碳化硅结势垒肖特基二极管的质子辐射效应

刘翠翠，郭 刚，李治明，殷 倩，张艳文，刘建成，韩金华，张 峥，张付强，陈启明

(1.中国原子能科学研究院 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心，北京 102413；2.兰州大学 核科学与技术学院，甘肃 兰州 730000)

目前新一代航天器为了降低成本、提高性能和使用寿命，将逐步采用电推进系统取代传统化学推进系统[1-2]。电推进系统对功率器件的性能要求更高，仅工作电压需达kV量级，常规Si器件难以达到该水平[3-4]。由于SiC器件更适合高温、高压、强辐射场等复杂工况下的工作，也更有可能满足新一代航天器对高集成、大功率、强耐压、高工频等性能的需求[5-8]。SiC二极管是利用半导体材料制成的具有单向导电性的二端器件，包含肖特基势垒二极管(schottky barrier diode，SBD)、结构势垒肖特基二极管(junction barrier schottky, JBS)和PIN二极管。其中，JBS同时具有 SBD 开启电压低、恢复速度快以及 PIN二极管击穿电压高、反向漏电流密度低的优点，因此在飞行器电推进等系统中具有更好的应用优势。早在本世纪之初，国内外学者便开始对SiC二极管辐射效应开展地面模拟辐照实验研究[9]。2004年，Luo等[10]利用63.3 MeV质子开展了SiC SBD及SiC JBS位移损伤效应研究，发现辐照后器件正向电流改变较小，但因质子辐照对4H-SiC内某些深层陷阱的退火作用，器件的反向漏电流小幅下降。2005年，Harris等[11]在质子辐照SiC SBD位移损伤效应研究中发现，SiC SBD相比SiC JBS展现出更强的抗质子辐照能力。2012年，张林等[12]采用低能电子和伽马射线开展Ni/4H-SiC SBD探测器辐照实验发现，当电子能量达1 MeV，由于其超过了造成SiC内C原子和Si原子位移所需的最低入射电子能量(分别为100 keV和220 keV)，可在SiC材料内同时引入电离损伤和位移损伤，且位移缺陷在材料内引入复合中心，导致肖特基耗尽层的复合电流增加。2019年，Hazdra等[13]采用质子、中子、电子以及伽马射线对JBS、PIN、MOSFET、JFET四种SiC器件开展了辐射效应研究，结合深能级瞬态谱(DLTS)测试结果，得出载流子去除是导致JBS退化的主要机制。2020年，曹爽等[14]通过208 MeV Ge重离子辐照SiC JBS发现，辐照后器件的正向I-V特性几乎无变化，而反向I-V和C-V特性退化，肖特基势垒高度增加、电容量变小。同时，SiC JBS的退化特性与反向偏置电压密切相关，且器件漏电流可随粒子注量的累积持续增加。

SiC 功率器件应用于航天领域，不仅需要其优异的电性能，还要求具备在空间辐射环境下长期稳定工作的能力。但空间环境中存在大量质子和一定量的高能重离子，导致SiC JBS易发生电离辐射损伤以及非电离辐射损伤。目前SiC器件辐射效应退化的表现不统一，关于其辐射效应机理的解释也不清晰，因而无法形成真正可靠的抗辐射加固设计与评估技术。为了解决这一问题，本研究基于地面加速器装置，开展SiC JBS对中能质子的辐射效应响应及机理研究，测量器件辐照前后的正反向I-V特性、反向C-V特性和DLTS谱，提取器件电性能变化和缺陷引入情况，并深入分析两者间的关系。

1 研究方法

1.1 实验样品及测试

本研究SiC JBS样品是Infineon公司、泰科天润公司产品，编号为#1和#2。两款器件均采用TO-247封装，反向直流电压1 200 V，标定工作温度218～448 K。实验前，所有实验样品均开帽处理并暴露出灵敏区(图1)。#1芯片面积较小，平均正向电流40 A；#2平均正向电流20 A，故#1的工作电流密度更大。开帽后对实验样品的基本电学性能进行测试，筛选出电学性能稳定、均一性较好的器件开展辐照实验。

图1 辐照实验样品Fig.1 Irradiation test sample

1.2 辐照实验

辐照实验在中国原子能科学研究院HI-13串列加速器的重离子单粒子效应实验终端进行，实验现场示于图2。质子辐照实验在真空靶室中进行，实验样品固定在靶室的样品架上，在辐照过程中质子在器件有肖特基结构一侧表面垂直入射，辐照实验过程中器件全程处于真空环境。

