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SiC材料和器件特性及其辐照效应的研究

尚也淳  
【摘要】: 目前SiC作为一种在抗辐照领域有着巨大应用前景的极端电子学材料而倍受 人们关注。为了能充分发挥SiC抗辐照的优势和潜力,本文首先对SiC区别于常 规半导体的特性作了系统的研究: 用单粒子Monte Carlo方法研究了6H-SiC的电子输运规律,模拟的结果体现 了6H-SiC具有良好的高温和高场特性以及迁移率的各项异性,其横向迁移率和 纵向迁移率相差近5倍。模拟结果和实验数据的对比说明了对6H-SiC输运特性 的模拟是正确的。 把Frenkel-Pool效应引入了对SiC MOS表面空间电荷区杂质不完全离化的分 析,并建立起了在电场作用下SiC杂质离化的新的模型。分析的结果表明,电场 的作用会使析冻效应减弱。文中还提出了一个新的SiC MOSFET反型层薄层电荷 数值模型。对于SiC MOSFET,杂质不完全离化的影响主要在亚阈区。 在辐照的位移效应方面: 从理论上对电子辐照在4H-SiC中引入的缺陷数量和各种缺陷能级进行了计 算和分析,其中只有EH6/EH7缺陷能级在SiC中起着有效的复合中心的作用。 采用了SRH模型来估计电子辐照下4H-SiC的少子寿命,并最终给出电子辐照下 4H-SiC少子寿命损伤系数的模型。结合具体的试验条件,证明了所得出的电子辐 照4H-SiC少子寿命损伤系数的模型是合理的。 对SiC JFET的电参数如电子浓度,迁移率,电阻率和空间电荷区密度在中子 辐照下的变化进行了分析,提出了中子辐照下6H-SiC JFET的器件模型,利用此 模型对SiC JFET在室温和300℃时的辐照响应进行模拟的结果和实验值相符。 提出了中子辐照下SiC pn结电特性退化的新的理论,pn结耗尽区中的辐照陷 阶在耗尽区电场的作用下热发射效应得到加强,从而导致pn结正偏和反偏时的 复合电流和产生电流的改变。推导了辐照后SiC pn结理想因子与外加电压的关 系,并给出了SiC pn结中子辐照电特性退化的模型,从而很好解释了SiC pn结 辐照后出现的电特性退化的现象。 在辐照的电离效应方面,研究了辐照在SiC MOS氧化层中引入的陷阱电荷对 MOS沟道反型层迁移率的影响。 先推导了一种SiC反型层表面粗糙散射的指数模型,研究证明应用此模型能 够更精确地研究SiC MOS沟道载流子的输运规律。当有效横向电场较低时,库仑 散射在SiC反型层的电子输运中起主要散射作用,而当有效横向电场升高时,表 面粗糙散射的作用会变得愈来愈显著。 接着在尺寸量子化的条件下,提出了一种综合的SiC反型层库仑散射的解析 SIC材料和器件特性及其辐照效应的研究 模型,该模型考虑了栅氧化层电荷、界面态电荷、沟道电离杂质电荷的作用以及 它们之间的相关性。对6H-SIC反型层迁移率进行的Monie Caro模拟结果表明, 库仑中心的相关性,库仑电荷量及电荷中心和 SIC侣。界面之间的距离都对SIC MOS沟道迁移率产生着影响。 在实验上首次对6H-SIC MOS结构的电特性及其辐照引起的电参数退化进行 了研究,结果说明:在氧化层电场较高时是Fowler-Nordheim隧穿电流决定着SIC MOS结构的漏电流。当氧化层中存在较强电场时,电离辐照对S汇 MOS电容的 影响会更明显,SIC MOS器件比 St器件具有更好的抗 Y辐照的能力。


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