彭超 雷志鋒 張戰(zhàn)剛 何玉娟 馬騰 蔡宗棋 陳義強(qiáng)

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所,電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 511370)

基于14 MeV 中子輻照研究了碳化硅(silicon carbide,SiC)肖特基勢(shì)壘二極管(Schottky barrier diode,SBD)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件的位移損傷退化特性.結(jié)果表明: 總注量為1.18×1011 cm-2 的中子輻照不會(huì)引起SBD 正向I-V 特性的明顯退化,但會(huì)導(dǎo)致反向漏電流出現(xiàn)顯著增大.通過(guò)深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)中子輻照在SiC 中引入的缺陷簇形成了能級(jí)位置EC－1.034 eV 處的缺陷.該深能級(jí)缺陷可能導(dǎo)致SiC 漂移層費(fèi)米能級(jí)向禁帶中央移動(dòng),引起了肖特基勢(shì)壘的降低,最終導(dǎo)致反向漏電流的增大.此外,中子輻照也會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET 柵漏電增大.對(duì)應(yīng)柵電壓Vgs=15 V時(shí),輻照后器件柵電流比輻照前增大了近3.3 倍.中子輻照在氧化層中引入的施主型缺陷導(dǎo)致輻照前后MOSFET器件的柵氧導(dǎo)電機(jī)制發(fā)生了變化.缺陷對(duì)載流子越過(guò)柵氧化層勢(shì)壘有輔助作用,從而導(dǎo)致柵漏電的增加.深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試結(jié)果表明中子輻照還會(huì)導(dǎo)致MOSFET 器件溝道附近SiC 材料中本征缺陷狀態(tài)的改變,同時(shí)形成了新的Si 空位缺陷能級(jí),但這些缺陷不是導(dǎo)致器件性能退化的主要原因.

1 引言

碳化硅(silicon carbide,SiC)材料具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高、耐高溫等優(yōu)勢(shì),使得其在高功率應(yīng)用領(lǐng)域極具優(yōu)勢(shì)[1-3].此外,得益于其寬禁帶和高臨界位移能,SiC 材料還具有優(yōu)良的抗電離輻射和抗位移損傷輻射性能,因此SiC 基功率器件在航天電子系統(tǒng)中有重要應(yīng)用需求.在空間應(yīng)用中,輻射環(huán)境是影響SiC 功率器件可靠性的關(guān)鍵因素.國(guó)內(nèi)外針對(duì)SiC 功率器件的電離輻射效應(yīng)開(kāi)展了深入研究,已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了輻射導(dǎo)致的SiC 功率器件的單粒子燒毀(single event burnout,SEB)[4-9]和總劑量退化[10-12].可見(jiàn),盡管SiC 材料在理論上具有優(yōu)良的抗電離輻射性能,但基于SiC材料的器件仍然存在電離輻射失效風(fēng)險(xiǎn).目前關(guān)于SiC 功率器件的位移損傷輻射效應(yīng)的研究相對(duì)較少,SiC 器件能否充分發(fā)揮SiC 材料在抗位移損傷方面的優(yōu)勢(shì)還存在疑問(wèn),其抗位移損傷性能有待進(jìn)一步評(píng)估.Hazdra 等[13]針對(duì)SiC 肖特基二極管(Schottky barrier diode,SBD)開(kāi)展了注量達(dá)4 ×1014cm-2的1 MeV 中子輻照,發(fā)現(xiàn)輻照引入的點(diǎn)缺陷對(duì)器件阻斷和動(dòng)態(tài)特性的影響可以忽略不計(jì),但會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻的顯著增大.Omotoso 等[14]研究發(fā)現(xiàn)注量為8.9×1011cm-2的α 離子輻照會(huì)導(dǎo)致SiC SBD 器件理想因子和串聯(lián)電阻的顯著增大,經(jīng)過(guò)300 ℃退火后又能大幅恢復(fù).Yang 等[15]的研究表明注量為1.5×1010cm-2的Si 離子輻照會(huì)在SiC SBD 器件中引入高密度深能級(jí)缺陷,導(dǎo)致器件肖特基勢(shì)壘降低、載流子濃度降低.Chao 等[16]報(bào)道了中子位移損傷引起的有效載流子濃度降低導(dǎo)致SiC MOSFET 器件的性能退化.

