高温湿氧工艺4H-SiC MOS电容与SBD的质子辐照效应研究

摘要

碳化硅(SiC)因其优异的电特性、热特性以及抗辐照性，成为应用于高频、高功率、强辐射环境的一种极具潜力的材料。而如今SiC功率器件，比如SiC SBD二极管和SiC MOSFET因其特有的优势，开始应用于空间电子设备中。MOS电容是MOSFET的基本结构，所以系统研究SiC MOS电容和SBD的辐照效应对提高SiC基电子设备的抗辐照性、器件的使用寿命有很重要的意义。而且MOS电容和SBD二极管有共同的氧化层和外延层结构，可以为彼此辐照效应的解释提供一定的依据。 本文首次对湿氧工艺生长后在NO中退火不同时间的4H-SiC MOS电容和SBD进行了质子辐照实验和辐照损伤机理的研究。论文的主要研究工作如下： （1）首先利用SRIM软件模拟计算入射离子与靶材料原子的相互作用过程，SRIM仿真结果表明5MeV的质子在SiO2和SiC中都会造成电离效应和位移效应，而且能量损失集中在射程终端，在较关注的氧化层、SiO2/SiC界面和外延层能量沉积基本均匀。在SiO2和SiC中，质子入射之后核阻止本领都远小于电子阻止本领，因此对于SiO2质子的能量沉积主要考虑电离效应，但对于SiC，电离效应产生的电子空穴对会很快被复合，因此主要考虑其位移效应。 （2）进行了不同剂量高温湿氧工艺4H-SiC MOS电容的质子辐照实验，通过对质子辐照前后湿氧生长并在NO中退火不同时间的4H-SiC MOS电容基本电学特性进行测试，得到由于在氧化层中电离效应产生了大量的电子空穴对，在外延层SiC中位移效应引入了受主型缺陷，因此辐照后器件特性表现出几方面的变化：电容降低、平带电压的正向偏移、回滞电压增大、SiO2/4H-SiC界面态降低。关于界面态从几个方面进行了分析，主要是对C=C双键的分解和进一步钝化，以及N和H原子对Si和C的钝化。最后，对比认为在NO中退火时间为2h时，MOS电容的抗辐照性最好。 （3）对比分析质子辐照对两种结构4H-SiC SBD的影响，辐照后场板结构比传统结构SBD的下降量更大。两者都有以下变化，辐照在外延层中引入缺陷中心，使外延层载流子浓度和迁移率降低，从而串联电阻增大。理想因子n增大、势垒高度B降低，B降低导致反向电流中热电子发射电流J0和隧穿电流JT均增大，同时缺陷充当复合中心也使复合电流JW增大。DLTS测试结果表明质子辐照在SiC外延层中引入三种新的电子陷阱，并将本存在的一种陷阱退火消除或将其转化为其他的陷阱类型。常温退火只能使陷阱俘获电荷有一定的释放，当温度加到75℃和125℃时，有小部分的位移损伤得到恢复，175℃时，位移损伤有明显的恢复，但仍然有部分不能消除。 本文首次研究了高温湿氧工艺SiC MOS电容，两种结构SBD的质子辐照效应，并取得了一定的成果，对于SiC器件的抗辐照研究有重要的意义。

目录

第一个书签之前