重離子在碳化硅中的輸運過程及能量損失*

張鴻 郭紅霞? 潘霄宇 雷志峰 張鳳祁顧朝橋 柳奕天 琚安安 歐陽曉平

1) (湘潭大學材料科學與工程學院, 湘潭 411105)

2) (西北核技術研究所, 西安 710024)

3) (工業和信息化部電子第五研究所, 電子元器件可靠性物理及其應用技術國家重點實驗室, 廣州 510610)

利用蒙特卡羅方法, 模擬計算了不同線性能量傳輸(liner energy transfer, LET)的重離子在碳化硅中的能量損失, 模擬結果表明: 重離子在碳化硅中單位深度的能量損失受離子能量和入射深度共同影響; 能量損失主要由初級重離子和次級電子產生, 非電離能量損失只占總能量損失的1%左右; 隨著LET的增大, 次級電子的初始角度和能量分布越來越集中; 重離子誘導產生的電荷沉積峰值位置在重離子徑跡中心, 在垂直于入射深度方向上呈高斯線性減小分布.利用锎源進行碳化硅MOSFET單粒子燒毀試驗, 結合TCAD模擬得到不同漏極電壓下器件內部電場分布, 在考慮電場作用的蒙特卡羅模擬中發現: 碳化硅MOSFET外延層的電場強度越大, 重離子受電場作用在外延層運動的路徑越長、沉積能量越多, 次級電子越容易偏向電場方向運動導致局部能量沉積過高.

1 引 言

隨著微電子制造工藝的不斷成熟, 硅材料的應用瓶頸日益突出, 特別是在光電子領域和高頻、大功率器件方面的應用受到諸多限制.由于碳化硅具有高擊穿電場、高熱導率、高電子密度和高電子遷移率等特點, 碳化硅器件在高頻、大功率應用領域具有更大的優勢[1-4].碳化硅是一種寬禁帶半導體材料, 其禁帶寬度約為硅材料的三倍左右[5,6], 這也使其產生電子空穴對所需的能量較高, 因而理論上碳化硅也具有較強的抗輻射性能.近年來, 碳化硅器件逐漸進入商用領域, 尤其隨著電動汽車的發展, 碳化硅功率模塊在電動車動力系統和充電樁中使用較多.相比于硅基功率器件, 在航空航天電子設備中使用的碳化硅功率器件能明顯地減輕電子設備整體重量, 且可以降低開關損耗[7,8].

空間環境中存在的各種高能粒子, 粒子輻照可能會影響電子設備的正常工作, 嚴重時甚至會導致電子器件的永久性失效, 影響航天器的可靠性和使用壽命.粒子輻照一方面會在材料中產生電離能量損失(ionizing energy loss, IEL), 產生的電子-空穴對在材料中復合、運動, 影響材料的本征特性的同時可能會在碳化硅基器件中引起瞬態脈沖.粒子在材料中的能量損失特性通常用線性能量傳輸(line energy transfer, LET)進行表征.另一方面粒子輻照在材料中引起的非電離能量損失(nonionizing energy loss, NIEL)會在材料中產生間隙原子-空位缺陷, 缺陷濃度的變化會導致材料的物理、化學特性發生改變[9,10].近年來在實驗中發現高能重離子輻照會導致碳化硅器件性能退化, 嚴重時甚至會導致器件燒毀[11-14], 且輻照損傷與碳化硅材料有關[15].利用解析計算和模擬仿真對粒子輻照對碳化硅的影響進行研究, 已經取得一些進展.郭達禧[16]等利用蒙特卡羅方法模擬了中子在碳化硅中的運輸過程與位移損傷.陳世彬等[17]運用分子動力學方法模擬了4H-SiC 材料輻照下的級聯碰撞過程, 發現初級碰撞原子的能量與碳化硅中空位缺陷的數量和空間分布線性相關.申帥帥等[18]利用Geant4軟件計算了質子在碳化硅不同深度的NIEL, 發現碳化硅的抗位移損失能力強于硅, 且隨質子能量增大在質子射程前端造成的位移損失更加嚴重.空間環境中, 重離子通量較低, 但具有極高的能量.雖然中子、質子輻照碳化硅發生核反應時可能產生部分重離子, 但產生的都是中低能重離子, 不足以體現更高能量的重離子在碳化硅中的能量損失特性.現有的研究表明碳化硅器件存在嚴重的單粒子柵穿(single event gate rupture,SEGR)和單粒子燒毀(single event burnout, SEB)問題, 且碳化硅MOSFET和二極管存在單粒子燒毀閾值電壓[19-23].當外加偏置電壓大于燒毀閾值電壓時, 碳化硅器件的外延層存在強電場, 重離子在碳化硅器件外延層中的運動會受到強電場的影響.目前碳化硅基器件的重離子輻照機理尚不明確, 探究重離子在碳化硅器件的運輸過程和能量損失具有重要意義.

