重離子輻照1200V碳化硅二極管漏電退化的缺陷分析

  新一代航天器對高壓功率器件提出了迫切的使用需求。第三代半導體材料碳化硅（SiC）因其所具有的寬禁帶（Si的2~3倍）、高臨界電場（Si的10倍）、高熱導率（Si的3倍）等優良的材料特性，在高溫高壓大功率器件的應用中受到人們的重視。其中，作為高壓功率二極管的代表之一，SiC結勢壘肖特基二極管具有大電流、高反向偏壓、開關速度快、抗浪涌電流強等特點，適合航天電源系統的應用。國內外對SiC結勢壘肖特基二極管開展的單粒子試驗結果表明，其抗單粒子能力遠不如預期。在遠低于額定電壓的偏置條件下，出現漏電流的增加，甚至發生單粒子燒毀。目前，SiC結勢壘肖特基二極管重離子輻照性能退化及單粒子燒毀的機理是當今國際該領域的研究熱點。其中，重離子輻照誘生缺陷對漏電流退化的影響是一項重要研究內容。國內外已大量報道關于4H-SiC材料生長和離子注入或電子、離子輻射之后觀察到的本征缺陷中心（Z1/Z2，P1/P2，RD1,2，RD3，EH6,7，…）以及摻雜或過渡金屬（釩，鈦，鉻和鈧）引起的缺陷中心（ID，ID2，…）。國內外研究結果顯示，不同粒子輻照后，SiC二極管的反向漏電特性有所不同。有研究結果表明，4.5MeV電子輻照后，SiC二極管的漏電流保持較低水平且在更高的輻照注量下有所降低。α粒子輻照后4H-SiC二極管的漏電流降低，并且他們認為這是輻照后Z1/Z2中心的濃度增加導致載流子濃度降低的結果。4H-SiC的Z1/Z2中心是硅離子輻照后二極管漏電流增加的主要缺陷。對于重離子輻照試驗，國內外已有大量試驗結果一致表明，輻照后，SiC二極管的漏電流增加。為了深入研究SiC結勢壘肖特基二極管重離子輻照誘生缺陷與漏電流退化之間的關系，文中對1200V SiC JBSD樣品開展了重離子輻照試驗，并采用深能級瞬態譜對其進行了缺陷分析。
 
1. 試驗
1.1重離子輻照試驗
試驗樣品為國產SiC結勢壘肖特基二極管（JBSD），其額定反向工作電壓和平均正向電流分別為1200V和8A，樣品編號分別為1#和2#。試驗樣品采用TO封裝，無頂蓋，芯片裸露，且表面未涂膠。試驗樣品結構剖面和實物分別如圖1和圖2所示。

  采用中國原子能科學研究院HI-13串列靜電加速器上產生的208MeV鍺（Ge）離子進行輻照試驗，Ge離子特性見表1。在離子束流輻照過程中，給SiC結勢壘肖特基二極管施加靜態反向偏壓，持續監測其反向漏電流，如果反向漏電流超過設定的限定值（10μA）或注量達到10⁶cm^-2，則停止束流輻照。輻照前后利用B1500半導體器件分析儀對其正向、反向IV特性以及CV特性進行測試。其中，CV測試頻率為1MHz。  
1.2深能級瞬態譜測試
  輻照前后分別對1#和2#樣品進行深能級瞬態譜測試分析。利用西安電子科技大學的深能級瞬態譜儀Semetrol DLTS對輻照缺陷進行測試，分析SiC JBSD的重離子輻照誘生缺陷情況。試驗中選取的DLTS測試條件見表2。
 
