中子輻射導致的SiC 功率器件漏電增加特性研究*

彭超 雷志鋒 張戰剛 何玉娟 馬騰 蔡宗棋 陳義強

(工業和信息化部電子第五研究所,電子元器件可靠性物理及其應用技術重點實驗室,廣州 511370)

基于14 MeV 中子輻照研究了碳化硅(silicon carbide,SiC)肖特基勢壘二極管(Schottky barrier diode,SBD)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件的位移損傷退化特性.結果表明: 總注量為1.18×1011 cm-2 的中子輻照不會引起SBD 正向I-V 特性的明顯退化,但會導致反向漏電流出現顯著增大.通過深能級瞬態譜測試發現中子輻照在SiC 中引入的缺陷簇形成了能級位置EC－1.034 eV 處的缺陷.該深能級缺陷可能導致SiC 漂移層費米能級向禁帶中央移動,引起了肖特基勢壘的降低,最終導致反向漏電流的增大.此外,中子輻照也會導致SiC MOSFET 柵漏電增大.對應柵電壓Vgs=15 V時,輻照后器件柵電流比輻照前增大了近3.3 倍.中子輻照在氧化層中引入的施主型缺陷導致輻照前后MOSFET器件的柵氧導電機制發生了變化.缺陷對載流子越過柵氧化層勢壘有輔助作用,從而導致柵漏電的增加.深能級瞬態譜測試結果表明中子輻照還會導致MOSFET 器件溝道附近SiC 材料中本征缺陷狀態的改變,同時形成了新的Si 空位缺陷能級,但這些缺陷不是導致器件性能退化的主要原因.

1 引言

碳化硅(silicon carbide,SiC)材料具有禁帶寬度大、擊穿場強高、熱導率高、耐高溫等優勢,使得其在高功率應用領域極具優勢[1-3].此外,得益于其寬禁帶和高臨界位移能,SiC 材料還具有優良的抗電離輻射和抗位移損傷輻射性能,因此SiC 基功率器件在航天電子系統中有重要應用需求.在空間應用中,輻射環境是影響SiC 功率器件可靠性的關鍵因素.國內外針對SiC 功率器件的電離輻射效應開展了深入研究,已有大量文獻報道了輻射導致的SiC 功率器件的單粒子燒毀(single event burnout,SEB)[4-9]和總劑量退化[10-12].可見,盡管SiC 材料在理論上具有優良的抗電離輻射性能,但基于SiC材料的器件仍然存在電離輻射失效風險.目前關于SiC 功率器件的位移損傷輻射效應的研究相對較少,SiC 器件能否充分發揮SiC 材料在抗位移損傷方面的優勢還存在疑問,其抗位移損傷性能有待進一步評估.Hazdra 等[13]針對SiC 肖特基二極管(Schottky barrier diode,SBD)開展了注量達4 ×1014cm-2的1 MeV 中子輻照,發現輻照引入的點缺陷對器件阻斷和動態特性的影響可以忽略不計,但會導致導通電阻的顯著增大.Omotoso 等[14]研究發現注量為8.9×1011cm-2的α 離子輻照會導致SiC SBD 器件理想因子和串聯電阻的顯著增大,經過300 ℃退火后又能大幅恢復.Yang 等[15]的研究表明注量為1.5×1010cm-2的Si 離子輻照會在SiC SBD 器件中引入高密度深能級缺陷,導致器件肖特基勢壘降低、載流子濃度降低.Chao 等[16]報道了中子位移損傷引起的有效載流子濃度降低導致SiC MOSFET 器件的性能退化.

基于此,本文以SiC SBD 和金屬氧化物半導體場效應晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件為對象,利用14 MeV中子輻照進一步探索位移損傷輻射導致的性能退化特性.結合電容深能級瞬態譜(capacitance deep level transient spectrum,C-DLTS)技術表征中子輻射在器件引入缺陷的微觀特征,從微觀機制上解釋SiC 功率器件的退化行為.