图2 HI-13 串列加速器重离子单粒子效应测量装置辐照终端Fig.2 Irradiation terminal of heavy ion single event effect measuring device of HI-13 tandem accelerator

1.2.1等效低地球轨道(LEO)辐照损伤 考虑到低轨道卫星空间环境中的中能质子占比较大，以低轨道卫星在轨运行10 a为目标应用场景，基于位移损伤等效剂量法[19]选定质子能量10 MeV，并设置20 MeV对照组，每种能量下开展3×109p/cm2、3×1010p/cm2两个注量的室温、无偏压辐照。每种条件下的辐照时间均为1 000 s，即注量率分别为3×106p/(cm2·s)、3×107p/(cm2·s)，束斑面积为5 cm × 5 cm，辐照条件及对应编号列于表1。辐照后，测试器件的电学性能，包括正向I-V、反向I-V以及C-V特性。同时对经过100 d充分室温退火后器件的工作状态进行测试，评价器件质子辐照后的室温退火自修复能力。

表1 质子辐照实验参数Table 1 Proton irradiation test parameters

1.2.2等效地球同步轨道(GEO)辐照损伤 基于位移损伤等效剂量法，采用10 MeV质子、最大注量1×1012p/cm2条件辐照所产生的位移损伤约为在低地球轨道至地球静止轨道等低、中、高全部典型轨道上运行10年所累积的位移损伤。因此，在室温、无偏压条件下，开展10、15、20 MeV三种能量，累积注量1×1012p/cm2的质子辐照实验。质子注量率为3×108p/(cm2·s)，质子束斑面积为5 cm×5 cm，各样品的辐照条件列于表2。在器件辐照前后对其进行电学特性，包括正向I-V、反向I-V和C-V特性分析。同时对经过100 d充分室温退火后器件的工作状态进行测试，评价器件质子辐照后的室温退火自修复能力。

表2 质子辐照实验参数Table 2 Proton irradiation test parameters

1.3 SiC JBS的数学模型

SiC JBS电容C与电压V的关系可由公式(1)的1/C2-V关系表示[15]：

(1)

(2)

式中，NC为4H-SiC的有效态密度。通过以上数学模型可计算出辐照前后SiC JBS的肖特基势垒高度ΦB、有效载流子浓度Neff等特性参数，再结合载流子特性及材料特性，可从理论上分析不同束流条件下器件产生辐射损伤程度以及引起宏观性能退化的深层物理机制。

2 结果与讨论

2.1 样品基本电学性能

器件辐照前的电学特性示于图3。由图3可知，两款器件在1 V以内的正向特性以及反向电学特性相似。

a——正向特性；b——反向特性图3 器件辐照前的电学特性Fig.3 Electrical characteristics of devices before irradiation

2.2 等效LEO轨道损伤

2.2.1I-V特性 器件辐照前后的正向I-V特性示于图4。由图4可见，质子辐照后器件#1开启电压均略增大，正向电流特性略降低，而器件#2几乎没有改变。说明采用3×1010p/cm2以下注量的10、20 MeV质子辐照，两款器件的正向特性均不会产生明显退化，SiC JBS的正向特性对于质子辐照效应不敏感，且器件#2正向特性稳定性更好。表明在不加电、室温条件下，在LEO轨道运行10年所累积的位移损伤，基本不会造成这两款器件正向特性严重退化。

a——#1进口器件；b——#2—国产器件图4 辐照前后的正向电学性能Fig.4 Positive electrical properties before and after irradiation

器件辐照后的反向I-V曲线示于图5。由图5可以看出，器件#2经质子辐照后的漏电流发生明显增加，且10 MeV质子造成了器件击穿电压的严重退化。而小测试电压下反向电流的减小，可能是隧穿电流降低、热扩散电流降低等原因导致，这可能与肖特基势垒的增加、辐照缺陷俘获载流子致其浓度降低以及界面负电荷累积等原因有关。

a——#1进口器件；b——#2国产器件图5 辐照前后的反向电学性能Fig.5 Reverse electrical properties before and after irradiation

2.2.2退火特性 经过室温退火后的反向I-V特性示于图6。质子辐照后，对于器件#1，#1-1器件的反向额定击穿电压降570 V，其他器件的反向额定击穿电压均降至800 V以下；对于器件#2， #2-2、#2-1器件的反向额定击穿电压均分别降至780、880 V以下，而#2-4器件的反向额定击穿电压降至810 V以下。

a——#1进口器件；b——#2国产器件图6 室温退火后的反向电学性能Fig.6 Reverse electrical properties after annealing at room temperature

