碳化硅結勢壘肖特基二極管的質子輻射效應

劉翠翠，郭 剛，李治明，殷 倩，張艷文，劉建成，韓金華，張 崢，張付強，陳啟明

(1.中國原子能科學研究院 國防科技工業抗輻照應用技術創新中心，北京 102413；2.蘭州大學 核科學與技術學院，甘肅 蘭州 730000)

目前新一代航天器為了降低成本、提高性能和使用壽命，將逐步采用電推進系統取代傳統化學推進系統[1-2]。電推進系統對功率器件的性能要求更高，僅工作電壓需達kV量級，常規Si器件難以達到該水平[3-4]。由于SiC器件更適合高溫、高壓、強輻射場等復雜工況下的工作，也更有可能滿足新一代航天器對高集成、大功率、強耐壓、高工頻等性能的需求[5-8]。SiC二極管是利用半導體材料制成的具有單向導電性的二端器件，包含肖特基勢壘二極管(schottky barrier diode，SBD)、結構勢壘肖特基二極管(junction barrier schottky, JBS)和PIN二極管。其中，JBS同時具有 SBD 開啟電壓低、恢復速度快以及 PIN二極管擊穿電壓高、反向漏電流密度低的優點，因此在飛行器電推進等系統中具有更好的應用優勢。早在本世紀之初，國內外學者便開始對SiC二極管輻射效應開展地面模擬輻照實驗研究[9]。2004年，Luo等[10]利用63.3 MeV質子開展了SiC SBD及SiC JBS位移損傷效應研究，發現輻照后器件正向電流改變較小，但因質子輻照對4H-SiC內某些深層陷阱的退火作用，器件的反向漏電流小幅下降。2005年，Harris等[11]在質子輻照SiC SBD位移損傷效應研究中發現，SiC SBD相比SiC JBS展現出更強的抗質子輻照能力。2012年，張林等[12]采用低能電子和伽馬射線開展Ni/4H-SiC SBD探測器輻照實驗發現，當電子能量達1 MeV，由于其超過了造成SiC內C原子和Si原子位移所需的最低入射電子能量(分別為100 keV和220 keV)，可在SiC材料內同時引入電離損傷和位移損傷，且位移缺陷在材料內引入復合中心，導致肖特基耗盡層的復合電流增加。2019年，Hazdra等[13]采用質子、中子、電子以及伽馬射線對JBS、PIN、MOSFET、JFET四種SiC器件開展了輻射效應研究，結合深能級瞬態譜(DLTS)測試結果，得出載流子去除是導致JBS退化的主要機制。2020年，曹爽等[14]通過208 MeV Ge重離子輻照SiC JBS發現，輻照后器件的正向I-V特性幾乎無變化，而反向I-V和C-V特性退化，肖特基勢壘高度增加、電容量變小。同時，SiC JBS的退化特性與反向偏置電壓密切相關，且器件漏電流可隨粒子注量的累積持續增加。

SiC 功率器件應用于航天領域，不僅需要其優異的電性能，還要求具備在空間輻射環境下長期穩定工作的能力。但空間環境中存在大量質子和一定量的高能重離子，導致SiC JBS易發生電離輻射損傷以及非電離輻射損傷。目前SiC器件輻射效應退化的表現不統一，關于其輻射效應機理的解釋也不清晰，因而無法形成真正可靠的抗輻射加固設計與評估技術。為了解決這一問題，本研究基于地面加速器裝置，開展SiC JBS對中能質子的輻射效應響應及機理研究，測量器件輻照前后的正反向I-V特性、反向C-V特性和DLTS譜，提取器件電性能變化和缺陷引入情況，并深入分析兩者間的關系。

1 研究方法

1.1 實驗樣品及測試

本研究SiC JBS樣品是Infineon公司、泰科天潤公司產品，編號為#1和#2。兩款器件均采用TO-247封裝，反向直流電壓1 200 V，標定工作溫度218～448 K。實驗前，所有實驗樣品均開帽處理并暴露出靈敏區(圖1)。#1芯片面積較小，平均正向電流40 A；#2平均正向電流20 A，故#1的工作電流密度更大。開帽后對實驗樣品的基本電學性能進行測試，篩選出電學性能穩定、均一性較好的器件開展輻照實驗。

圖1 輻照實驗樣品Fig.1 Irradiation test sample

1.2 輻照實驗

輻照實驗在中國原子能科學研究院HI-13串列加速器的重離子單粒子效應實驗終端進行，實驗現場示于圖2。質子輻照實驗在真空靶室中進行，實驗樣品固定在靶室的樣品架上，在輻照過程中質子在器件有肖特基結構一側表面垂直入射，輻照實驗過程中器件全程處于真空環境。

