wù)需求。未來，針對航天環(huán)境下新型SiC JBS的輻射效應(yīng)還需更深入研究，結(jié)合逆向技術(shù)深度剖析器件結(jié)構(gòu)、工藝與其抗輻照能力之間的關(guān)系，建立可靠的評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評估平臺，保障航天事業(yè)順利、高速發(fā)展。