2 實驗描述

試驗樣品包括Cree 公司的SiC MOSFET(C2M0080120D,額定電壓1200 V,額定電流36 A)以及泰科天潤公司的三款SiC 結勢壘肖特基(junction barrier Schottky,JBS)二極管(G3S06505A,650 V,5 A;G3S12005A,1200 V,5 A;G3S17005A,1700 V,5 A).SiC MOSFET 器件采用TO-247-3封裝,所有JBS 二極管均采用TO-220AC 封裝.試驗用SiC 器件表面形貌和縱切截面分別如圖1和圖2 所示.

圖1 試驗用SiC 結勢壘肖特基二極管器件 (a)表面形貌的光學顯微鏡圖;(b)截面示意圖Fig.1.SiC JBS diode used in our experiment: (a) Optical microscope diagram of surface morphology;(b) diagram of cross-section.

圖2 試驗用SiC MOSFET 器件 (a)表面形貌的光學顯微鏡圖;(b)截面示意圖Fig.2.SiC MOSFET used in our experiment: (a) Optical microscope diagram of surface morphology;(b) diagram of cross-section.

中子輻照在中國原子能科學研究院的14 MeV單能中子源上進行.器件安裝在測試板上,調整測試板的位置保證中子垂直入射到待測器件.由于中子的穿透性很強,所有器件均采用帶封裝輻照.每款器件均選用3 件樣品開展輻照試驗.輻照過程中,所有樣品均處于無偏置狀態.選用的中子注量率為1 × 106cm-2·s-1,累積中子總注量為1.18×1011cm-2.根據Geant4 仿真[17,18]可計算14 MeV中子在SiC 材料中的非電離能損(non-ionization energy loss,NIEL)為1.758 × 10-7MeV·cm2/mg.當中子總注量達到1.18×1011cm-2時,可計算輻照過程中的總位移損傷劑量為2.07×104MeV/mg.

輻照前后,通過Keysight B1500A 半導體參數分析儀對全部樣品的I-V特性曲線進行測試.I-V特性曲線在室溫下進行.基于I-V特性曲線提取的器件肖特基勢壘、理想因子等參數均為3 件樣品的平均值.同時,每款器件選取一件樣品開展了輻照前后C-DLTS 測試,該測試基于PhysTech 公司的FT1230 HERA-DLTS 測試系統開展.對于JBS器件,重點針對肖特基結開展深能級瞬態譜測試和分析,獲取其缺陷特性.測試過程中陽極接低電位,陰極接高電位.DLTS 測試過程中設定的主要參數為: 反向偏壓VR=－10 V,脈沖電壓VP=0 V,測試周期TW=100 ms,脈沖寬度TP=1 ms.對于MOSFET 器件,重點針對柵電容開展深能級瞬態譜測試和分析,獲取其缺陷特性.測試過程中柵極接高電位,源極和漏極接低電位.DLTS 測試過程中設定的主要參數為: 反向偏壓VR=0 V,脈沖電壓VP=6 V,測試周期TW=4 ms,脈沖寬度TP=1 ms.深能級瞬態譜測試中的溫度掃描范圍均為50–450 K.

3 實驗結果及討論

3.1 中子輻射導致的SiC JBS 器件退化

3.1.1I-V特性退化

圖3–5 顯示了3 款SiC 二極管中子輻照前后的正向和反向I-V特性,其中VAnode為陽極電壓,IAnode為陽極電流.可以看到,輻照后二極管的正向電流有輕微的增加,而反向電流(絕對值)的增加更明顯.對應反向偏壓為－50 V 時,輻照后額定電壓為650 V,1200 V 和1700 V 的器件反向電流分別為輻照前的5.2 倍、11.6 倍和4.0 倍.SiC 肖特基勢壘二極管的正向電流傳輸滿足熱電子發射模型,其正向電流密度可表示為

圖3 額定電壓為650 V 的二極管輻照前后正向(a)和反向(b) I-V 特性Fig.3.Forward (a) and reverse (b) I-V characteristics of 650 V SiC diode before and after irradiation.