2. 結果及分析
2.1重離子輻照試驗結果及分析
  鍺離子輻照試驗結果見表3。鍺離子輻照過程中，1#樣品在300V反向偏壓條件下，漏電流隨注量增加而增加。當注量達到1×10⁶cm^-2時，停止輻照，此時漏電流在線監測漏電流為10μA。2#樣品在400V反向偏壓條件下，漏電流隨注量增加而增加。當在線監測漏電流達到10μA時，停止輻照，此時注量為9.81×10⁴cm^-2。   輻照前后2#二極管正向IV特性、反向IV特性和CV特性對比如圖3所示。可以看出，輻照后2#二極管的正向IV特性和CV特性未發生明顯變化，反向IV特性退化，但雪崩擊穿電壓未發生改變。分析認為，SiC JBSD的PN結未被破壞，漏電流在較低電壓下出現漏電是因為肖特基結表面電場增加，勢壘高度降低，導致表面漏電增加。
  由于肖特基二極管，耗盡層電容可由式（1）表示： 式中∶A為二極管有源區的面積；εs為介電常數（SiC為9.7）；Nd為載流子濃度；q為電子電荷量；Vbi為內建電勢差；VR為所加偏壓。Vbi和Nd可以從1/C²~VR曲線中的橫坐標截距和斜率得到。
  為直觀反應內建電勢差和載流子濃度的變化情況，給出了2#樣品輻照前后，反偏電壓0~8V部分的1/C²~VR曲線，如圖4所示。可以看出，輻照后1/C²~VR曲線斜率變大，由式（1）可知，載流子濃度變小。輻照后1/C²-VR曲線的橫坐標截距變小，即內建電勢差變小。    
  由于肖特基勢壘高度可由式（2）給出：   式中：Vbi為內建電勢差；?n為金屬功函數。
  綜合式（1）和式（2）可知，輻照后2#樣品的勢壘高度降低。
 
2.2 DLTS測試結果及分析
  2#和1# SiC JBSD輻照前后的DLTS測試結果對比曲線如圖5所示。可以看出，DLTS信號（AC/C）主要呈現出三個峰，依次將其命名為E0.4、Z1/Z2和EH。從圖5a中可以看出，輻照后，E0.4能級和Z1/Z2能級基本未發生變化，EH能級有展寬的現象。E0.4和Z1/Z2通常認為是具有特定結構的硅空位和碳空位。分析認為，EH能級的缺陷復雜，推測是兩個或多個缺陷能級的疊加（EH4、EH5、EH6、EH7等）。這些缺陷均為受主型缺陷，俘獲電子，使載流子濃度降低，與2.1中分析結果一致。分析認為，載流子濃度的變化未對二極管漏電產生影響，此處缺陷的復雜程度與漏電流的退化成正相關。
  此外，從圖5中可以看出，測試電壓VM=-8V，填充脈沖電壓VF=-1V條件下測得的EH能級濃度比VF=-4V條件下測得的高。不同DLTS測試條件下的耗盡區分布如圖6所示。當DLTS測試條件為VM=-8V，VF=-4V時，測試的耗盡區范圍為區域①；當DLTS測試條件為VM=-8V，VF=-1V時，測試的耗盡區范圍為區域①和區域②。因此，認為VF=-1V測試條件下測得的EH能級濃度較高是因為大部分EH缺陷位于區域②，這些缺陷的所在位置接近SiC外延層的表面。推斷這些位于靠近SiC外延層表面的復雜缺陷是導致SiC二極管漏電退化的原因之一。然而，由于DLTS是測量耗盡區中的電容，反映的是耗盡區中的微觀缺陷情況。根據2.1節正反向IV特性測試結果，造成輻照后二極管反向IV特性退化的原因也有可能是輻照過程中金屬受損，產生的宏觀缺陷等。  
3. 結論
  通過對重離子輻照前后1200V碳化硅二極管的電學特性和深能級瞬態譜進行對比分析，可以得到以下結論。
  1）重離子輻照后，SiC JBSD反向漏電流退化的原因之一是輻照使二極管的勢壘高度降低。
  2）重離子輻照后，載流子濃度有所降低，未對漏電流退化產生影響。
  3）重離子輻照后，SiC JBSD反向漏電流的退化與EH缺陷的復雜程度成正相關。
  4）EH缺陷的所在位置接近SiC外延層表面，推斷這些靠近SiC外延層表面的復雜缺陷是導致SiC二極管漏電退化的原因之一。
  5）DLTS測量的是耗盡區中的電容，反映耗盡區中的微觀缺陷情況，造成二極管反向IV特性退化的原因可能是輻照過程中金屬受損，產生的宏觀缺陷等。



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