1 MeV Xe離子輻照對4H-SiC肖特基二極管的性能影響研究

茆邦耀，劉建德，湯金金，尹晉超，劉貴鵬 ，趙桂娟

（1.蘭州大學 物理科學與技術學院，蘭州 730000；2.中國科學院近代物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料由于具有更寬的禁帶寬度而表現出了高擊穿場強、高飽和電子漂移速率及高熱導率等一系列優點，這類半導體可以工作在高溫、高壓、高輻射等極端條件下[1]。4H-SiC的禁帶寬度為3.26 eV，離位能為21.8 eV，熔點為2 380 K[2]，這使得它有很好的抗輻射能力[3]，在航空航天、核能開發以及雷達探測方面具有廣泛的應用前景[4]。

4H-SiC肖特基勢壘二極管（SBD）作為最基本的功率器件因其工藝相對簡單而得到了廣泛的應用[5]。4H-SiC SBD的整流特性主要取決于金屬-半導體界面的肖特基接觸[2，6]，在肖特基接觸下4HSiC SBD能提供近乎理想的動態特性[7-8]。半導體器件在宇宙空間工作時會受到各種各樣粒子，如電子、質子、中子、快中子以及離子等的輻照。輻照對SBD中金屬-半導體接觸界面的影響十分嚴重，常常導致器件無法正常工作[9]。近年來國內外對4H-SiC SBD離子輻照后的性能退化多有研究[10-12]，但很少有人關注性能退化的本質原因。本文選取Xe離子作為輻照離子，重點研究輻照對金屬-半導體界面的影響，分析4H-SiC SBD整流特性失效的機制。

1 實驗過程

1.1 實驗器件

器件為具有場限環結構的4H-SiC SBD[13]，如圖1所示。圖2給出了器件的掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜圖（EDAX），圖2（a）為器件的頂面SEM圖，圖2（b）為底面SEM圖。從EDAX圖中可以看出，SBD器件的陽極為Al/Ti（圖2（c）），陰極為Ni/Ag（圖2（d））。圖2（e）和（f）分別給出了器件的截面圖。所選用的4H-SiC SBD的額定正向開啟電壓為0.6 V，額定反向擊穿電壓為650 V。

圖1 4H-SiC肖特基二極管器件結構圖Fig.1 The structure of 4H-SiC Schottky diode device

圖2 4H-SiC SBD SEM和EDAX圖Fig.2 The SEM and EDAX images of 4H-SiC SBD

1.2 SRIM仿真

輻照實驗之前，用SRIM軟件仿真了不同能量Xe離子對4H-SiC SBD器件的影響。SRIM（the stop?ping and range of the ions in the matter）軟件可以通過蒙特卡羅方法模擬離子輻照的損傷和位置，該方法與實際的輻照過程比較接近。當離子通過4H-SiC SBD時，會與沖程內的原子發生碰撞，并將能量以非電離能量損失（NIEL）的形式傳遞給晶格原子；獲得能量的晶格原子發生位移并產生空位，在材料中形成缺陷，進而改變器件的電學性能。

模擬用能量為0.5～6 MeV的Xe離子對4H-SiC SBD進行輻照，模擬器件的結構尺寸如圖3所示，與實際器件結構（如圖2所示）相近。器件的軟件模擬部分尺寸為±2.50μm×5.01μm，從左至右共四層：1 μm 厚的Al，10 nm 厚的Ti，3 μm厚的 SiC n-，1 μm厚的SiC n+。Xe離子從器件的陽極垂直照射在器件表面，模擬結果如圖4所示。結果表明，不同能量Xe離子的平均滲透深度不同，0.5 MeV的Xe離子平均深度小于Al電極的厚度，如圖4（a）所示；1 MeV的Xe離子大部分滲透到Al和Ti的交界面，平均深度為0.8 μm，如圖4（b）所示；3 MeV Xe離子進入了4H-SiC外延層，如圖4（c）所示；6 MeV的Xe離子對外延層造成了大量的損傷，如圖4（d）所示。為了研究輻照對4H-SiC SBD的金屬-半導體界面的影響，須保證輻照過程中只有少量的Xe離子直接打入到4H-SiC外延層中，損壞4H-SiC的晶格完整性，大部分Xe離子作用在金屬-半導體界面附近。因此，選用1 MeV的Xe離子進行輻照實驗。

圖3 模擬器件結構圖Fig.3 The schematic of Al/Ti/4H-SiC Schottky barrier diode and experimental conditions of Xe ion irradiation

圖4 模擬不同能量Xe離子輻照4H-SiC SBD的損傷圖Fig.4 SIMS depth of 4H-SiC SBD after 1MeV Xe ion irradiation

1.3 輻照實驗

在中國科學院近代物理研究所的蘭州重離子加速器（HIRFL，Heavy Ion Research Facility in Lan?zhou）上進行了輻照實驗。Xe離子能量為1 MeV，通量為2×1015ion/cm2，從陽極垂直照射在4H-SiC SBD器件上。

2 實驗結果與討論

正常工作時4H-SiC SBD的正向和反向I-V特性曲線如圖5所示，小于0.8 V的正向開啟電壓（Von）被認為是穩定的I-V特性曲線[14]。根據熱電子發射理論，理想因子（n）和肖特基勢壘（SBH，Φb）決定了一個SBD的電學性能。