圖4 額定電壓為1200 V 的二極管輻照前后正向(a)和反向(b) I-V 特性Fig.4.Forward (a) and reverse (b) I-V characteristics of 1200 V SiC diode before and after irradiation.

圖5 額定電壓為1700 V 的二極管輻照前后正向(a)和反向(b)I-V 特性Fig.5.Forward (a) and reverse (b) I-V characteristics of 1700 V SiC diode before and after irradiation.

其中,A為有效理查遜常數,對于4H-SiC,A=146 A/(cm2·K2);T為溫度(K);φB為肖特基勢壘高度(eV);n為理想因子;V為正向偏壓;k為玻爾茲曼常數;V為器件正向電壓;q為單位電荷量.利用(1)式對肖特基二極管正向電流進行擬合,可提取每款器件輻照前后的肖特基勢壘φB和理想因子n,如表1 所列.輻照前后,3 款器件的理想因子幾乎保持不變,肖特基勢壘均出現了0.01 eV 左右的降低.

表1 根據I-V 特性提取的二極管肖特基勢壘高度Table 1. Schottky barrier height of SiC diodes extracted by I-V characteristics.

SiC 肖特基勢壘二極管的反向電流傳輸滿足熱電子場發射模型,其反向電流密度可表示為[19]

其中,CT為隧穿系數,約為8×10-13cm2/V2;φB0對應反向電場為零時的肖特基勢壘高度;Es為肖特基結表面電場強度;εs為SiC 介電常數.根據(2)式可知,反向電流(絕對值)反比于肖特基勢壘高度,正比于肖特基結電場強度.輻照后器件肖特基勢壘高度降低了0.01 eV,會導致反向電流增大1.5 倍左右,這小于實際觀察到的反向電流增大量.因此,中子輻照導致的反向電流增大有一部分也可能來源于肖特基結附近電場強度的增大.

3.1.2 輻射損傷缺陷表征

圖6 為1700 V 額定電壓的二極管中子輻照前后的深能級瞬態譜測試結果.深能級瞬態譜上的每一個信號峰對應一個缺陷能級.在50–450 K 的溫度掃描范圍內,輻照前的DLTS 譜上觀察到兩個正信號峰,分別標記為DT1和DT2.其對應兩個本征的多子缺陷中心.根據DLTS 譜的峰值位置可擬合得到缺陷中心的發射時間常數隨溫度的變化關系,即阿倫尼烏斯曲線,可表示為

圖6 (a)額定電壓為1700 V 的二極管輻照前后的深能級瞬態譜特性,其中內嵌圖為溫度300–400 K 之間曲線的放大圖;(b)阿倫尼烏斯曲線Fig.6.(a) DLTS spectra of 1700 V SiC diode before and after irradiation,the inset graph is the enlarged curve between 300-400 K;(b) Arrhenius plot.

其中,NC為導帶底有效狀態密度,vth,n為電子熱速度,τe為缺陷俘獲電子的熱發射時間常數,Xn為熵因子,σn為缺陷俘獲截面,EC為導帶能將,ET為缺陷能級.根據(4)式,由阿倫尼烏斯曲線的斜率可以計算得到缺陷能級ET,由曲線與y軸的截距可計算得到俘獲截面σn.基于阿倫尼烏斯曲線進行擬合,可提取輻照前器件的缺陷信息,如表2所列.缺陷DT1能級位置為EC-0.071 eV.根據能級位置判斷該缺陷為占據晶格位置的氮雜質缺陷[14,20].該缺陷接近導帶頂,為淺能級缺陷,其對器件性能的影響要遠小于缺陷DT2.缺陷DT2能級位置為EC-0.864eV,俘獲截面為2.19×10-15cm2,其對應SiC 器件中的RD1/2缺陷.該本征缺陷為高能離子注入引入的缺陷[21].