針對碳化硅基器件的研究, 可以借鑒在硅基器件中使用的研究方法.Geant4是由歐洲核子中心主導開發的蒙特卡羅程序包, 可以詳細模擬粒子在材料中的輸運, 現被廣泛應用于空間探測、空間輻射效應等研究領域.本文首先利用蒙特卡羅方法模擬不同LET的重離子在碳化硅中的運輸, 對碳化硅中能量損失的時間和空間分布等進行計算, 確定碳化硅中產生能量損失的粒子類型及電離與非電離能量損失的大小.然后通過锎源試驗和TCAD模擬得到不同漏極電壓下碳化硅MOSFET內部的電場分布, 將電場分布嵌入蒙特卡羅模型, 模擬并分析不同電場對能量損失的產生及分布的影響.

2 重離子在碳化硅中產生損傷的蒙特卡羅模擬

2.1 模型建立

本節以碳化硅為靶材料, 利用Geant4軟件對入射重離子能量及類型、物理過程、數據抽取等模塊進行編程, 模擬重離子在碳化硅中的運輸過程.根據重離子在硅中的能量損失特點, 選取了三組重離子(不同種類和能量).碳化硅靶材料的密度設置為3.2 g/cm3.重離子從靶材表面中心垂直入射, 靶材料的厚度應足夠大, 以保證重離子運動最終停止在碳化硅內.本文選取的入射重離子描述如表1所列, 重離子在碳化硅中的射程分別使用SRIM軟件[24]和Geant4軟件計算得到.從表1可以看到,使用Geant4軟件的計算結果與SRIM的計算結果有較好的一致性, 最大相差14.1%.射程的差別主要來自在重離子能量較低時Geant4和SRIM選用物理模型的差異[24-28].

表1 選取的重離子種類、能量及其在材料中的射程Table 1.Selected heavy ion, energy and range of heavy ions in silicon carbide.

本節將碳化硅設置為一個足夠大的長方體, 如圖1所示.模擬中選取三種LET值的重離子, 在同一位置入射三個相同的重離子.圖中藍色是初級重離子的運動軌跡, 只有在射程末端能量較低無法與碳化硅相互作用產生電子時能觀察到.紅色的是次級電子的運動軌跡, 大量的次級電子沿初級重離子徑跡產生并在碳化硅中做無規則運動直至能量耗盡.黑色是反應產生的極少的γ射線, 其具有較強的穿透性.初級重離子在射程前端由于能量較高會沿初始入射方向運動, 隨著能量逐漸損失重離子運動軌跡開始偏離直線方向直至能量耗盡停止運動.

圖1 不同LET的重離子入射碳化硅的徑跡分布 (a) 34.08 MeV·cm2/mg; (b) 44.73 MeV·cm2/mg; (c) 69.72 MeV·cm2/mgFig.1.Track distribution of heavy ions with different LET incident on silicon carbide: (a) 34.08 MeV·cm2/mg; (b) 44.73 MeV·cm2/mg; (c) 69.72 MeV·cm2/mg.

