4H-SiC结势垒肖特基二极管电子辐照效应测试分析

刘超铭，肖一平，王天琦，张庆豪，王祖军，李何依，冯绍辉，齐春华，张延清，马国亮，霍明学

(1.哈尔滨工业大学 空间环境与物质科学研究院，哈尔滨150001；2.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150001；3.西北核技术研究所，西安710024；4.北京微电子技术研究所，北京100076)

人类对空间的探索使电子器件和芯片的应用更加广泛，据不完全统计，40%以上的航天器故障是由空间环境效应导致的，其中空间带电粒子辐射环境对电子元器件的影响最为突出[1]。高能带电粒子可穿过航天器外部防护结构，在舱内电子元器件中产生电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应和内部充电效应[2]。这些效应都会引起器件性能退化或故障，无法满足我国航天电子元器件高可靠、长寿命的需求。碳化硅(SiC)材料具有较大的禁带宽度和较高的原子临界位移能，所以SiC器件具备高击穿电场强度、高功率品质因数及高热导率等卓越性能。可靠性方面，SiC器件具有强抗电磁波冲击和高抗辐射损伤的能力，作为大功率和高频器件在极端环境中有极大的应用潜力[3-4]。

目前针对4H-SiC肖特基势垒二极管(SBD)的电子辐照效应已开展了大量的研究[5-10]。研究表明，当辐照电子能量超过100 keV时会在SBD中引入Z1/2和EH6/7，Z1/2和EH6/7的浓度随着辐照注量增大而提高[11-12]。Omotoso等的研究表明，电子辐照会导致Ni/4H-SiC SBD自由载流子浓度降低[13]。SiC SBD经电子辐照后，会在半导体/金属界面附近形成缺陷，显著增加理想因子和出现瞬态非稳态电流[14]。叶毅等研究了表面电场降低(D-Resurf)技术，可提高反向击穿电压，改善正向导通特性，还通过仿真对参数进行了一系列的优化[15]。陈刚等制备了Ni/SiC SBD，Ni/SiC作为终端放置在SBD边缘，在反向击穿电压为1 100 V时，Ni/SiC SBD依然保持较小的漏电流，且正向导通特性表现良好[16]。

随着电力电子技术的迅速发展,以肖特基二极管(SD)和PiN二极管为主的传统二极管已无法满足高频率、大功率及低功耗的市场需求,前者击穿电压低、反向漏电大，而后者高频特性较差。因此结势垒肖特基二极管(JBS)应运而生,该结构将SBD结构和PiN结构巧妙地结合在一起,结合了SBD良好的开关特性和PiN二极管高击穿电压和低漏电流特性，具有高耐压、低压降、小漏电、高频特性好及强抗过压和浪涌电流能力。与SBD相比，JBS中有P-N结存在，辐照效应更加复杂，包括了在SBD中不存在的少子效应。因此，在研究分析JBS辐照效应的过程中不仅要考虑半导体-金属肖特基结的辐射效应，还要考虑P-N结的辐照效应。由于JBS的复杂性，目前主要开展仿真和基础研究，主要包括制备工艺的开发改进方面。综上，4H-SiC SBD电子辐照效应的机理与评价研究相对较多。而对4H-SiC JBS电子辐照效应的研究还属于起步阶段。

本文基于场限环终端的JBS，研究了JBS经1 MeV电子辐照前后的I-V和C-V特性及机理，并通过光致发光(photoluminescence，PL)光谱分析了电子辐照后缺陷的性质和演化过程。

1实验介绍

本文以中国科学院微电子研究所研制的4H-SiC JBS为实验对象，器件结构如图1所示。

(a)Cross section of SiC JBS

(b)Photo of SiC JBS

图1中，图1(a)为器件的截面结构，图1(b)为实物照片。N型外延层掺杂浓度为6.5×1015cm-3，厚度为11 μm。二极管的阳极由Ti/N-SiC肖特基接触和AlSi金属电极组成，衬底为欧姆接触。

