劉超銘，肖一平，王天琦，張慶豪，王祖軍，李何依，馮紹輝，齊春華，張延清，馬國亮，霍明學

(1.哈爾濱工業(yè)大學 空間環(huán)境與物質科學研究院，哈爾濱150001；2.哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院，哈爾濱150001；3.西北核技術研究所，西安710024；4.北京微電子技術研究所，北京100076)

人類對空間的探索使電子器件和芯片的應用更加廣泛，據不完全統(tǒng)計，40%以上的航天器故障是由空間環(huán)境效應導致的，其中空間帶電粒子輻射環(huán)境對電子元器件的影響最為突出[1]。高能帶電粒子可穿過航天器外部防護結構，在艙內電子元器件中產生電離總劑量效應、位移損傷效應、單粒子效應和內部充電效應[2]。這些效應都會引起器件性能退化或故障，無法滿足我國航天電子元器件高可靠、長壽命的需求。碳化硅(SiC)材料具有較大的禁帶寬度和較高的原子臨界位移能，所以SiC器件具備高擊穿電場強度、高功率品質因數及高熱導率等卓越性能?？煽啃苑矫?，SiC器件具有強抗電磁波沖擊和高抗輻射損傷的能力，作為大功率和高頻器件在極端環(huán)境中有極大的應用潛力[3-4]。

目前針對4H-SiC肖特基勢壘二極管(SBD)的電子輻照效應已開展了大量的研究[5-10]。研究表明，當輻照電子能量超過100 keV時會在SBD中引入Z1/2和EH6/7，Z1/2和EH6/7的濃度隨著輻照注量增大而提高[11-12]。Omotoso等的研究表明，電子輻照會導致Ni/4H-SiC SBD自由載流子濃度降低[13]。SiC SBD經電子輻照后，會在半導體/金屬界面附近形成缺陷，顯著增加理想因子和出現(xiàn)瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)電流[14]。葉毅等研究了表面電場降低(D-Resurf)技術，可提高反向擊穿電壓，改善正向導通特性，還通過仿真對參數進行了一系列的優(yōu)化[15]。陳剛等制備了Ni/SiC SBD，Ni/SiC作為終端放置在SBD邊緣，在反向擊穿電壓為1 100 V時，Ni/SiC SBD依然保持較小的漏電流，且正向導通特性表現(xiàn)良好[16]。

隨著電力電子技術的迅速發(fā)展,以肖特基二極管(SD)和PiN二極管為主的傳統(tǒng)二極管已無法滿足高頻率、大功率及低功耗的市場需求,前者擊穿電壓低、反向漏電大，而后者高頻特性較差。因此結勢壘肖特基二極管(JBS)應運而生,該結構將SBD結構和PiN結構巧妙地結合在一起,結合了SBD良好的開關特性和PiN二極管高擊穿電壓和低漏電流特性，具有高耐壓、低壓降、小漏電、高頻特性好及強抗過壓和浪涌電流能力。與SBD相比，JBS中有P-N結存在，輻照效應更加復雜，包括了在SBD中不存在的少子效應。因此，在研究分析JBS輻照效應的過程中不僅要考慮半導體-金屬肖特基結的輻射效應，還要考慮P-N結的輻照效應。由于JBS的復雜性，目前主要開展仿真和基礎研究，主要包括制備工藝的開發(fā)改進方面。綜上，4H-SiC SBD電子輻照效應的機理與評價研究相對較多。而對4H-SiC JBS電子輻照效應的研究還屬于起步階段。

本文基于場限環(huán)終端的JBS，研究了JBS經1 MeV電子輻照前后的I-V和C-V特性及機理，并通過光致發(fā)光(photoluminescence，PL)光譜分析了電子輻照后缺陷的性質和演化過程。

1實驗介紹

本文以中國科學院微電子研究所研制的4H-SiC JBS為實驗對象，器件結構如圖1所示。

(a)Cross section of SiC JBS

(b)Photo of SiC JBS

圖1中，圖1(a)為器件的截面結構，圖1(b)為實物照片。N型外延層摻雜濃度為6.5×1015cm-3，厚度為11 μm。二極管的陽極由Ti/N-SiC肖特基接觸和AlSi金屬電極組成，襯底為歐姆接觸。