2.2 重離子致碳化硅損傷分析

僅使用LET值衡量粒子或射線在材料中的能量損失特性太過籠統, 初級重離子的能量隨著入射深度的增加而減小, 其與材料的相互作用機制及反應截面也會發生變化.本文統計了單位深度產生的能量損失隨入射深度的變化, 如圖2所示.重離子的能量和射程決定了其LET值的大小.圖2中單位深度的能量損失隨入射深度的變化接近指數分布, 能量損失峰值隨入射離子能量的增大向左偏移.單位深度的能量損失在重離子射程初期隨離子初始能量的增大而增大.在入射深度大于14 μm時, 重離子初始能量越大, 在單位深度的能量損失反而越小.初級重離子與碳化硅相互作用損失一部分能量, 同時有次級粒子產生, 模擬結果表明次級粒子中產生能量損失的主要是電子.如圖3所示,初級重離子的能量損失隨LET增大而增大, 而次級電子的能量損失在LET變化時基本保持不變,總能量損失主要由電子和初級重離子產生.侯東明等[29]的研究認為次級電子的能量達到材料的特定損傷閾值時, 材料出現潛徑跡損傷.潛徑跡損傷在重離子徑跡周圍產生, 次級電子能量損失一定程度上反映了材料潛徑跡損傷程度.

圖2 不同LET的重離子產生的能量損失隨入射深度的變化Fig.2.The energy loss of heavy ions with different LET changes with the depth of incidence.

圖3 不同粒子造成的能量沉積隨LET的變化Fig.3.Variation of energy deposition caused by different particles with LET.

圖4 和圖5分別是不同LET下輻照產生的總能量損失和次級電子徑跡的二維分布.能量損失在重離子徑跡中心分布最多, 遠離徑跡中心能量損失逐漸減小.圖4中統計的是多個重離子輻照碳化硅的平均能量損失.由于重離子與碳化硅相互作用具有隨機性, 重離子在射程末端可能會以一定角度偏離垂直碳化硅表面方向, 有時重離子也可能在其射程中段就開始大角度偏離垂直方向.圖4和圖5所描述的能量損失和電子徑跡有一部分分布在偏離碳化硅中心的區域, 重離子在射程末端能量損失分布也比較發散.本文入射重離子數量為104個, 入射方向都一致, 足以得到較為精確的結果.結合圖4和圖5, 可以發現在射程末端幾乎沒有次級電子產生, 這段射程內的能量損失全部來自初級重離子.次級電子最初產生時的角度和能量大小影響著電子能損的分布, 進一步也影響著碳化硅的損傷程度.圖6是不同LET下次級電子初始狀態的角度-能量分布圖, 重離子入射碳化硅的方向規定為0°.模擬結果顯示, 三種LET下次級電子偏離重離子入射方向都不超過60°, 次級電子的初始能量不超過8 keV.隨著LET的增大, 次級電子的角度和能量分布越來越集中.材料中次級電子的作用區域越集中則越有可能引起局部區域出現潛徑跡損傷.

圖4 不同LET下總能量損失的空間分布 (a) 34.08 MeV·cm2/mg; (b) 44.73 MeV·cm2/mg; (c) 69.72 MeV·cm2/mgFig.4.Spatial distribution of total energy loss under different LET: (a) 34.08 MeV·cm2/mg; (b) 44.73 MeV·cm2/mg; (c) 69.72 MeV·cm2/mg.

圖5 不同LET下次級電子徑跡的空間分布: (a) 34.08 MeV·cm2/mg; (b) 44.73 MeV·cm2/mg; (c) 69.72 MeV·cm2/mgFig.5.Spatial distribution of electron tracks under different LET: (a) 34.08 MeV·cm2/mg; (b) 44.73 MeV·cm2/mg; (c) 69.72 MeV·cm2/mg.

圖6 不同LET下次級電子的初始能量及角度分布: (a) 34.08 MeV·cm2/mg; (b) 44.73 MeV·cm2/mg; (c) 69.72 MeV·cm2/mgFig.6.The initial kinetic energy and angle distribution of secondary electron under different LET: (a) 34.08 MeV·cm2/mg;(b) 44.73 MeV·cm2/mg; (c) 69.72 MeV·cm2/mg.

