SiC材料和器件特性及其辐照效应的研究

【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。