??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(duì)高壓功率器件提出了迫切的使用需求。第三代半導(dǎo)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(chǎng)（Si的10倍）、高熱導(dǎo)率（Si的3倍）等優(yōu)良的材料特性，在高溫高壓大功率器件的應(yīng)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(jié)勢(shì)壘肖特基二極管具有大電流、高反向偏壓、開(kāi)關(guān)速度快、抗浪涌電流強(qiáng)等特點(diǎn)，適合航天電源系統(tǒng)的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外對(duì)SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管開(kāi)展的單粒子試驗(yàn)結(jié)果表明，其抗單粒子能力遠(yuǎn)不如預(yù)期。在遠(yuǎn)低于額定電壓的偏置條件下，出現(xiàn)漏電流的增加，甚至發(fā)生單粒子燒毀。目前，SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管重離子輻照性能退化及單粒子燒毀的機(jī)理是當(dāng)今國(guó)際該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，重離子輻照誘生缺陷對(duì)漏電流退化的影響是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。國(guó)內(nèi)外已大量報(bào)道關(guān)于4H-SiC材料生長(zhǎng)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(guò)渡金屬（釩，鈦，鉻和鈧）引起的缺陷中心（ID，ID2，…）。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)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(jié)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(rèn)為這是輻照后Z1/Z2中心的濃度增加導(dǎo)致載流子濃度降低的結(jié)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(duì)于重離子輻照試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外已有大量試驗(yàn)結(jié)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(jié)勢(shì)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(guān)系，文中對(duì)1200V SiC JBSD樣品開(kāi)展了重離子輻照試驗(yàn)，并采用深能級(jí)瞬態(tài)譜對(duì)其進(jìn)行了缺陷分析。
1. 試驗(yàn)
1.1重離子輻照試驗(yàn)
試驗(yàn)樣品為國(guó)產(chǎn)SiC結(jié)勢(shì)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(hào)分別為1#和2#。試驗(yàn)樣品采用TO封裝，無(wú)頂蓋，芯片裸露，且表面未涂膠。試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)剖面和實(shí)物分別如圖1和圖2所示。
1.2深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試
輻照前后分別對(duì)1#和2#樣品進(jìn)行深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試分析。利用西安電子科技大學(xué)的深能級(jí)瞬態(tài)譜儀Semetrol DLTS對(duì)輻照缺陷進(jìn)行測(cè)試，分析SiC JBSD的重離子輻照誘生缺陷情況。試驗(yàn)中選取的DLTS測(cè)試條件見(jiàn)表2。
2. 結(jié)果及分析
2.1重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果及分析
鍺離子輻照試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。鍺離子輻照過(guò)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(dāng)注量達(dá)到1×106cm-2時(shí)，停止輻照，此時(shí)漏電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(dāng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)漏電流達(dá)到10μA時(shí)，停止輻照，此時(shí)注量為9.81×104cm-2。
由于肖特基二極管，耗盡層電容可由式（1）表示：
為直觀反應(yīng)內(nèi)建電勢(shì)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(xiàn)，如圖4所示?？梢钥闯?，輻照后1/C²~VR曲線(xiàn)斜率變大，由式（1）可知，載流子濃度變小。輻照后1/C²-VR曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)截距變小，即內(nèi)建電勢(shì)差變小。
由于肖特基勢(shì)壘高度可由式（2）給出：
綜合式（1）和式（2）可知，輻照后2#樣品的勢(shì)壘高度降低。
2.2 DLTS測(cè)試結(jié)果及分析
2#和1# SiC JBSD輻照前后的DLTS測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)如圖5所示?？梢钥闯?，DLTS信號(hào)（AC/C）主要呈現(xiàn)出三個(gè)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(jí)和Z1/Z2能級(jí)基本未發(fā)生變化，EH能級(jí)有展寬的現(xiàn)象。E0.4和Z1/Z2通常認(rèn)為是具有特定結(jié)構(gòu)的硅空位和碳空位。分析認(rèn)為，EH能級(jí)的缺陷復(fù)雜，推測(cè)是兩個(gè)或多個(gè)缺陷能級(jí)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(jié)果一致。分析認(rèn)為，載流子濃度的變化未對(duì)二極管漏電產(chǎn)生影響，此處缺陷的復(fù)雜程度與漏電流的退化成正相關(guān)。
此外，從圖5中可以看出，測(cè)試電壓VM=-8V，填充脈沖電壓VF=-1V條件下測(cè)得的EH能級(jí)濃度比VF=-4V條件下測(cè)得的高。不同DLTS測(cè)試條件下的耗盡區(qū)分布如圖6所示。當(dāng)DLTS測(cè)試條件為VM=-8V，VF=-4V時(shí)，測(cè)試的耗盡區(qū)范圍為區(qū)域①；當(dāng)DLTS測(cè)試條件為VM=-8V，VF=-1V時(shí)，測(cè)試的耗盡區(qū)范圍為區(qū)域①和區(qū)域②。因此，認(rèn)為VF=-1V測(cè)試條件下測(cè)得的EH能級(jí)濃度較高是因?yàn)榇蟛糠諩H缺陷位于區(qū)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(fù)雜缺陷是導(dǎo)致SiC二極管漏電退化的原因之一。然而，由于DLTS是測(cè)量耗盡區(qū)中的電容，反映的是耗盡區(qū)中的微觀缺陷情況。根據(jù)2.1節(jié)正反向IV特性測(cè)試結(jié)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(guò)程中金屬受損，產(chǎn)生的宏觀缺陷等。
3. 結(jié)論
通過(guò)對(duì)重離子輻照前后1200V碳化硅二極管的電學(xué)特性和深能級(jí)瞬態(tài)譜進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)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(shì)壘高度降低。
2）重離子輻照后，載流子濃度有所降低，未對(duì)漏電流退化產(chǎn)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(fù)雜程度成正相關(guān)。
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(fù)雜缺陷是導(dǎo)致SiC二極管漏電退化的原因之一。
5）DLTS測(cè)量的是耗盡區(qū)中的電容，反映耗盡區(qū)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(guò)程中金屬受損，產(chǎn)生的宏觀缺陷等。
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