單個重離子在碳化硅中總能量損失隨時間的變化如圖7所示.隨著時間增加, 不同LET的重離子在碳化硅中的能量損失呈指數增加, 在約1.5 × 10-12s時間內將自身能量完全損失在碳化硅中.重離子LET的增大, 只是加劇能量損失的速率, 重離子能量完全損失所用的時間基本不變.確定材料中電離能量損失的時間和空間分布, 是分析單粒子對器件電學性能影響的基礎.

圖7 總能量損失在碳化硅中的時間分布隨LET的變化Fig.7.Time distribution of total energy loss in SiC as a function of LET.

在統計總能量損失隨時間的變化時, 也需要對非電離能損進行計算, 圖8是單個重離子在碳化硅中非電離能量損失隨時間的變化.重離子在碳化硅中的非電離能損相較于圖7中總能量損失所占的比例極小, 270 MeV的I離子最終在碳化硅中產生的非電離能損只有3.9 MeV, 約占總能量損失的1.44%.值得注意的是, 非電離能損的增加主要集中在時間軸末端, 這也對應著重離子的射程末端.我們分析在射程末端, 重離子主要是與碳原子和硅原子發生彈性和非彈性碰撞, 產生非電離能量損失.本文計算了非電離能損隨入射深度的分布情況, 如圖9所示.不同LET下重離子引起的非電離能量損失主要分布在重離子射程的末端, 而且射程末端的非電離能量損失至少比其射程前中段高一個數量級.已有實驗研究表明氮化鎵的潛徑跡損傷半徑只有幾納米[30].碳化硅與氮化鎵同為第三代寬禁帶半導體材料, 兩者的輻照損傷有一定的相似之處.如圖9所示入射重離子的LET為34.08 MeV·cm2/mg時, 單位深度產生的非電離能損在10000 eV以上.一般來說碳原子和硅原子的位移閾能只有幾十電子伏特, 非電離能損的產生對應著間隙原子-空位缺陷的形成.隨著LET值的增大, 單位深度產生的非電離能損增大, 碳化硅中產生的間隙原子-空位缺陷增多.對于碳化硅材料, 會有一部分碳原子和硅原子的位置被撞離原本的位置成為間隙原子, 對應著出現碳空位和硅空位.通過退火等手段可以讓一些間隙原子復位, 但也可能會有部分間隙原子-空位無法復合, 形成永久性缺陷損傷.當缺陷濃度達到一定程度時, 碳化硅材料的性質會發生改變, 進而影響碳化硅器件的性能.

圖8 非電離能量損失在碳化硅中的時間分布隨LET的變化Fig.8.The time distribution of non-ionizing energy loss in SiC varies with LET.

圖9 不同LET下碳化硅中的非電離能量損失隨深度的變化Fig.9.The non-ionizing energy loss in SiC varies with depth under different LET.

能量損失在垂直于重離子徑跡方向的分布一定程度上反映出碳化硅的損傷程度.根據LET值的計算公式

其中, σ代表靶材的密度, 碳化硅的密度約為3.21 ×103mg/cm3, 能量損失E的單位為MeV, x是產生能量損失的深度, 單位為cm.計算得到的LET單位為MeV·cm2/mg.材料電離出一對電子空穴對所需的能量與其禁帶寬度有關.一般來說, 材料電離出一對電子空穴對所需的能量約為其禁帶寬度的三到五倍.硅的禁帶寬度約為1.1 eV, 電離出一對電子空穴對需要3.6 eV的能量.在硅中, 1 pC的電荷沉積對應的能量損傷約為96.608 MeV·cm2/mg.根據硅的禁帶寬度和電離能之比, 結合LET值的計算公式, 可以得到重離子在碳化硅中產生的電荷沉積.

圖10 是電荷沉積在垂直于重離子徑跡方向的分布隨LET的變化.隨LET的增加, 重離子徑跡中心和垂直于徑跡方向的能量損失都逐漸增大.同一LET下, 不同深度處的能量損失在垂直于重離子徑跡方向呈高斯線性減小, 能量損失主要集中在到重離子徑跡中心距離小于0.5 μm的區域內.結合圖7和圖8, 可以發現非電離能量損失在重離子的能量損失中所占的比例很小, 重離子的大部分能量損失對應著電離產生大量的電子空穴對.潛徑跡損傷對材料而言是硬損傷, 而電離能量損失引起的是瞬時高密度電荷聚集.