辐照实验源为黑龙江省科学院技术物理研究所的1 MeV高压电子加速器，注量分别为5.0×1014cm-2和5.0×1015cm-2。辐照前打开器件封装，使芯片暴露。图2为1 MeV电子穿透SiC实验样品的CASINO软件[17]模拟结果。由图2可见，1 MeV电子在SiC材料中的射程为361 μm。

图21 MeV电子穿透SiC实验样品的CASINO软件模拟结果Fig.2Simulation results of 1 MeV electronpenetrate the SiC chip simulated by CASINO code

采用Keithley 2636B-2651A-2657A组成的大功率半导体测试系统测量JBS的电学特性，测量正向I-V特性可得串联电阻值，测量反向I-V特性可得反向漏电流(Ir)。采用Keithley 4200-SCS半导体参数测试系统测量辐照前后JBS的C-V特性，可获得电容、载流子浓度和肖特基势垒高度等参数信息，I-V和C-V测试均在暗箱中完成。采用Edinburgh FLS1000光致发光测试系统测量辐照前后4H-SiC外延片的光致发光特性。

2结果与讨论

图3为1 MeV电子辐照前后4H-SiC JBS的正向I-V特性。由图3可见，随着电子注量的增加，正向电流减小；在1.6 V电压下辐照前，正向电流为13.6 A；电子注量为5×1014cm-2时，正向电流为12.8 A；电子注量为5×1015cm-2时，正向电流为8.1 A。

图3电子辐照前后4H-SiC JBS的正向I-V特性Fig.3Forward I-V characteristics of 4H-SiC JBSdiodes before and after electron irradiation

串联电阻Rs可通过式(1)得出[18]：

(1)

其中，I为电流；n为质子数密度；kB为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；e为元电荷。辐照前，串联电阻为49.8 mΩ，是4H-SiC JBS理想的串联电阻值。当电子注量增长至5×1014cm-2时，串联电阻增大到53.3 mΩ；当电子注量达到5×1015cm-2时，串联电阻为81.2 mΩ。辐照产生的缺陷可以俘获SiC中的自由载流子，使净载流子浓度降低并产生补偿效应，从而导致串联电阻增加[19-21]。

图4为1 MeV电子辐照前后4H-SiC JBS的反向I-V特性。

图4电子辐照前后4H-SiC JBS的反向I-V特性Fig.4Reverse I-V characteristics of 4H-SiCJBS diodes before and after electron irradiation

由图4可见，与辐照前相比，电子注量为5×1014cm-2时漏电流增加，电子注量为5×1015cm-2时，漏电流则明显降低。较低注量下漏电流的增加原因可能是辐照引起原子位移产生“形成-复合中心”[21]；较高注量下漏电流的降低原因可能是电子辐照对SiC JBS注入退火效应，也可能是电子辐照引入补偿缺陷导致载流子浓度的降低[22-23]。

图5、图6分别为4H-SiC JBS受1 MeV电子辐照前后的C-V特性和C-2-V特性。由图5可见，样品的电容随辐照注量的增加而降低；反向偏压为-4 V时，辐照前电容为3.04 nF，电子注量为5×1014cm-2时，电容降低为2.94 nF；电子注量为5×1015cm-2时，电容降低为2.27 nF。由图6可见，净载流子浓度随电子注量的增加而降低。电容的降低可能是由于净载流子浓度的降低而导致半导体耗尽层宽度增加引起的。而净载流子浓度降低是由于辐照导致禁带中产生了受主态缺陷造成的[24]。

图5电子辐照前后4H-SiC JBS的C-V特性 Fig.5C-V characteristics of 4H-SiC JBSbefore and after electron irradiation

图6电子辐照前后4H-SiC JBS的C-2-V特性Fig.6C-2-V characteristics of 4H-SiC JBSbefore and after electron irradiation

载流子浓度N由式(2)给出，肖特基势垒高度Φb由式(3)给出[14,21]：

(2)

(3)

其中，C为电容；Vbi为内建电势；εs为半导体的介电常数；ξ为导带与费密能级的能级差。由C-V特征曲线计算得到的参数信息如表1所列。

表1电子辐照前后的4H-SiC JBS参数Tab.1Parameters of 4H-SiC JBS beforeand after electron irradiation