基于此,本文以SiC SBD 和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件為對(duì)象,利用14 MeV中子輻照進(jìn)一步探索位移損傷輻射導(dǎo)致的性能退化特性.結(jié)合電容深能級(jí)瞬態(tài)譜(capacitance deep level transient spectrum,C-DLTS)技術(shù)表征中子輻射在器件引入缺陷的微觀特征,從微觀機(jī)制上解釋SiC 功率器件的退化行為.

2 實(shí)驗(yàn)描述

試驗(yàn)樣品包括Cree 公司的SiC MOSFET(C2M0080120D,額定電壓1200 V,額定電流36 A)以及泰科天潤(rùn)公司的三款SiC 結(jié)勢(shì)壘肖特基(junction barrier Schottky,JBS)二極管(G3S06505A,650 V,5 A;G3S12005A,1200 V,5 A;G3S17005A,1700 V,5 A).SiC MOSFET 器件采用TO-247-3封裝,所有JBS 二極管均采用TO-220AC 封裝.試驗(yàn)用SiC 器件表面形貌和縱切截面分別如圖1和圖2 所示.

圖1 試驗(yàn)用SiC 結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管器件 (a)表面形貌的光學(xué)顯微鏡圖;(b)截面示意圖Fig.1.SiC JBS diode used in our experiment: (a) Optical microscope diagram of surface morphology;(b) diagram of cross-section.

圖2 試驗(yàn)用SiC MOSFET 器件 (a)表面形貌的光學(xué)顯微鏡圖;(b)截面示意圖Fig.2.SiC MOSFET used in our experiment: (a) Optical microscope diagram of surface morphology;(b) diagram of cross-section.

中子輻照在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的14 MeV單能中子源上進(jìn)行.器件安裝在測(cè)試板上,調(diào)整測(cè)試板的位置保證中子垂直入射到待測(cè)器件.由于中子的穿透性很強(qiáng),所有器件均采用帶封裝輻照.每款器件均選用3 件樣品開(kāi)展輻照試驗(yàn).輻照過(guò)程中,所有樣品均處于無(wú)偏置狀態(tài).選用的中子注量率為1 × 106cm-2·s-1,累積中子總注量為1.18×1011cm-2.根據(jù)Geant4 仿真[17,18]可計(jì)算14 MeV中子在SiC 材料中的非電離能損(non-ionization energy loss,NIEL)為1.758 × 10-7MeV·cm2/mg.當(dāng)中子總注量達(dá)到1.18×1011cm-2時(shí),可計(jì)算輻照過(guò)程中的總位移損傷劑量為2.07×104MeV/mg.

輻照前后,通過(guò)Keysight B1500A 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)全部樣品的I-V特性曲線進(jìn)行測(cè)試.I-V特性曲線在室溫下進(jìn)行.基于I-V特性曲線提取的器件肖特基勢(shì)壘、理想因子等參數(shù)均為3 件樣品的平均值.同時(shí),每款器件選取一件樣品開(kāi)展了輻照前后C-DLTS 測(cè)試,該測(cè)試基于PhysTech 公司的FT1230 HERA-DLTS 測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展.對(duì)于JBS器件,重點(diǎn)針對(duì)肖特基結(jié)開(kāi)展深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試和分析,獲取其缺陷特性.測(cè)試過(guò)程中陽(yáng)極接低電位,陰極接高電位.DLTS 測(cè)試過(guò)程中設(shè)定的主要參數(shù)為: 反向偏壓VR=－10 V,脈沖電壓VP=0 V,測(cè)試周期TW=100 ms,脈沖寬度TP=1 ms.對(duì)于MOSFET 器件,重點(diǎn)針對(duì)柵電容開(kāi)展深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試和分析,獲取其缺陷特性.測(cè)試過(guò)程中柵極接高電位,源極和漏極接低電位.DLTS 測(cè)試過(guò)程中設(shè)定的主要參數(shù)為: 反向偏壓VR=0 V,脈沖電壓VP=6 V,測(cè)試周期TW=4 ms,脈沖寬度TP=1 ms.深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試中的溫度掃描范圍均為50–450 K.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 中子輻射導(dǎo)致的SiC JBS 器件退化