表2 基于深能級瞬態譜提取的SiC 二極管輻照前后的缺陷信息Table 2. Trap information of SiC diode extracted by DLTS before and after irradiation.

中子輻照后的DLTS 譜上仍然觀察到兩個正信號峰.但中子輻照導致DT2峰值強度增加,其對應的缺陷能級由EC-0.864 eV 變為EC-1.034 eV,更接近于禁帶中心,俘獲截面由2.19×10-15cm2增大為8.34×10-13cm2.該缺陷能級對應EH4 缺陷,為中子輻照導致的缺陷簇[13,22,23].該缺陷同樣在5 MeV 的質子輻照(總注量1012cm-2)[22]以及2.5 MeV 的電子輻照(總注量1014cm-2)[23]中被觀察到.中子輻照引入的EH4 缺陷可能是導致二極管輻照后電特性退化的主要原因.該缺陷引起了肖特基勢壘的降低,最終導致反向飽和電流的增大.值得注意的是,中子輻照后DT1峰值強度減弱.這與輻照后SiC 漂移層中費米能級降低相關.圖7 顯示了DLTS 測試過程中SiC 二極管的能帶示意圖.在輻照前的DLTS 測試過程中,二極管上施加一個反偏電壓VR.對于n 型漂移層中的多子淺能級缺陷ET,其在費米能級EF以下的部分被電子填充,而在空間電荷區內ET能級位于EF以上的部分無電子填充.隨后二極管上加一個正向電壓脈沖VF.空間電荷區內缺陷能級ET降到EF以下,缺陷能級被電子填充.在正向脈沖移除恢復反向偏壓的瞬間,空間電荷區內缺陷能級ET重新上升到EF之上,但缺陷上填充的電子仍然來不及釋放.中子輻照后會在器件內部引入更深能級的EH4 缺陷,導致費米能級ET向禁帶中央移動.此時開展DLTS 測試時,在加正向脈沖電壓期間只有部分缺陷能級被電子填充.因此導致了DLTS 測試得到的DT1缺陷峰值強度減弱.

圖7 DLTS 測試過程中SiC 二極管的能帶示意圖(EV 為價帶能級) (a)輻照前;(b)輻照后.Fig.7.Schematic diagram of the energy band of SiC diode during DLTS testing process: (a) Pre-irradiation;(b) after-irradiation.

3.2 中子輻射導致的SiC MOSFET 器件退化

3.2.1I-V特性退化

圖8(a)顯示了14 MeV 中子輻照前后SiC MOSFET 的I-V特性曲線.當輻照總注量達到1.18×1011cm-2 時,器件的轉移特性有輕微負向漂移,柵電流出現了明顯增大.對應柵電壓Vgs=15 V時,輻照后器件柵電流比輻照前增加了近3.3 倍.根據Frenkel-Poole 發射理論,MOS 柵電流與電壓的平方根滿足如下指數關系[24]:

圖8 (a) SiC MOSFET 器件輻照前后的轉移特性和柵電流特性,測試條件為源端電壓Vs=0 V,漏端電壓Vd=0.1 V;(b)輻照后SiC MOSFET 器件柵電流擬合,測試條件Vd=Vs=0 VFig.8.(a) Transfer and gate-current characteristics of SiC MOSFET before and after irradiation (test condition,Vs=0 V,Vd=0.1 V);(b) gate current fitting of SiC MOSFET after irradiation (test condition Vd=Vs=0 V).

其中,εi為氧化層介電常數,d為氧化層厚度,?B為氧化層勢壘高度.利用(5)式對輻照后MOSFET器件柵電流進行擬合,吻合很好,如圖8(b)所示.這說明輻照后柵電流滿足Frenkel-Poole 導電特性.因此可推斷中子輻照可能在SiC MOSFET 的氧化層中或氧化層界面附近引入了額外的施主型缺陷,如圖9 所示.這些缺陷對載流子通過勢壘層具有輔助作用,從而導致輻照后柵電流增大.中子輻射引入的缺陷在俘獲電子后呈中性,其俘獲的電子可以越過一個較低的勢阱后進入導帶參與導電.當MOSFET 器件柵端加一個正向偏壓后,氧化層中的勢壘進一步降低,使得缺陷俘獲的電子更容易躍遷到導帶,從而使得柵電流隨著柵氧電場增加而增加,如圖9(c)所示.當施主型缺陷俘獲的電子進入導帶后,在氧化層中留下帶正電的缺陷,從而導致器件的轉移特性出現了負向漂移.