圖2 HI-13 串列加速器重離子單粒子效應測量裝置輻照終端Fig.2 Irradiation terminal of heavy ion single event effect measuring device of HI-13 tandem accelerator

1.2.1等效低地球軌道(LEO)輻照損傷 考慮到低軌道衛星空間環境中的中能質子占比較大，以低軌道衛星在軌運行10 a為目標應用場景，基于位移損傷等效劑量法[19]選定質子能量10 MeV，并設置20 MeV對照組，每種能量下開展3×109p/cm2、3×1010p/cm2兩個注量的室溫、無偏壓輻照。每種條件下的輻照時間均為1 000 s，即注量率分別為3×106p/(cm2·s)、3×107p/(cm2·s)，束斑面積為5 cm × 5 cm，輻照條件及對應編號列于表1。輻照后，測試器件的電學性能，包括正向I-V、反向I-V以及C-V特性。同時對經過100 d充分室溫退火后器件的工作狀態進行測試，評價器件質子輻照后的室溫退火自修復能力。

表1 質子輻照實驗參數Table 1 Proton irradiation test parameters

1.2.2等效地球同步軌道(GEO)輻照損傷 基于位移損傷等效劑量法，采用10 MeV質子、最大注量1×1012p/cm2條件輻照所產生的位移損傷約為在低地球軌道至地球靜止軌道等低、中、高全部典型軌道上運行10年所累積的位移損傷。因此，在室溫、無偏壓條件下，開展10、15、20 MeV三種能量，累積注量1×1012p/cm2的質子輻照實驗。質子注量率為3×108p/(cm2·s)，質子束斑面積為5 cm×5 cm，各樣品的輻照條件列于表2。在器件輻照前后對其進行電學特性，包括正向I-V、反向I-V和C-V特性分析。同時對經過100 d充分室溫退火后器件的工作狀態進行測試，評價器件質子輻照后的室溫退火自修復能力。

表2 質子輻照實驗參數Table 2 Proton irradiation test parameters

1.3 SiC JBS的數學模型

SiC JBS電容C與電壓V的關系可由公式(1)的1/C2-V關系表示[15]：

(1)

(2)

式中，NC為4H-SiC的有效態密度。通過以上數學模型可計算出輻照前后SiC JBS的肖特基勢壘高度ΦB、有效載流子濃度Neff等特性參數，再結合載流子特性及材料特性，可從理論上分析不同束流條件下器件產生輻射損傷程度以及引起宏觀性能退化的深層物理機制。

2 結果與討論

2.1 樣品基本電學性能

器件輻照前的電學特性示于圖3。由圖3可知，兩款器件在1 V以內的正向特性以及反向電學特性相似。

a——正向特性；b——反向特性圖3 器件輻照前的電學特性Fig.3 Electrical characteristics of devices before irradiation

2.2 等效LEO軌道損傷

2.2.1I-V特性 器件輻照前后的正向I-V特性示于圖4。由圖4可見，質子輻照后器件#1開啟電壓均略增大，正向電流特性略降低，而器件#2幾乎沒有改變。說明采用3×1010p/cm2以下注量的10、20 MeV質子輻照，兩款器件的正向特性均不會產生明顯退化，SiC JBS的正向特性對于質子輻照效應不敏感，且器件#2正向特性穩定性更好。表明在不加電、室溫條件下，在LEO軌道運行10年所累積的位移損傷，基本不會造成這兩款器件正向特性嚴重退化。

a——#1進口器件；b——#2—國產器件圖4 輻照前后的正向電學性能Fig.4 Positive electrical properties before and after irradiation

器件輻照后的反向I-V曲線示于圖5。由圖5可以看出，器件#2經質子輻照后的漏電流發生明顯增加，且10 MeV質子造成了器件擊穿電壓的嚴重退化。而小測試電壓下反向電流的減小，可能是隧穿電流降低、熱擴散電流降低等原因導致，這可能與肖特基勢壘的增加、輻照缺陷俘獲載流子致其濃度降低以及界面負電荷累積等原因有關。

a——#1進口器件；b——#2國產器件圖5 輻照前后的反向電學性能Fig.5 Reverse electrical properties before and after irradiation

2.2.2退火特性 經過室溫退火后的反向I-V特性示于圖6。質子輻照后，對于器件#1，#1-1器件的反向額定擊穿電壓降570 V，其他器件的反向額定擊穿電壓均降至800 V以下；對于器件#2， #2-2、#2-1器件的反向額定擊穿電壓均分別降至780、880 V以下，而#2-4器件的反向額定擊穿電壓降至810 V以下。

a——#1進口器件；b——#2國產器件圖6 室溫退火后的反向電學性能Fig.6 Reverse electrical properties after annealing at room temperature