3.1.1I-V特性退化

圖3–5 顯示了3 款SiC 二極管中子輻照前后的正向和反向I-V特性,其中VAnode為陽(yáng)極電壓,IAnode為陽(yáng)極電流.可以看到,輻照后二極管的正向電流有輕微的增加,而反向電流(絕對(duì)值)的增加更明顯.對(duì)應(yīng)反向偏壓為－50 V 時(shí),輻照后額定電壓為650 V,1200 V 和1700 V 的器件反向電流分別為輻照前的5.2 倍、11.6 倍和4.0 倍.SiC 肖特基勢(shì)壘二極管的正向電流傳輸滿足熱電子發(fā)射模型,其正向電流密度可表示為

圖3 額定電壓為650 V 的二極管輻照前后正向(a)和反向(b) I-V 特性Fig.3.Forward (a) and reverse (b) I-V characteristics of 650 V SiC diode before and after irradiation.

圖4 額定電壓為1200 V 的二極管輻照前后正向(a)和反向(b) I-V 特性Fig.4.Forward (a) and reverse (b) I-V characteristics of 1200 V SiC diode before and after irradiation.

圖5 額定電壓為1700 V 的二極管輻照前后正向(a)和反向(b)I-V 特性Fig.5.Forward (a) and reverse (b) I-V characteristics of 1700 V SiC diode before and after irradiation.

其中,A為有效理查遜常數(shù),對(duì)于4H-SiC,A=146 A/(cm2·K2);T為溫度(K);φB為肖特基勢(shì)壘高度(eV);n為理想因子;V為正向偏壓;k為玻爾茲曼常數(shù);V為器件正向電壓;q為單位電荷量.利用(1)式對(duì)肖特基二極管正向電流進(jìn)行擬合,可提取每款器件輻照前后的肖特基勢(shì)壘φB和理想因子n,如表1 所列.輻照前后,3 款器件的理想因子幾乎保持不變,肖特基勢(shì)壘均出現(xiàn)了0.01 eV 左右的降低.

表1 根據(jù)I-V 特性提取的二極管肖特基勢(shì)壘高度Table 1. Schottky barrier height of SiC diodes extracted by I-V characteristics.

SiC 肖特基勢(shì)壘二極管的反向電流傳輸滿足熱電子場(chǎng)發(fā)射模型,其反向電流密度可表示為[19]

其中,CT為隧穿系數(shù),約為8×10-13cm2/V2;φB0對(duì)應(yīng)反向電場(chǎng)為零時(shí)的肖特基勢(shì)壘高度;Es為肖特基結(jié)表面電場(chǎng)強(qiáng)度;εs為SiC 介電常數(shù).根據(jù)(2)式可知,反向電流(絕對(duì)值)反比于肖特基勢(shì)壘高度,正比于肖特基結(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度.輻照后器件肖特基勢(shì)壘高度降低了0.01 eV,會(huì)導(dǎo)致反向電流增大1.5 倍左右,這小于實(shí)際觀察到的反向電流增大量.因此,中子輻照導(dǎo)致的反向電流增大有一部分也可能來(lái)源于肖特基結(jié)附近電場(chǎng)強(qiáng)度的增大.