圖9 (a)輻照前未加柵偏壓下的SiC MOSFET 器件能帶圖;(b)輻照后未加柵偏壓下的SiC MOSFET 器件能帶圖;(c)輻照后加正柵偏壓下的SiC MOSFET 器件能帶圖Fig.9.(a) Energy band diagram of SiC MOSFET without gate bias before irradiation;(b) energy band diagram of SiC MOSFET without gate bias after irradiation;(c) energy band diagram of SiC MOSFET with positive gate bias after irradiation.

3.2.2 輻射損傷缺陷表征

圖10 為輻照前后SiC MOSFET 器件的深能級瞬態譜測試結果.針對柵電容的深能級瞬態譜測試結果反映的是溝道附近SiC 耗盡層中的缺陷特性.在輻照前的SiC MOSFET 的深能級瞬態譜中出現了一個明顯的正信號峰MT1,其對應一個多子缺陷中心.基于阿倫尼烏斯曲線擬合,可提取輻照前器件的缺陷信息見表3.該缺陷能級位置EC-1.112 eV.中子輻照后的DLTS 譜上觀察到兩個正信號峰,分別標記為MT1和MT2.相比于輻照前,中子輻照導致MT1峰向低溫區漂移,同時峰值強度增大,這反映了缺陷密度的增大,而其對應的缺陷能級由EC-1.112 eV 變為EC-0.980 eV.輻照后的缺陷能級變得比本征缺陷更淺且密度增加有限,不會對SiC MOSFET 器件的性能產生較大影響.此外,中子輻射在MOSFET 器件中引入一個新的缺陷MT2,其能級位置為EC-0.376 eV.該缺陷能級對應于Si 空位缺陷,這說明中子輻照在SiC 中引入了額外的Si 空位.但該新增缺陷的密度很低,遠小于器件中的本征缺陷密度,預期也不會影響器件電學性能.因此,SiC 有源區中的缺陷不是導致MOSFET 器件性能退化的主要原因.

表3 基于深能級瞬態譜提取的SiC MOSFET 輻照前后的缺陷信息Table 3. Trap information of SiC MOSFET extracted by DLTS before and after irradiation.

圖10 (a)輻照前后SiC 功率MOSFET 器件的深能級瞬態譜;(b)阿倫尼烏斯曲線Fig.10.(a) DLTS spectrums of SiC MOSFET before and after irradiation;(b) Arrhenius plot.

4 結論

本文針對SiC 肖特基二極管和MOSFET 器件開展了14 MeV 中子輻照試驗.當中子總注量達到1.18×1011cm-2 時(對應總位移損傷劑量為2.07×104MeV/mg),未觀察到二極管正向I-V特性有明顯退化,但反向漏電流出現了顯著增大.深能級瞬態譜的測試結果表明,中子輻照導致的缺陷簇在器件內形成了深能級缺陷EH4,其缺陷能級EC-1.034 eV.該缺陷導致了n 摻雜漂移層中費米能級向禁帶中央移動,引起了肖特基勢壘的降低,最終導致二極管反向漏電流的增大.對于SiC MOSFET 器件,中子輻照后的轉移特性未出現明顯退化,但柵電流有明顯增加.輻照后器件的柵氧化層導電滿足Frenkel-Poole 發射特性.這表明輻照前后MOSFET 器件的柵氧導電機制發生了變化,中子輻照在氧化層中引入的額外缺陷對載流子越過柵氧化層勢壘有輔助作用,從而導致了柵漏電的增加.