圖10 不同LET下電荷沉積在垂直于重離子徑跡方向的分布Fig.10.Distribution of charge deposition perpendicular to the direction of heavy ion tracks under different LET.

3 偏置電場對重離子運輸過程的影響

3.1 碳化硅器件內部偏置電場分析

當漏極電壓為零時, 碳化硅MOSFET內部電場也為零, 重離子產生的非電離能損不足以對碳化硅器件產生明顯損傷.當漏極電壓達到燒毀閾值電壓時, 碳化硅MOSFET內部有非零電場存在, 通過試驗和器件仿真可以獲得非零電場的大小及其在碳化硅MOSFET中的分布.利用锎源對頂部開封后的碳化硅MOSFET進行單粒子效應試驗, 選用的碳化硅器件額定電壓900 V, 導通電阻120 mΩ.锎源產生的重離子碎片LET(Si)集中在41-43 MeV·cm2/mg之間.經探測器測量, 锎源產生的重離子注量率約為145 cm-2·s-1.锎源試驗中碳化硅MOSFET測試電路如圖11所示.圖11中VDC為高壓電壓, C是高壓電容, Rprotect是保護電阻.數字萬用表與碳化硅MOSFET串聯, 實時監測器件漏端的電流變化.試驗中碳化硅MOSFET的柵極電壓和源極電壓始終為0 V.當漏極電壓增大至480 V時, 碳化硅MOSFET發生了單粒子燒毀.碳化硅MOSFET發生單粒子燒毀的具體表現為瞬時漏電流呈數量級增大以及反向擊穿電壓小于1 V, 如圖12(a)和圖12(b)所示.從圖12(a)可以發現器件燒毀后輸出電壓幾乎全部施加在保護電阻兩端, 此時漏電流大小即輸出電壓與保護電阻的比值.但保護電阻只能防止電路短路, 無法起到防止器件燒毀的作用.圖12(b)是輻照前后器件的擊穿電壓測量結果, 根據器件手冊器件漏電流大于0.1 mA即被擊穿.輻照前器件的擊穿電壓約1200 V, 輻照后器件的擊穿電壓已低于1 V, 基本喪失反向擊穿特性.

圖11 單粒子效應試驗電路圖Fig.11.Single event effect test circuit diagram.

圖12 碳化硅MOSFET單粒子燒毀特征 (a)燒毀時瞬態漏電流劇增; (b)擊穿特性喪失Fig.12.SEB characteristics of silicon carbide MOSFET: (a) Transient leakage current increases sharply when burned out; (b) loss of breakdown characteristics.

在器件柵、源、漏三端電壓為0 V的試驗中,重離子累積注量為1 × 107, 試驗前后碳化硅MOSFET的電學特性沒有變化.當漏極電壓增大到480 V時, 器件在70 s左右便發生燒毀.利用TCAD模擬, 得到了漏極電壓為480和1000 V時碳化硅MOSFET的電場分布, 如圖13所示.可以看出, 漏極電壓的增大, 對器件而言意味著外延層受到的電場增大.碳化硅器件發生單粒子燒毀, 被認為是瞬時大電流和強電場共同作用下產生過高的功率耗散[31].強電場來自外部施加的漏極電壓, 而大電流由粒子運動路徑上沉積的電荷在強電場作用下產生.

圖13 不同漏極偏壓下碳化硅MOSFET內部的電場分布 (a)二維分布; (b)一維分布Fig.13.The electric field distribution inside the silicon carbide MOSFET under different drain bias voltages: (a) Two-dimensional distribution; (b) one-dimensional distribution.