3.1.2 輻射損傷缺陷表征

圖6 為1700 V 額定電壓的二極管中子輻照前后的深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試結(jié)果.深能級(jí)瞬態(tài)譜上的每一個(gè)信號(hào)峰對(duì)應(yīng)一個(gè)缺陷能級(jí).在50–450 K 的溫度掃描范圍內(nèi),輻照前的DLTS 譜上觀察到兩個(gè)正信號(hào)峰,分別標(biāo)記為DT1和DT2.其對(duì)應(yīng)兩個(gè)本征的多子缺陷中心.根據(jù)DLTS 譜的峰值位置可擬合得到缺陷中心的發(fā)射時(shí)間常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系,即阿倫尼烏斯曲線,可表示為

圖6 (a)額定電壓為1700 V 的二極管輻照前后的深能級(jí)瞬態(tài)譜特性,其中內(nèi)嵌圖為溫度300–400 K 之間曲線的放大圖;(b)阿倫尼烏斯曲線Fig.6.(a) DLTS spectra of 1700 V SiC diode before and after irradiation,the inset graph is the enlarged curve between 300-400 K;(b) Arrhenius plot.

其中,NC為導(dǎo)帶底有效狀態(tài)密度,vth,n為電子熱速度,τe為缺陷俘獲電子的熱發(fā)射時(shí)間常數(shù),Xn為熵因子,σn為缺陷俘獲截面,EC為導(dǎo)帶能將,ET為缺陷能級(jí).根據(jù)(4)式,由阿倫尼烏斯曲線的斜率可以計(jì)算得到缺陷能級(jí)ET,由曲線與y軸的截距可計(jì)算得到俘獲截面σn.基于阿倫尼烏斯曲線進(jìn)行擬合,可提取輻照前器件的缺陷信息,如表2所列.缺陷DT1能級(jí)位置為EC-0.071 eV.根據(jù)能級(jí)位置判斷該缺陷為占據(jù)晶格位置的氮雜質(zhì)缺陷[14,20].該缺陷接近導(dǎo)帶頂,為淺能級(jí)缺陷,其對(duì)器件性能的影響要遠(yuǎn)小于缺陷DT2.缺陷DT2能級(jí)位置為EC-0.864eV,俘獲截面為2.19×10-15cm2,其對(duì)應(yīng)SiC 器件中的RD1/2缺陷.該本征缺陷為高能離子注入引入的缺陷[21].

表2 基于深能級(jí)瞬態(tài)譜提取的SiC 二極管輻照前后的缺陷信息Table 2. Trap information of SiC diode extracted by DLTS before and after irradiation.

中子輻照后的DLTS 譜上仍然觀察到兩個(gè)正信號(hào)峰.但中子輻照導(dǎo)致DT2峰值強(qiáng)度增加,其對(duì)應(yīng)的缺陷能級(jí)由EC-0.864 eV 變?yōu)镋C-1.034 eV,更接近于禁帶中心,俘獲截面由2.19×10-15cm2增大為8.34×10-13cm2.該缺陷能級(jí)對(duì)應(yīng)EH4 缺陷,為中子輻照導(dǎo)致的缺陷簇[13,22,23].該缺陷同樣在5 MeV 的質(zhì)子輻照(總注量1012cm-2)[22]以及2.5 MeV 的電子輻照(總注量1014cm-2)[23]中被觀察到.中子輻照引入的EH4 缺陷可能是導(dǎo)致二極管輻照后電特性退化的主要原因.該缺陷引起了肖特基勢(shì)壘的降低,最終導(dǎo)致反向飽和電流的增大.值得注意的是,中子輻照后DT1峰值強(qiáng)度減弱.這與輻照后SiC 漂移層中費(fèi)米能級(jí)降低相關(guān).圖7 顯示了DLTS 測(cè)試過(guò)程中SiC 二極管的能帶示意圖.在輻照前的DLTS 測(cè)試過(guò)程中,二極管上施加一個(gè)反偏電壓VR.對(duì)于n 型漂移層中的多子淺能級(jí)缺陷ET,其在費(fèi)米能級(jí)EF以下的部分被電子填充,而在空間電荷區(qū)內(nèi)ET能級(jí)位于EF以上的部分無(wú)電子填充.隨后二極管上加一個(gè)正向電壓脈沖VF.空間電荷區(qū)內(nèi)缺陷能級(jí)ET降到EF以下,缺陷能級(jí)被電子填充.在正向脈沖移除恢復(fù)反向偏壓的瞬間,空間電荷區(qū)內(nèi)缺陷能級(jí)ET重新上升到EF之上,但缺陷上填充的電子仍然來(lái)不及釋放.中子輻照后會(huì)在器件內(nèi)部引入更深能級(jí)的EH4 缺陷,導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)ET向禁帶中央移動(dòng).此時(shí)開(kāi)展DLTS 測(cè)試時(shí),在加正向脈沖電壓期間只有部分缺陷能級(jí)被電子填充.因此導(dǎo)致了DLTS 測(cè)試得到的DT1缺陷峰值強(qiáng)度減弱.