輻照實驗源為黑龍江省科學院技術物理研究所的1 MeV高壓電子加速器，注量分別為5.0×1014cm-2和5.0×1015cm-2。輻照前打開器件封裝，使芯片暴露。圖2為1 MeV電子穿透SiC實驗樣品的CASINO軟件[17]模擬結果。由圖2可見，1 MeV電子在SiC材料中的射程為361 μm。

圖21 MeV電子穿透SiC實驗樣品的CASINO軟件模擬結果Fig.2Simulation results of 1 MeV electronpenetrate the SiC chip simulated by CASINO code

采用Keithley 2636B-2651A-2657A組成的大功率半導體測試系統(tǒng)測量JBS的電學特性，測量正向I-V特性可得串聯(lián)電阻值，測量反向I-V特性可得反向漏電流(Ir)。采用Keithley 4200-SCS半導體參數測試系統(tǒng)測量輻照前后JBS的C-V特性，可獲得電容、載流子濃度和肖特基勢壘高度等參數信息，I-V和C-V測試均在暗箱中完成。采用Edinburgh FLS1000光致發(fā)光測試系統(tǒng)測量輻照前后4H-SiC外延片的光致發(fā)光特性。

2結果與討論

圖3為1 MeV電子輻照前后4H-SiC JBS的正向I-V特性。由圖3可見，隨著電子注量的增加，正向電流減小；在1.6 V電壓下輻照前，正向電流為13.6 A；電子注量為5×1014cm-2時，正向電流為12.8 A；電子注量為5×1015cm-2時，正向電流為8.1 A。

圖3電子輻照前后4H-SiC JBS的正向I-V特性Fig.3Forward I-V characteristics of 4H-SiC JBSdiodes before and after electron irradiation

串聯(lián)電阻Rs可通過式(1)得出[18]：

(1)

其中，I為電流；n為質子數密度；kB為玻耳茲曼常數；T為絕對溫度；e為元電荷。輻照前，串聯(lián)電阻為49.8 mΩ，是4H-SiC JBS理想的串聯(lián)電阻值。當電子注量增長至5×1014cm-2時，串聯(lián)電阻增大到53.3 mΩ；當電子注量達到5×1015cm-2時，串聯(lián)電阻為81.2 mΩ。輻照產生的缺陷可以俘獲SiC中的自由載流子，使凈載流子濃度降低并產生補償效應，從而導致串聯(lián)電阻增加[19-21]。

圖4為1 MeV電子輻照前后4H-SiC JBS的反向I-V特性。

圖4電子輻照前后4H-SiC JBS的反向I-V特性Fig.4Reverse I-V characteristics of 4H-SiCJBS diodes before and after electron irradiation

由圖4可見，與輻照前相比，電子注量為5×1014cm-2時漏電流增加，電子注量為5×1015cm-2時，漏電流則明顯降低。較低注量下漏電流的增加原因可能是輻照引起原子位移產生“形成-復合中心”[21]；較高注量下漏電流的降低原因可能是電子輻照對SiC JBS注入退火效應，也可能是電子輻照引入補償缺陷導致載流子濃度的降低[22-23]。

圖5、圖6分別為4H-SiC JBS受1 MeV電子輻照前后的C-V特性和C-2-V特性。由圖5可見，樣品的電容隨輻照注量的增加而降低；反向偏壓為-4 V時，輻照前電容為3.04 nF，電子注量為5×1014cm-2時，電容降低為2.94 nF；電子注量為5×1015cm-2時，電容降低為2.27 nF。由圖6可見，凈載流子濃度隨電子注量的增加而降低。電容的降低可能是由于凈載流子濃度的降低而導致半導體耗盡層寬度增加引起的。而凈載流子濃度降低是由于輻照導致禁帶中產生了受主態(tài)缺陷造成的[24]。

圖5電子輻照前后4H-SiC JBS的C-V特性 Fig.5C-V characteristics of 4H-SiC JBSbefore and after electron irradiation

圖6電子輻照前后4H-SiC JBS的C-2-V特性Fig.6C-2-V characteristics of 4H-SiC JBSbefore and after electron irradiation

載流子濃度N由式(2)給出，肖特基勢壘高度Φb由式(3)給出[14,21]：

(2)

(3)

其中，C為電容；Vbi為內建電勢；εs為半導體的介電常數；ξ為導帶與費密能級的能級差。由C-V特征曲線計算得到的參數信息如表1所列。

表1電子輻照前后的4H-SiC JBS參數Tab.1Parameters of 4H-SiC JBS beforeand after electron irradiation