可以看出，SiC JBS的反向特性对于质子位移损伤效应较为敏感，辐照后器件的特性变得不再稳定。可能是界面电荷积累导致半导体界面处的峰值电场增加，同时辐照缺陷引起肖特基结、PN结界面受损并增强了隧穿效应，综合多种因素共同导致器件击穿特性受损。对比图5可知，#1器件抗低注量、高能量条件质子辐照损伤能力更强，但辐照后室温退火缺陷消除的能力较差，这可能与其材料掺杂浓度过大等原因有关，也说明室温退火不会完全消除器件因辐照带来的损伤，器件性能也难以恢复。

2.2.3C-V特性 器件辐照前后的C-V特性曲线示于图7。器件#1经注量3×109p/cm2、能量10 MeV质子辐照后#1-1器件电容退化率达到32.6%，其他器件几乎无改变；而器件#2的#2-2器件、#2-4器件电容退化率分别达到25.2%、24.3%，其电容特性与质子能量和注量出现了明显的相关性，且10 MeV低能量、3×1010p/cm2高注量下出现了更明显的退化。

a——#1进口器件；b——#2国产器件图7 辐照前后的C-V特性Fig.7 C-V characteristics before and after irradiation

将图7的C-V数据带入公式(1)，得到1/C2-V关系曲线并计算出器件的特性参数列于表3。分析发现，对于#2器件，在同一能量下，注量3×1010p/cm2比3×109p/cm2质子辐照后造成了更严重的载流子去除效应和势垒的增高。对于#1器件，#1-1电容改变异常的原因可能与其出厂可靠性有关，其他器件的载流子浓度、肖特基势垒高度变化较小，可能因测试及计算精度所限而无法展现出#2器件的规律。

表3 质子辐照前后SiC JBS的关键参数Table 3 Key parameters of SiC JBS before and after proton irradiation

2.2.4微观缺陷 基于深能级瞬态谱(DLTS)测试结果可获得器件受质子辐照所产生的缺陷类型及密度。器件辐照前后的DLTS测试结果示于图8。可见，这两款SiC JBS缺陷峰强度不完全相同，但基本都存在3个主要的缺陷峰，分别是160 K附近的E0.4、310 K附近的Z1/2和400 K附近的EH[13-14]。分析认为，E0.4属于Si空位峰；Z1/2是Z1/Z2峰与相邻EH2、EH3能级叠加所形成，属于C空位峰，其产生可能与器件制备过程中的阳极层注入和后续退火有关；EH峰的形成复杂，推测是多个缺陷能级叠加所致，可能与C缺陷团簇有关。三个峰均向上凸起，峰强为正，属于受主型缺陷能级，会俘获多数载流子电子并降低其迁移率，进而导致相同偏压下电流的下降等电学性能改变。

a——进口器件；b——国产器件图8 辐照前后的DLTS测试结果Fig.8 DLTS test results before and after irradiation

分析DLTS结果可知，10 MeV和20 MeV质子辐照均令原有的E0.4、Z1/2、EH缺陷能级峰位增强，说明质子辐照导致C缺陷与Si缺陷密度均增加，但Si原子离位阈能大于C原子离位阈能，因此质子辐照可引入更多的C缺陷，也因此导致多个C缺陷相关峰位均在质子辐照后增强；而#2-2的Z1/2左侧出现新缺陷峰位，以及EH原有缺陷峰位的展宽，则可能与质子辐照在SiC器件中引入了新型缺陷有关，但其同原有缺陷峰位重合故并未显示出单独缺陷峰位。同时，#1-4,、#2-4辐照后DLTS均明显变形，这可能与20 MeV较高能量质子辐照在器件内引入了更严重的C缺陷簇损伤相关。由于缺陷能级密度增加，俘获载流子能力增加，载流子浓度减小，这与C-V测试结果一致，也证明质子辐照导致器件内产生更多缺陷，缺陷密度增加，载流子复合增加，并引发载流子去除效应，进而导致器件反向电学性能出现明显退化。

2.3 等效GEO轨道辐照损伤

2.3.1I-V特性 提高质子辐照注量后器件的正向I-V特性示于图9。可见，相比于前面小于1×1011p/cm2注量的中能质子辐照，采用1×1012p/cm2注量质子辐照之后器件的正向I-V出现了明显退化，但随着辐照质子能量的增加其退化程度减小。结合理想因子的计算公式可知，器件的理想因子相比于辐照前有所增大，且在10 MeV处达到最大，这是因为相比更高能量的质子，10 MeV质子辐照引起了SiC JBS最为严重的非电离能量损失(non-ionizing energy loss, NIEL)，因此会产生更严重的辐照缺陷，导致复合电流增加，削弱了器件原本的热电子发射电流占比。

a——#1进口器件；b——#1国产器件图9 辐照前后的正向电学性能Fig.9 Positive electrical properties before and after irradiation