可以看出，SiC JBS的反向特性對于質子位移損傷效應較為敏感，輻照后器件的特性變得不再穩定?？赡苁墙缑骐姾煞e累導致半導體界面處的峰值電場增加，同時輻照缺陷引起肖特基結、PN結界面受損并增強了隧穿效應，綜合多種因素共同導致器件擊穿特性受損。對比圖5可知，#1器件抗低注量、高能量條件質子輻照損傷能力更強，但輻照后室溫退火缺陷消除的能力較差，這可能與其材料摻雜濃度過大等原因有關，也說明室溫退火不會完全消除器件因輻照帶來的損傷，器件性能也難以恢復。

2.2.3C-V特性 器件輻照前后的C-V特性曲線示于圖7。器件#1經注量3×109p/cm2、能量10 MeV質子輻照后#1-1器件電容退化率達到32.6%，其他器件幾乎無改變；而器件#2的#2-2器件、#2-4器件電容退化率分別達到25.2%、24.3%，其電容特性與質子能量和注量出現了明顯的相關性，且10 MeV低能量、3×1010p/cm2高注量下出現了更明顯的退化。

a——#1進口器件；b——#2國產器件圖7 輻照前后的C-V特性Fig.7 C-V characteristics before and after irradiation

將圖7的C-V數據帶入公式(1)，得到1/C2-V關系曲線并計算出器件的特性參數列于表3。分析發現，對于#2器件，在同一能量下，注量3×1010p/cm2比3×109p/cm2質子輻照后造成了更嚴重的載流子去除效應和勢壘的增高。對于#1器件，#1-1電容改變異常的原因可能與其出廠可靠性有關，其他器件的載流子濃度、肖特基勢壘高度變化較小，可能因測試及計算精度所限而無法展現出#2器件的規律。

表3 質子輻照前后SiC JBS的關鍵參數Table 3 Key parameters of SiC JBS before and after proton irradiation

2.2.4微觀缺陷 基于深能級瞬態譜(DLTS)測試結果可獲得器件受質子輻照所產生的缺陷類型及密度。器件輻照前后的DLTS測試結果示于圖8?？梢?，這兩款SiC JBS缺陷峰強度不完全相同，但基本都存在3個主要的缺陷峰，分別是160 K附近的E0.4、310 K附近的Z1/2和400 K附近的EH[13-14]。分析認為，E0.4屬于Si空位峰；Z1/2是Z1/Z2峰與相鄰EH2、EH3能級疊加所形成，屬于C空位峰，其產生可能與器件制備過程中的陽極層注入和后續退火有關；EH峰的形成復雜，推測是多個缺陷能級疊加所致，可能與C缺陷團簇有關。三個峰均向上凸起，峰強為正，屬于受主型缺陷能級，會俘獲多數載流子電子并降低其遷移率，進而導致相同偏壓下電流的下降等電學性能改變。

a——進口器件；b——國產器件圖8 輻照前后的DLTS測試結果Fig.8 DLTS test results before and after irradiation

分析DLTS結果可知，10 MeV和20 MeV質子輻照均令原有的E0.4、Z1/2、EH缺陷能級峰位增強，說明質子輻照導致C缺陷與Si缺陷密度均增加，但Si原子離位閾能大于C原子離位閾能，因此質子輻照可引入更多的C缺陷，也因此導致多個C缺陷相關峰位均在質子輻照后增強；而#2-2的Z1/2左側出現新缺陷峰位，以及EH原有缺陷峰位的展寬，則可能與質子輻照在SiC器件中引入了新型缺陷有關，但其同原有缺陷峰位重合故并未顯示出單獨缺陷峰位。同時，#1-4,、#2-4輻照后DLTS均明顯變形，這可能與20 MeV較高能量質子輻照在器件內引入了更嚴重的C缺陷簇損傷相關。由于缺陷能級密度增加，俘獲載流子能力增加，載流子濃度減小，這與C-V測試結果一致，也證明質子輻照導致器件內產生更多缺陷，缺陷密度增加，載流子復合增加，并引發載流子去除效應，進而導致器件反向電學性能出現明顯退化。

2.3 等效GEO軌道輻照損傷

2.3.1I-V特性 提高質子輻照注量后器件的正向I-V特性示于圖9?？梢?，相比于前面小于1×1011p/cm2注量的中能質子輻照，采用1×1012p/cm2注量質子輻照之后器件的正向I-V出現了明顯退化，但隨著輻照質子能量的增加其退化程度減小。結合理想因子的計算公式可知，器件的理想因子相比于輻照前有所增大，且在10 MeV處達到最大，這是因為相比更高能量的質子，10 MeV質子輻照引起了SiC JBS最為嚴重的非電離能量損失(non-ionizing energy loss, NIEL)，因此會產生更嚴重的輻照缺陷，導致復合電流增加，削弱了器件原本的熱電子發射電流占比。

a——#1進口器件；b——#1國產器件圖9 輻照前后的正向電學性能Fig.9 Positive electrical properties before and after irradiation