圖7 DLTS 測(cè)試過(guò)程中SiC 二極管的能帶示意圖(EV 為價(jià)帶能級(jí)) (a)輻照前;(b)輻照后.Fig.7.Schematic diagram of the energy band of SiC diode during DLTS testing process: (a) Pre-irradiation;(b) after-irradiation.

3.2 中子輻射導(dǎo)致的SiC MOSFET 器件退化

3.2.1I-V特性退化

圖8(a)顯示了14 MeV 中子輻照前后SiC MOSFET 的I-V特性曲線.當(dāng)輻照總注量達(dá)到1.18×1011cm-2 時(shí),器件的轉(zhuǎn)移特性有輕微負(fù)向漂移,柵電流出現(xiàn)了明顯增大.對(duì)應(yīng)柵電壓Vgs=15 V時(shí),輻照后器件柵電流比輻照前增加了近3.3 倍.根據(jù)Frenkel-Poole 發(fā)射理論,MOS 柵電流與電壓的平方根滿足如下指數(shù)關(guān)系[24]:

圖8 (a) SiC MOSFET 器件輻照前后的轉(zhuǎn)移特性和柵電流特性,測(cè)試條件為源端電壓Vs=0 V,漏端電壓Vd=0.1 V;(b)輻照后SiC MOSFET 器件柵電流擬合,測(cè)試條件Vd=Vs=0 VFig.8.(a) Transfer and gate-current characteristics of SiC MOSFET before and after irradiation (test condition,Vs=0 V,Vd=0.1 V);(b) gate current fitting of SiC MOSFET after irradiation (test condition Vd=Vs=0 V).

其中,εi為氧化層介電常數(shù),d為氧化層厚度,?B為氧化層勢(shì)壘高度.利用(5)式對(duì)輻照后MOSFET器件柵電流進(jìn)行擬合,吻合很好,如圖8(b)所示.這說(shuō)明輻照后柵電流滿足Frenkel-Poole 導(dǎo)電特性.因此可推斷中子輻照可能在SiC MOSFET 的氧化層中或氧化層界面附近引入了額外的施主型缺陷,如圖9 所示.這些缺陷對(duì)載流子通過(guò)勢(shì)壘層具有輔助作用,從而導(dǎo)致輻照后柵電流增大.中子輻射引入的缺陷在俘獲電子后呈中性,其俘獲的電子可以越過(guò)一個(gè)較低的勢(shì)阱后進(jìn)入導(dǎo)帶參與導(dǎo)電.當(dāng)MOSFET 器件柵端加一個(gè)正向偏壓后,氧化層中的勢(shì)壘進(jìn)一步降低,使得缺陷俘獲的電子更容易躍遷到導(dǎo)帶,從而使得柵電流隨著柵氧電場(chǎng)增加而增加,如圖9(c)所示.當(dāng)施主型缺陷俘獲的電子進(jìn)入導(dǎo)帶后,在氧化層中留下帶正電的缺陷,從而導(dǎo)致器件的轉(zhuǎn)移特性出現(xiàn)了負(fù)向漂移.

圖9 (a)輻照前未加?xùn)牌珘合碌腟iC MOSFET 器件能帶圖;(b)輻照后未加?xùn)牌珘合碌腟iC MOSFET 器件能帶圖;(c)輻照后加正柵偏壓下的SiC MOSFET 器件能帶圖Fig.9.(a) Energy band diagram of SiC MOSFET without gate bias before irradiation;(b) energy band diagram of SiC MOSFET without gate bias after irradiation;(c) energy band diagram of SiC MOSFET with positive gate bias after irradiation.