通过图10所示反向I-V特性，可见器件#1和器件#2在受到质子辐射后，在小测试电压下都出现了漏电流减小的现象；而随测试电压增加，#1组中经10 MeV质子辐照的#1-1器件反向漏电流在560 V处便开始出现了骤增，#2组中经10 MeV质子辐照的#2-1器件反向漏电流也在200 V以后便出现了缓慢增加的现象。

a——#1进口器件；b——#2国产器件图10 辐照前后的反向电学性能Fig.10 Reverse electrical properties before and after irradiation

2.3.2退火特性 经过室温退火后的反向I-V特性示于图11，器件#1的反向漏电流进一步增大、电学性能发生明显退化，器件#2的反向特性相对稳定。其中，经过20 MeV质子辐照的#1-3器件的反向漏电流在600 V处开始波动，经过15 MeV质子辐照的#1-2器件的反向漏电流在370 V处开始波动，到580 V完全击穿，经过10 MeV质子辐照的#1-1器件的反向漏电流在420 V处完全击穿。说明采用位移损伤等效剂量法计算的较高注量质子辐照，在SiC JBS器件内部引入大量的辐照缺陷，且#1器件内的辐照缺陷无法随室温退火出现明显修复，器件的额定击穿电压已降至50%以下，故无法满足航天应用需求。

a——#1进口器件；b——#2国产器件图11 室温退火后的反向电学性能Fig.11 Reverse electrical properties after annealing at room temperature

a——#1进口器件；b——#2国产器件图12 辐照前后的C-V曲线Fig.12 C-V performance before and after irradiation

2.3.3C-V特性 器件C-V测试结果示于图12。由图12可知，器件#1和器件#2的电容量都发生了退化。器件#1退化较小，其中#1-1在0 V处的电容量退化率大于10%，但三种能量质子辐照后电容的退化相差较小；器件#2的退化更加明显，其中经过10 MeV质子辐照后的#2-1在0 V处的电容量退化率最高并大于30%。因为SiC JBS的电容与器件的载流子浓度、界面态、器件材料及结构特性等参数有关，#2芯片面积大，载流子浓度偏低，相同注量质子辐照在#2器件内引入更多缺陷和界面态，导致其载流子浓度进一步减小，空间电荷区变小，势垒电容减小，故C-V特性出现剧烈改变。

表4为基于图12的C-V数据以及公式(1)计算出的器件的内建电势Vbi、有效载流子浓度Neff，以及肖特基势垒高度ΦB。可见，经过1×1012p/cm2注量的质子辐照后，器件的内建电势增加，肖特基势垒增加，载流子浓度降低。这是因为质子辐照诱生更多的辐照缺陷，缺陷会增加载流子的暂时性俘获以及复合能力，导致载流子浓度下降，即载流子去除效应，从而导致电学性能也显现出退化。同样，10 MeV质子辐照之后器件C-V性能退化最为严重，与I-V特性的结果一致，主要与低能质子NIEL更大，导致更多晶格原子离开平衡位置形成辐照缺陷等原因有关。

表4 质子辐照前后的内建电势及载流子浓度Table 4 Built in potential and carrier concentration before and after proton irradiation

3 结论

针对商用1 200 V SiC JBS等效航天器典型卫星轨道运行10年累积的位移损伤剂量所对应的10 MeV单能质子辐照注量，开展了10～20 MeV中能质子加速器地面模拟辐照实验，得到辐照前后SiC JBS的正向电学特性、反向电学特性以及微观缺陷特性，并分析了辐照条件与器件特性退化之间的关系。目前商用高性能SiC JBS，尤其是其反向电学性能，对位移损伤效应仍较为敏感。基于10 MeV等效位移损伤剂量法，受中等注量的中能质子辐照后所引起的位移损伤缺陷影响，SiC JBS会产生不同程度的退化，为其可靠运行埋下隐患；而10 MeV较低能量、较大注量的中能质子辐照会导致SiC JBS产生难以恢复的永久缺陷，可引起其击穿电压大幅下降、甚至直接损毁。如果将其应用于航天任务中，则难以满足航天任务需求。未来，针对航天环境下新型SiC JBS的辐射效应还需更深入研究，结合逆向技术深度剖析器件结构、工艺与其抗辐照能力之间的关系，建立可靠的评估技术标准和评估平台，保障航天事业顺利、高速发展。