通過圖10所示反向I-V特性，可見器件#1和器件#2在受到質子輻射后，在小測試電壓下都出現了漏電流減小的現象；而隨測試電壓增加，#1組中經10 MeV質子輻照的#1-1器件反向漏電流在560 V處便開始出現了驟增，#2組中經10 MeV質子輻照的#2-1器件反向漏電流也在200 V以后便出現了緩慢增加的現象。

a——#1進口器件；b——#2國產器件圖10 輻照前后的反向電學性能Fig.10 Reverse electrical properties before and after irradiation

2.3.2退火特性 經過室溫退火后的反向I-V特性示于圖11，器件#1的反向漏電流進一步增大、電學性能發生明顯退化，器件#2的反向特性相對穩定。其中，經過20 MeV質子輻照的#1-3器件的反向漏電流在600 V處開始波動，經過15 MeV質子輻照的#1-2器件的反向漏電流在370 V處開始波動，到580 V完全擊穿，經過10 MeV質子輻照的#1-1器件的反向漏電流在420 V處完全擊穿。說明采用位移損傷等效劑量法計算的較高注量質子輻照，在SiC JBS器件內部引入大量的輻照缺陷，且#1器件內的輻照缺陷無法隨室溫退火出現明顯修復，器件的額定擊穿電壓已降至50%以下，故無法滿足航天應用需求。

a——#1進口器件；b——#2國產器件圖11 室溫退火后的反向電學性能Fig.11 Reverse electrical properties after annealing at room temperature

a——#1進口器件；b——#2國產器件圖12 輻照前后的C-V曲線Fig.12 C-V performance before and after irradiation

2.3.3C-V特性 器件C-V測試結果示于圖12。由圖12可知，器件#1和器件#2的電容量都發生了退化。器件#1退化較小，其中#1-1在0 V處的電容量退化率大于10%，但三種能量質子輻照后電容的退化相差較??；器件#2的退化更加明顯，其中經過10 MeV質子輻照后的#2-1在0 V處的電容量退化率最高并大于30%。因為SiC JBS的電容與器件的載流子濃度、界面態、器件材料及結構特性等參數有關，#2芯片面積大，載流子濃度偏低，相同注量質子輻照在#2器件內引入更多缺陷和界面態，導致其載流子濃度進一步減小，空間電荷區變小，勢壘電容減小，故C-V特性出現劇烈改變。

表4為基于圖12的C-V數據以及公式(1)計算出的器件的內建電勢Vbi、有效載流子濃度Neff，以及肖特基勢壘高度ΦB?？梢?，經過1×1012p/cm2注量的質子輻照后，器件的內建電勢增加，肖特基勢壘增加，載流子濃度降低。這是因為質子輻照誘生更多的輻照缺陷，缺陷會增加載流子的暫時性俘獲以及復合能力，導致載流子濃度下降，即載流子去除效應，從而導致電學性能也顯現出退化。同樣，10 MeV質子輻照之后器件C-V性能退化最為嚴重，與I-V特性的結果一致，主要與低能質子NIEL更大，導致更多晶格原子離開平衡位置形成輻照缺陷等原因有關。

表4 質子輻照前后的內建電勢及載流子濃度Table 4 Built in potential and carrier concentration before and after proton irradiation

3 結論

針對商用1 200 V SiC JBS等效航天器典型衛星軌道運行10年累積的位移損傷劑量所對應的10 MeV單能質子輻照注量，開展了10～20 MeV中能質子加速器地面模擬輻照實驗，得到輻照前后SiC JBS的正向電學特性、反向電學特性以及微觀缺陷特性，并分析了輻照條件與器件特性退化之間的關系。目前商用高性能SiC JBS，尤其是其反向電學性能，對位移損傷效應仍較為敏感?；?0 MeV等效位移損傷劑量法，受中等注量的中能質子輻照后所引起的位移損傷缺陷影響，SiC JBS會產生不同程度的退化，為其可靠運行埋下隱患；而10 MeV較低能量、較大注量的中能質子輻照會導致SiC JBS產生難以恢復的永久缺陷，可引起其擊穿電壓大幅下降、甚至直接損毀。如果將其應用于航天任務中，則難以滿足航天任務需求。未來，針對航天環境下新型SiC JBS的輻射效應還需更深入研究，結合逆向技術深度剖析器件結構、工藝與其抗輻照能力之間的關系，建立可靠的評估技術標準和評估平臺，保障航天事業順利、高速發展。