3.2.2 輻射損傷缺陷表征

圖10 為輻照前后SiC MOSFET 器件的深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試結(jié)果.針對(duì)柵電容的深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試結(jié)果反映的是溝道附近SiC 耗盡層中的缺陷特性.在輻照前的SiC MOSFET 的深能級(jí)瞬態(tài)譜中出現(xiàn)了一個(gè)明顯的正信號(hào)峰MT1,其對(duì)應(yīng)一個(gè)多子缺陷中心.基于阿倫尼烏斯曲線擬合,可提取輻照前器件的缺陷信息見(jiàn)表3.該缺陷能級(jí)位置EC-1.112 eV.中子輻照后的DLTS 譜上觀察到兩個(gè)正信號(hào)峰,分別標(biāo)記為MT1和MT2.相比于輻照前,中子輻照導(dǎo)致MT1峰向低溫區(qū)漂移,同時(shí)峰值強(qiáng)度增大,這反映了缺陷密度的增大,而其對(duì)應(yīng)的缺陷能級(jí)由EC-1.112 eV 變?yōu)镋C-0.980 eV.輻照后的缺陷能級(jí)變得比本征缺陷更淺且密度增加有限,不會(huì)對(duì)SiC MOSFET 器件的性能產(chǎn)生較大影響.此外,中子輻射在MOSFET 器件中引入一個(gè)新的缺陷MT2,其能級(jí)位置為EC-0.376 eV.該缺陷能級(jí)對(duì)應(yīng)于Si 空位缺陷,這說(shuō)明中子輻照在SiC 中引入了額外的Si 空位.但該新增缺陷的密度很低,遠(yuǎn)小于器件中的本征缺陷密度,預(yù)期也不會(huì)影響器件電學(xué)性能.因此,SiC 有源區(qū)中的缺陷不是導(dǎo)致MOSFET 器件性能退化的主要原因.

表3 基于深能級(jí)瞬態(tài)譜提取的SiC MOSFET 輻照前后的缺陷信息Table 3. Trap information of SiC MOSFET extracted by DLTS before and after irradiation.

圖10 (a)輻照前后SiC 功率MOSFET 器件的深能級(jí)瞬態(tài)譜;(b)阿倫尼烏斯曲線Fig.10.(a) DLTS spectrums of SiC MOSFET before and after irradiation;(b) Arrhenius plot.

4 結(jié)論

本文針對(duì)SiC 肖特基二極管和MOSFET 器件開(kāi)展了14 MeV 中子輻照試驗(yàn).當(dāng)中子總注量達(dá)到1.18×1011cm-2 時(shí)(對(duì)應(yīng)總位移損傷劑量為2.07×104MeV/mg),未觀察到二極管正向I-V特性有明顯退化,但反向漏電流出現(xiàn)了顯著增大.深能級(jí)瞬態(tài)譜的測(cè)試結(jié)果表明,中子輻照導(dǎo)致的缺陷簇在器件內(nèi)形成了深能級(jí)缺陷EH4,其缺陷能級(jí)EC-1.034 eV.該缺陷導(dǎo)致了n 摻雜漂移層中費(fèi)米能級(jí)向禁帶中央移動(dòng),引起了肖特基勢(shì)壘的降低,最終導(dǎo)致二極管反向漏電流的增大.對(duì)于SiC MOSFET 器件,中子輻照后的轉(zhuǎn)移特性未出現(xiàn)明顯退化,但柵電流有明顯增加.輻照后器件的柵氧化層導(dǎo)電滿足Frenkel-Poole 發(fā)射特性.這表明輻照前后MOSFET 器件的柵氧導(dǎo)電機(jī)制發(fā)生了變化,中子輻照在氧化層中引入的額外缺陷對(duì)載流子越過(guò)柵氧化層勢(shì)壘有輔助作用,從而導(dǎo)致了柵漏電的增加.