3.2 偏置電場對重離子在碳化硅中能量沉積產生及分布的影響

強電場會影響電荷的運動, 但其是否會影響電荷的產生尚不清楚.重離子在碳化硅中的運輸伴隨著大量次級電子的產生及運動.重離子的初始能量較高, 但其能量會隨射程的增大顯著下降, 同時圖6表明次級電子的初始能量較低.電場對重離子運輸過程的影響不容忽視.對碳化硅MOSFET進行切片分析, 得到器件單胞上方金屬層的厚度, 如圖14(a)所示.圖14(b)是根據器件切片分析結果構建的Geant4仿真模型, 其中外延層和襯底的厚度分別設置為10和5 μm.同時結合TCAD得到的外延層中的電場分布, 在外延層中施加一個沿器件深度方向的電場.模擬中施加的電場大小為外延層中電場的平均值, 漏極偏置電壓為480 V時外延層中沿深度方向電場平均值為-2.85 × 105V/m,漏極偏置電壓為1000 V時外延層中沿深度方向電場平均值為-6.21 × 105V/m.

圖14 碳化硅MOSFET內部結構示意圖 (a)切片分析結果; (b)Geant4仿真模型Fig.14.Schematic diagram of the internal structure of silicon carbide MOSFET: (a) Slice analysis results; (b) Geant4 simulation model.

圖15是不同偏置電壓下碳化硅MOSFET外延層中能量沉積的二維分布.由于受到沿深度方向的負電場作用, 電場強度越大重離子的運動越有可能往電場方向偏移, 越多的能量沉積在外延層中.而帶負電的電子初始運動方向由圖6可知與深度方向的夾角較小, 且電子能量偏低, 容易受到電場影響而改變運動方向.當大量電子運動方向趨于一致時更容易引起局部區域能量沉積過高, 進一步促進過大的瞬態電流產生.同時強電場更容易讓重離子最終停留在外延層中, 射程末端大量的非電離能損對應著外延層碳化硅材料嚴重的潛徑跡損傷, 這可能對器件的單粒子燒毀敏感性造成影響.

圖15 不同漏極偏置電壓下碳化硅MOSFET外延層的能量沉積分布 (a)VDrain = 0 V; (b)VDrain = 480 V; (c)VDrain = 1000 V Fig.15.Energy deposition distribution of epitaxial layer of silicon carbide MOSFET under different drain bias voltage: (a) VDrain =0 V; (b) VDrain = 480 V; (c) VDrain = 1000 V.

對于碳化硅器件而言, 碳化硅材料是其主要組成部分, 當器件處于高壓偏置時碳化硅材料中會有強電場存在.重離子誘導產生的大量電子空穴對在強電場作用下形成大電流, 當局部區域由于大電流、大電壓同時存在而產生過多熱量時, 碳化硅器件會發生燒毀.器件材料所受到的潛徑跡損傷一方面可能在材料中產生電離通道, 另一方面可能影響材料的熱傳導性能, 從而影響器件的單粒子燒毀敏感性.綜上所述, 碳化硅器件乃至氮化鎵器件單粒子燒毀的出現, 是入射粒子誘導產生的非電離能量損失和電離能量損失共同作用的結果, 而器件的偏置電壓同時影響著重離子在器件內的電荷沉積和電荷運動.

4 結 論

利用Geant4軟件開展了LET值分別為34.08,44.73, 69.72 MeV·cm2/mg的銅離子、溴離子和碘離子在碳化硅中的輸運模擬.結果表明重離子的LET和深度位置對單位深度的能量損失都有影響, 單位深度的能量損失總體呈指數形式變化.能量損失隨重離子在碳化硅中的運動時間增多而呈指數形式增加.非電離能損主要分布在重離子射程末端且隨重離子LET的增大而增多, LET為69.72 MeV·cm2/mg時產生的非電離能損為4.9 MeV,約占總能量損失的1.44%.在垂直于重離子徑跡方向上, 電荷沉積以重離子徑跡中心為峰值呈高斯線性減小.

在锎源試驗中確定了碳化硅MOSFET的燒毀閾值電壓約為480 V, 結合TCAD模擬得到漏極偏置電壓為480和1000 V時, 外延層中沿深度方向電場平均值分別為-2.85 × 105和-6.21 × 105V/m.利用Geant4構建碳化硅MOSFET器件模型, 在外延層中引入不同漏極偏置電壓對應的電場, 發現電場強度越大重離子越有可能偏向電場方向運動, 在器件外延層中形成更多、更集中的能量沉積.本文研究結果可用于碳化硅功率器件輻照機理分析及抗輻照加固設計方面.