碳化硅半導體材料的輻照試驗及表征研究

朱泓達

(倫敦大學學院，倫敦，WC1H 0AQ)

1 碳化硅半導體材料輻照試驗裝置

輻照試驗裝置主要由以下幾部分組成，即：放電模塊：其包括1臺射頻離子源，最大功率為800 W，運行頻率為13.6 MHz，作為本試驗的核心裝置，為防止離子注入過程中對試驗人員造成危害，在外側加裝了鋁制屏蔽罩，使用銅管纏繞石英管的方式改良了射頻源，以提高射頻的抗干擾能力；1臺匹配器，其作用是保證放電模塊穩定、均勻發射離子源。電流采集模塊：利用一臺量程范圍0.1 mA～1 A的毫安表，精確采集試驗裝置在用電運行期間的放電電流，將采集到的信息于電流顯示器上直觀展示。送氣模塊：核心裝置是一臺D08-4D型質量流量顯示儀，可在控制面板上人為設置氣體流量參數，達到調節氣體流量的效果。計時模塊：在預先設定好輻照劑量、額定電流的情況下，計算輻照時間，精確到毫秒。其他模塊：該試驗裝置中還有提供負偏壓電的裝置、偏壓加速裝置、激光加熱裝置及紅外測溫裝置等。

2 碳化硅半導體材料輻照試驗流程

選取一塊規格為12 mm×12 mm×0.8 mm的碳化硅半導體材料作為試驗樣品。調整試驗裝置參數：離子注入能量100 KeV；分別設置4個梯級的注入劑量，依次是2.0×1015ion/cm2、6.0×1015ion/cm2、1.0×1016ion/cm2和5.0×1016ion/cm2；樣品表面溫度恒定在(450±20)℃；考慮到溝道效應的影響，調整離子注入方向，在垂直方向上向一側偏移5°。完成上述參數設定和試驗準備后，試驗人員檢查石英窗上的密封旋鈕是否擰緊，確保整個試驗環境完全密封。在密封狀態下啟動抽氣系統，將內部空氣抽出，使試驗環境成負壓狀態。按下開關后，啟動射頻離子源，對樣品進行輻照處理。輻照結束后，采取蒙塔卡羅算法，得出碳化硅樣品中氦原子的深度分布、原子離位損傷等指標的定量結果。依據密度泛函理論，在仿真環境下構建單晶碳化硅的立方體原子模型，并模擬碳化硅中氦泡的演變過程。在原子模型中，用10個He原子代替4個C原子和6個Si原子，填充至飽和。

3 碳化硅半導體材料輻照試驗表征分析

3.1 離子注入量與原子平均離位損傷的關系

通過射頻離子源，以較高初始速度注入到樣品材料的離子，必然會對原子結構產生沖擊，在接觸、碰撞過程中出現轉移能量，進而壓縮間隙，導致原本比較規則、穩定的微觀結構發生變化，即為原子平均離位損傷。為了更加直觀地表示樣品微觀層面上的損傷情況，引入了“晶格原子位移率(D)”的概念，可以用公式計算得出：

式中，F為離子注入劑量，R為產生的移位分布，N為單位體積內原子數量。共設置了4個量級的輻照劑量，按照上式可以得到碳化硅在不同輻照劑量下的原子平均離位損傷，如表1所示。

表1 不同輻照劑量對應的原子離位損傷

從表1數據變化規律可以總結出，隨著輻照強度的提升，注入離子劑量增多，原子平均離位損傷也隨之增加。

3.2 碳化硅表面形貌變化情況

將經過輻照試驗的碳化硅樣品置于原子力顯微鏡下，調節為“輕敲模式”，掃描之后得到樣品表面圖像。取一塊未接受輻照的碳化硅晶體，采取相同方式觀察得到圖片，作為對照。對比發現，在離子注入能量為120 KeV，表面溫度為350℃，注入劑量為從0增加至5.0×1016ion/cm2的條件下，碳化硅樣品表面有不同程度的腫脹、局部隆起情況。隨著注入劑量的持續增多，該表征現象越明顯。由此推斷，在注入劑量達到一定值后，腫脹部位會發生破裂，碳化硅樣品表面出現破損、表皮剝落情況。

3.3 碳化硅力學性能分析

力學性能的測試方法是將經過輻照處理后的碳化硅樣品取出，置于原子力顯微鏡的操作臺上，設置為“壓痕模式”后，用金剛石針尖，垂直于樣品表面施加壓力，觀察樣品表面壓痕深度，據此判斷材料硬度。設置施加的壓力為30 μN，最大壓痕深度不超過50 nm。依次對不同注入劑量輻照處理后的4組碳化硅樣品，及未經處理的1組碳化硅樣品進行施壓處理。結果表明，未接受輻照處理的碳化硅樣品壓痕最淺，即硬度最大。隨著輻照強度的增加，樣品的壓痕變得更加明顯。由此可得，輻照劑量與碳化硅材料硬度成反比關系。

3.4 碳化硅橫斷面分析

輻照對碳化硅材料造成的損傷不僅僅局限于表面。由于輻射能量具有極強的穿透性，因此材料內部也不可避免的會出現損傷。為了驗證輻照劑量對材料內部結構造成的破壞作用，還需要進行橫斷面分析。利用掃描電子顯微鏡可以獲得碳化硅樣品橫斷面的圖像。未經過輻照處理的對照樣品，其橫斷面均勻、無損傷；而當注入劑量增加至一定值后，在距離輻照面400 nm深度處，最先出現了損傷；隨著注入劑量的持續提升，損傷層的厚度也相應增加。

3.5 碳化硅C-AFM測試結果分析

導電式原子力顯微鏡(C-AFM)是利用針尖與樣品在原子之間的作用力，造成針尖激光偏轉，通過收集激光偏移量進行數據處理后獲取樣品表面形貌、內部缺陷的一種方法。在輻照劑量為5.0×1016ion/cm2的條件下，給針尖施加3.0 mV正向電壓，此時電子發射圖像比表面形貌圖像更明顯，表明電子發射對于損傷層內部微觀結構更敏感，從電流圖像中可以看到大量的橢圓缺陷(如圖1)。

圖1 碳化硅樣品在C-AFM下的圖像

4 結語

抗輻射性能是衡量碳化硅材料應用價值的一項主要指標，通過開展輻照試驗，對比不同注入劑量下碳化硅樣品表征變化情況發現，隨著注入劑量的增加，樣品表面腫脹情況更加明顯，硬度減小，內部出現損傷，在明確其損傷機制的情況下，為碳化硅半導體材料的改良和應用提供參考。