由表1可见，载流子浓度随辐照注量的增加而显著降低，这归因于辐射诱导产生的受主缺陷捕获载流子[24];辐照前，肖特基势垒高度为1.25 eV；电子注量为5×1014cm-2时，肖特基势垒高度仍为1.25 eV；电子注量达到5×1015cm-2时，肖特基势垒高度为2.11 eV。图7为载流子浓度变化量ΔN与电子注量的关系。载流子去除率η为[14,21]

(4)

图74H-SiC JBS载流子浓度变化量随辐照注量的变化Fig.7Carrier concentration variation of 4H-SiC JBS vs.electron irradiation fluence

由式(4)计算可得载流子去除率为0.37 cm-1，载流子浓度降低与电子辐照引入的缺陷有关。与重离子辐照相比，电子动量较小，在SiC材料中主要产生单空位型缺陷，载流子去除率较小[25]。

图8所示为1 MeV电子辐照前后4H-SiC外延片的PL光谱图。激发光源为氙灯，波长为380 nm。与辐照前相比，辐照后的PL峰强明显增加，这是由于电子辐照后缺陷浓度增加。此外，注量为5×1015cm-2时的PL峰强低于注量为5×1014cm-2时的PL峰强，这是由电子辐照过程中淬灭效应引起的。

图8电子辐照前后4H-SiC的PL光谱图Fig.8PL spectra of 4H-SiC beforeand after electron irradiation

图9为电子辐照前后经分峰处理的PL光谱。表2为使用Alentsev-Fock方法[26]得到的发射峰位λp、能量E、半峰宽σFWHM和峰强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)、半峰宽(σFWHM)、峰强(IPL)和可能的结构Tab.2The peak position (λp),the corresponding energy (Ep),the FWHM,the intensity (IPL) ，and possible structure

由图9(a)可见，辐照前，3个峰分别位于422 nm(～2.94 eV)，525 nm(～2.36 eV)和597 nm(～2.08 eV)处。经电子辐照后，597 nm(～2.08 eV)处的峰消失，470 nm(～2.64 eV)处的峰出现。研究表明，2.94 eV是碳间隙(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]。由图9及表2可见，经1 MeV电子辐照后，碳空位(VC)及碳间隙(IC)的数量增加。图10为4H-SiC光致发光能级跃迁示意图。

图10电子辐照4H-SiC样品PL跃迁示意图Fig.10Sketch of the band diagram with the PLtransitions of electron-irradiated 4H-SiC samples

综上所述，4H-SiC JBS经1 MeV电子辐照后IC和VC的浓度增加，导致PL光谱强度增加。引起淬灭效应的原因是载流子浓度降低和辐照产生的非辐射复合中心[30-32]。总体来说，电子辐照强烈影响SiC的晶格结构和周期势场，并能在禁带内引入缺陷能级，降低材料中的载流子迁移率和载流子浓度。此外，由电子辐照引起的深能级缺陷常常充当非辐射复合中心，抑制发光效率，从而导致发光强度降低[32-33]。缺陷浓度的增加会导致4H-SiC JBS的I-V和C-V特性变化[16]。

3结论

本文研究了不同注量1 MeV电子对4H-SiC JBS的I-V特性、C-V特性和缺陷的辐照效应。经注量为5×1015cm-2电子辐照后，JBS串联电阻由49.8 mΩ增加到81.2 mΩ，漏电流随辐照注量先增加后降低，载流子浓度随辐照注量的增加而降低，载流子去除率为0.37 cm-1。PL研究结果表明，辐照后VC、VSi显著增加。辐照引起缺陷浓度增加并捕获载流子导致载流子浓度降低，这是4H-SiC JBS器件的I-V特性、C-V特性退化的主要原因。此外，淬灭效应可能是由于载流子浓度降低和辐照产生的非辐射复合中心造成的。

本文从分析SiC JBS器件在1 MeV电子辐照条件下宏观电性能退化入手，结合SiC材料PL光谱的微观缺陷分析，对宏观性能与微观缺陷的关联性进行了深入研究，得到了微观缺陷对器件电性能的影响机理与规律。本文的研究结果可为SiC基器件的空间应用及抗辐射加固技术研究提供一定的数据参考和理论支撑。