圖5 實驗測得的4H-SiC SBD的I-V特性曲線Fig.5 The I-V characteristics of 4H-SiC SBD

SBD的理想電流方程為[6]：

式中：V為外加電壓；IS為從零偏置電壓下ln（n）軸直線截距得出的飽和電流；n為理想因子；Rs為串聯電阻阻值；q為元電荷量；K為玻耳茲曼常數；T為溫度；A為肖特基結有效結面積（本文所用器件A=0.5 mm2）；A*為理查德森常數，4H-SiC的理查德森常數為 146 A/cm2·K2[14-15]。

圖5（a）和（b）分別是輻照前的正向和反向I-V特性曲線，圖5（c）和（d）分別是Xe離子輻照后的正向和反向I-V特性曲線。Xe離子輻照明顯地改變了4H-SiC SBD的I-V特性，輻照后的正向開啟電壓接近于0 V，正向電流增大了近10倍；反向擊穿電壓降至-100 V，反向電流大小變化不大，反向漏電明顯增加。

1 MeV的Xe離子輻照會在4H-SiC SBD器件的金屬-半導體接觸界面附近引入損傷和缺陷，一方面輻照產生的缺陷造成了許多表面態，在界面處產生了費米能級釘扎[12]；另一方面，表面缺陷和近表面的體缺陷使得肖特基界面處的隧穿概率增大，導致隧穿電流隨之增大。正向開啟電壓的減小說明SBD金屬-半導體接觸界面的肖特基勢壘降低，使更多的載流子通過勢壘。根據熱電子發射理論[6]，SBD的正向電流主要由越過勢壘的載流子提供。這可以很好地解釋輻照后4H-SiC SBD正向I-V特性的變化。根據式（1）～（4），肖特基勢壘的降低會使得電流變大，與實驗結果相符。為了研究輻照產生的缺陷對器件性能的影響[10，16-17]，將輻照后的器件在溫度873 K下退火30 min[18-19]再測試，得到了圖5（e）和（f）。從I-V特性曲線中可以看出，4H-SiC SBD的肖特基接觸特性曲線變成了歐姆接觸特性曲線。

為了研究界面的微觀變化[9，11，20]，對器件進行了高清晰透射電子顯微鏡（XTEM）成像。將用TES?CAN LYRA3 FIB-SEM聚焦離子束從器件中心部分5μm深處切取的90 nm寬的截面切片置于FEI Tecnai F30透射電子顯微鏡和配置的Bruker XFlash Detector能譜下進行掃描觀測。從圖6（a）可以看出，金屬-半導體間有明顯的分界面，各層分布均勻，說明退火對金屬-半導體界面有一定的修復作用；在圖6（b）中，金屬一側原子排列均勻致密，4HSiC外延層中無明顯缺陷，進一步證明退火對金屬-半導體界面的損傷修復有較大的作用。但是退火不能完全修復此類損傷，從圖6（c）可以看到明顯的原子排列的斷區，這可能是輻照離子轟擊留下的空位損傷或者是反沖粒子占位形成的損傷，這種損傷對肖特基勢壘的影響是永久性的，即便退火也不能改變。

圖6 輻照后873 K退火30 min的金屬-半導體界面XTEM圖像Fig.6 XTEM images of metal-semiconductor interface annealed at 873 K for 30 min after irradiation

為了研究原子的分布，對界面進行了元素分析，如圖7所示。圖7（a）為肖特基接觸界面處電鏡掃描區域，（b）～（f）為各元素面掃描圖。從圖中可以看出，Si原子主要在SiC區域，C原子也集中在SiC區域，上部的C零星分布可能與設備腔內的碳纖維有關，部分Al和Ti原子是被Xe離子打入到SiC外延層中的。值得注意的是，大部分Ti原子被反沖到Al電極中，這表明Ti電極和4H-SiC外延層的界面處有大量的Ti原子空位，造成了大量的界面態，使得肖特基勢壘降低，從而導致金屬-半導體呈歐姆接觸。

圖7 肖特基接觸界面處XTEM EDX元素分布圖Fig.7 XTEM EDX images of the Schottky contact interface

從SRIM和X結果可知，輻照引入的局部晶格錯位和損傷深度取決于輻照離子的能量，且錯位和損傷集中分布在一個平均薄層中。在空間環境中，可以根據輻照環境來調整器件的結構使其按照預期 目標正常工作。

2 結論

本文研究了經1 MeV Xe離子輻照后4H-SiC SBD器件電學性能的退化。SRIM軟件仿真表明，1 MeV Xe離子輻照對本器件的金屬-半導體界面影響最大。輻照離子向金屬-半導體界面區域引入了缺陷，導致了肖特基勢壘的降低，進而使得4H-SiC SBD的整流特性失效。實驗結果表明，由輻照引入的缺陷可以通過873 K下30 min退火處理得到部分修復。用XTEM和EDX觀察并分析了界面處微觀結構的變化，給出了輻照和退火改變4H-SiC SBD電學性能的微觀解釋。

本實驗的研究方法適用于研究在空間環境中工作的電子電力器件。通過仿真來調節實驗條件，再分析實驗結果，討論實驗現象，得出結論。空間環境是一個復雜且多變的環境，多種多樣的輻照對電子電力器件的影響有待深入研究。