碳化硅半导体材料的辐照试验及表征研究

2022-03-22朱泓达

黑龙江科学 2022年4期

朱泓达

(伦敦大学学院，伦敦，WC1H 0AQ)

1 碳化硅半导体材料辐照试验装置

辐照试验装置主要由以下几部分组成，即：放电模块：其包括1台射频离子源，最大功率为800 W，运行频率为13.6 MHz，作为本试验的核心装置，为防止离子注入过程中对试验人员造成危害，在外侧加装了铝制屏蔽罩，使用铜管缠绕石英管的方式改良了射频源，以提高射频的抗干扰能力；1台匹配器，其作用是保证放电模块稳定、均匀发射离子源。电流采集模块：利用一台量程范围0.1 mA～1 A的毫安表，精确采集试验装置在用电运行期间的放电电流，将采集到的信息于电流显示器上直观展示。送气模块：核心装置是一台D08-4D型质量流量显示仪，可在控制面板上人为设置气体流量参数，达到调节气体流量的效果。计时模块：在预先设定好辐照剂量、额定电流的情况下，计算辐照时间，精确到毫秒。其他模块：该试验装置中还有提供负偏压电的装置、偏压加速装置、激光加热装置及红外测温装置等。

2 碳化硅半导体材料辐照试验流程

选取一块规格为12 mm×12 mm×0.8 mm的碳化硅半导体材料作为试验样品。调整试验装置参数：离子注入能量100 KeV；分别设置4个梯级的注入剂量，依次是2.0×1015ion/cm2、6.0×1015ion/cm2、1.0×1016ion/cm2和5.0×1016ion/cm2；样品表面温度恒定在(450±20)℃；考虑到沟道效应的影响，调整离子注入方向，在垂直方向上向一侧偏移5°。完成上述参数设定和试验准备后，试验人员检查石英窗上的密封旋钮是否拧紧，确保整个试验环境完全密封。在密封状态下启动抽气系统，将内部空气抽出，使试验环境成负压状态。按下开关后，启动射频离子源，对样品进行辐照处理。辐照结束后，采取蒙塔卡罗算法，得出碳化硅样品中氦原子的深度分布、原子离位损伤等指标的定量结果。依据密度泛函理论，在仿真环境下构建单晶碳化硅的立方体原子模型，并模拟碳化硅中氦泡的演变过程。在原子模型中，用10个He原子代替4个C原子和6个Si原子，填充至饱和。

3 碳化硅半导体材料辐照试验表征分析

3.1 离子注入量与原子平均离位损伤的关系

通过射频离子源，以较高初始速度注入到样品材料的离子，必然会对原子结构产生冲击，在接触、碰撞过程中出现转移能量，进而压缩间隙，导致原本比较规则、稳定的微观结构发生变化，即为原子平均离位损伤。为了更加直观地表示样品微观层面上的损伤情况，引入了“晶格原子位移率(D)”的概念，可以用公式计算得出：

式中，F为离子注入剂量，R为产生的移位分布，N为单位体积内原子数量。共设置了4个量级的辐照剂量，按照上式可以得到碳化硅在不同辐照剂量下的原子平均离位损伤，如表1所示。

表1 不同辐照剂量对应的原子离位损伤

从表1数据变化规律可以总结出，随着辐照强度的提升，注入离子剂量增多，原子平均离位损伤也随之增加。

3.2 碳化硅表面形貌变化情况

将经过辐照试验的碳化硅样品置于原子力显微镜下，调节为“轻敲模式”，扫描之后得到样品表面图像。取一块未接受辐照的碳化硅晶体，采取相同方式观察得到图片，作为对照。对比发现，在离子注入能量为120 KeV，表面温度为350℃，注入剂量为从0增加至5.0×1016ion/cm2的条件下，碳化硅样品表面有不同程度的肿胀、局部隆起情况。随着注入剂量的持续增多，该表征现象越明显。由此推断，在注入剂量达到一定值后，肿胀部位会发生破裂，碳化硅样品表面出现破损、表皮剥落情况。

3.3 碳化硅力学性能分析

力学性能的测试方法是将经过辐照处理后的碳化硅样品取出，置于原子力显微镜的操作台上，设置为“压痕模式”后，用金刚石针尖，垂直于样品表面施加压力，观察样品表面压痕深度，据此判断材料硬度。设置施加的压力为30 μN，最大压痕深度不超过50 nm。依次对不同注入剂量辐照处理后的4组碳化硅样品，及未经处理的1组碳化硅样品进行施压处理。结果表明，未接受辐照处理的碳化硅样品压痕最浅，即硬度最大。随着辐照强度的增加，样品的压痕变得更加明显。由此可得，辐照剂量与碳化硅材料硬度成反比关系。

3.4 碳化硅横断面分析

辐照对碳化硅材料造成的损伤不仅仅局限于表面。由于辐射能量具有极强的穿透性，因此材料内部也不可避免的会出现损伤。为了验证辐照剂量对材料内部结构造成的破坏作用，还需要进行横断面分析。利用扫描电子显微镜可以获得碳化硅样品横断面的图像。未经过辐照处理的对照样品，其横断面均匀、无损伤；而当注入剂量增加至一定值后，在距离辐照面400 nm深度处，最先出现了损伤；随着注入剂量的持续提升，损伤层的厚度也相应增加。

3.5 碳化硅C-AFM测试结果分析

导电式原子力显微镜(C-AFM)是利用针尖与样品在原子之间的作用力，造成针尖激光偏转，通过收集激光偏移量进行数据处理后获取样品表面形貌、内部缺陷的一种方法。在辐照剂量为5.0×1016ion/cm2的条件下，给针尖施加3.0 mV正向电压，此时电子发射图像比表面形貌图像更明显，表明电子发射对于损伤层内部微观结构更敏感，从电流图像中可以看到大量的椭圆缺陷(如图1)。