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4H-SiC SBD与MESFET高能粒子辐照效应研究

张林  
【摘要】: 碳化硅(SiC)由于具有禁带宽度大、临界位移能高、热导率高等优点而成为制作高温、高频、大功率和抗辐射器件极具潜力的宽带隙半导体材料。由于在航天、军事、核等强辐射领域的应用前景,SiC器件辐照效应的研究是其将来广泛应用的的基础。 SiC肖特基势垒二极管(SBD)与金属半导体场效应晶体管(MESFET)是目前比较成熟,已经逐步实用的SiC功率器件。但是对其辐照效应和损伤机理的研究还存在很多问题:(1)国际上对SiC肖特基接触的辐照实验的报道,主要集中在对辐照效应的观察上,而对损伤机理的研究还缺乏相应的实验证据;(2)国际上报道SiC SBD的辐照实验,辐照时一般都是零偏置。而在实际应用中SiC肖特基接触往往工作在反偏压下(例如在MESFET中),目前还缺乏相应的实验研究;(3)欧姆接触是SiC功率器件的重要组成部分,但是其辐照效应目前还未见报道报道;(4)SiC MESFET的中子辐照效应还未见报道。 本文采用我们制备的4H-SiC SBD和国内研制的4H-SiC MESFET开展了γ射线、高能电子和中子的辐照实验,观察了辐照效应并研究了退化机理;并对基于SiC SBD的电离辐照探测器和辐射伏特电池进行了研究。本文主要的研究内容和创新性成果如下: (1)采用本实验室的SiC外延设备生长了非故意掺杂4H-SiC同质外延层,并参考国内外比较成熟的SiC器件工艺制备了辐照实验所需要的Ni、Ti/4H-SiC SBD和TLM欧姆接触测试图形。测试结果表明,制备的SiC SBD器件具有良好的整流特性;在高掺杂衬底上制备的欧姆接触的比接触电阻达到了国际主流工艺水平;采用热电子发射理论提取了本文制备的SiC SBD的肖特基势垒高度(φB)、理想因子和串联电阻。 (2)采用制备的Ni、Ti/4H-SiC SBD开展了不同偏压下的γ射线辐照实验,辐照源为60Co,最高积累剂量为1Mrad(Si),辐照过程中对器件分别加0V和-30V偏压。测试了辐照生电流和室温下的退火效应以分析器件的退化机理。经过1Mrad(Si)的γ射线辐照后,不同偏压下的Ni和Ti/4H-SiC SBD的正向特性和辐照生电流都没有明显变化,反向电流轻微下降。在室温下经过两个星期的退火后,反向特性有明显的退火效应,本文分析认为器件反向特性的变化是由于表面电荷的变化造成的。 (3)采用制备的Ni、Ti/4H-SiC SBD和TLM欧姆接触测试图形开展了不同偏压下的高能电子辐照实验,电子能量为1MeV,最高积累剂量为3.43×1014e/cm2,辐照过程中对器件分别加0V和-30V偏压。辐照后Ni和Ti/4H-SiC SBD的φ_B表现出了不同的退化趋势;不同偏压下的Ni/4H-SiC的φ_B的退化趋势相反,而Ti/4H-SiC SBD的退化趋势相同。辐照后经过一个星期的室温下退火,所有器件的φ_B都恢复到了辐照前的数值。辐照后不同偏压下的Ni/4H-SiC SBD的反向电流随辐照剂量的增加而上升;Ti/4H-SiC SBD的反向电流没有明显变化。所有器件的串联电阻都随着辐照剂量的增加而上升。实验还发现辐照后TLM测试图形中各pad间的总电阻比辐照前有所下降。 (4)采用自制的Ni、Ti/4H-SiC SBD和国内制备的4H-SiC MESFET开展了中子辐照实验,中子归一化能量为1MeV。随着辐照中子剂量的上升,SiC MESFET的漏极电流下降,夹断电压上升。辐照剂量达到1×10~(14)n/cm~2,夹断电压从辐照前的-12.5V上升为约-11.5V。经过1×10~(13)n/cm~2的辐照后,Ni、Ti/4H-SiC以及SiC MESFET栅极肖特基接触的φ_B都没有明显变化;当辐照剂量达到2.5×10~(14)n/cm~2时,SiC MESFET栅极肖特基接触的φ_B比辐照前有一定的下降。 (5)分析了4H-SiC SBD电离辐照探测器的工作机理,建立了与电离辐照相关的器件数值模型,对4H-SiC SBD的电离辐照探测性能进行了表征。仿真结果与实验结果符合得较好。 (6)采用制备的Ni/4H-SiC SBD作为辐射伏特电池,并采用63Ni辐照源进行了测试。根据测试结果和MCNP的仿真,计算获得了能量转换效率大于2.8%。研究表明SiC SBD作为辐射伏特电池具有较大的潜力。


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