由表1可見，載流子濃度隨輻照注量的增加而顯著降低，這歸因于輻射誘導產生的受主缺陷捕獲載流子[24];輻照前，肖特基勢壘高度為1.25 eV；電子注量為5×1014cm-2時，肖特基勢壘高度仍為1.25 eV；電子注量達到5×1015cm-2時，肖特基勢壘高度為2.11 eV。圖7為載流子濃度變化量ΔN與電子注量的關系。載流子去除率η為[14,21]

(4)

圖74H-SiC JBS載流子濃度變化量隨輻照注量的變化Fig.7Carrier concentration variation of 4H-SiC JBS vs.electron irradiation fluence

由式(4)計算可得載流子去除率為0.37 cm-1，載流子濃度降低與電子輻照引入的缺陷有關。與重離子輻照相比，電子動量較小，在SiC材料中主要產生單空位型缺陷，載流子去除率較小[25]。

圖8所示為1 MeV電子輻照前后4H-SiC外延片的PL光譜圖。激發(fā)光源為氙燈，波長為380 nm。與輻照前相比，輻照后的PL峰強明顯增加，這是由于電子輻照后缺陷濃度增加。此外，注量為5×1015cm-2時的PL峰強低于注量為5×1014cm-2時的PL峰強，這是由電子輻照過程中淬滅效應引起的。

圖8電子輻照前后4H-SiC的PL光譜圖Fig.8PL spectra of 4H-SiC beforeand after electron irradiation

圖9為電子輻照前后經分峰處理的PL光譜。表2為使用Alentsev-Fock方法[26]得到的發(fā)射峰位λp、能量E、半峰寬σFWHM和峰強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)、半峰寬(σFWHM)、峰強(IPL)和可能的結構Tab.2The peak position (λp),the corresponding energy (Ep),the FWHM,the intensity (IPL) ，and possible structure

由圖9(a)可見，輻照前，3個峰分別位于422 nm(～2.94 eV)，525 nm(～2.36 eV)和597 nm(～2.08 eV)處。經電子輻照后，597 nm(～2.08 eV)處的峰消失，470 nm(～2.64 eV)處的峰出現(xiàn)。研究表明，2.94 eV是碳間隙(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]。由圖9及表2可見，經1 MeV電子輻照后，碳空位(VC)及碳間隙(IC)的數量增加。圖10為4H-SiC光致發(fā)光能級躍遷示意圖。

圖10電子輻照4H-SiC樣品PL躍遷示意圖Fig.10Sketch of the band diagram with the PLtransitions of electron-irradiated 4H-SiC samples

綜上所述，4H-SiC JBS經1 MeV電子輻照后IC和VC的濃度增加，導致PL光譜強度增加。引起淬滅效應的原因是載流子濃度降低和輻照產生的非輻射復合中心[30-32]?？傮w來說，電子輻照強烈影響SiC的晶格結構和周期勢場，并能在禁帶內引入缺陷能級，降低材料中的載流子遷移率和載流子濃度。此外，由電子輻照引起的深能級缺陷常常充當非輻射復合中心，抑制發(fā)光效率，從而導致發(fā)光強度降低[32-33]。缺陷濃度的增加會導致4H-SiC JBS的I-V和C-V特性變化[16]。

3結論

本文研究了不同注量1 MeV電子對4H-SiC JBS的I-V特性、C-V特性和缺陷的輻照效應。經注量為5×1015cm-2電子輻照后，JBS串聯(lián)電阻由49.8 mΩ增加到81.2 mΩ，漏電流隨輻照注量先增加后降低，載流子濃度隨輻照注量的增加而降低，載流子去除率為0.37 cm-1。PL研究結果表明，輻照后VC、VSi顯著增加。輻照引起缺陷濃度增加并捕獲載流子導致載流子濃度降低，這是4H-SiC JBS器件的I-V特性、C-V特性退化的主要原因。此外，淬滅效應可能是由于載流子濃度降低和輻照產生的非輻射復合中心造成的。

本文從分析SiC JBS器件在1 MeV電子輻照條件下宏觀電性能退化入手，結合SiC材料PL光譜的微觀缺陷分析，對宏觀性能與微觀缺陷的關聯(lián)性進行了深入研究，得到了微觀缺陷對器件電性能的影響機理與規(guī)律。本文的研究結果可為SiC基器件的空間應用及抗輻射加固技術研究提供一定的數據參考和理論支撐。