SiC功率器件辐照诱生缺陷实验研究进展.docx

? ? SiC功率器件辐照诱生缺陷实验研究进展* ? ? 杨治美，高 旭，李 芸，黄铭敏，马 瑶，龚 敏 （1.四川大学物理学院微电子技术四川省重点实验室，成都 610064；2.四川大学辐射物理及技术教育部重点实验室，成都 610064） 1 引言 SiC 半导体产业的发展一直是我国的“卡脖子”工程，最近几年在国家项目扶持下，SiC 半导体产业迅猛发展。为了促进SiC 功率器件在各种复杂极端环境下的应用，人们对SiC 功率器件的研究主要集中在3 个方面：一是新型SiC 器件结构设计和优化的研究[1-5]，如2021 年中国科学院微电子研究所提出4H-SiC 沟槽金氧半场效晶体管与台面侧壁肖特基二极管（Trench Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor Integrated with Mesa-Sidewall Schottky Barrier Diode，TMS-SBD）集成的结构可大大降低导通损耗和关断损耗；二是SiC 器件工艺制造和可靠性的研究[6-7]；三是SiC 器件应用开发研究等[8-17]，如深井探测、车辆控制系统和发电厂、超导、太阳能电推进系统（Solar Electric Propulsion System Technology，SEP）[18]和航天应用。在这些研究中，深井探测应用环境温度高于400 K，而超导和航天应用运行的环境温度往往又低于100 K[7]，这些极端环境的条件要求电力设备能够在较大的温度范围内可靠稳定地运行，同时由于航空航天应用的特殊性（工作温度宽、系统集成度高、元件更换困难），半导体器件中的缺陷问题对电力电子器件的可靠性影响重大，所以缺陷对功率器件的电气特性评价和分析是非常重要的。 缺陷是半导体中普遍存在的，可能是外来原子（杂质原子）或晶体中的缺陷，也可能是在晶体生长和器件制备过程中有意引入的。有意掺入的杂质原子形成的浅能级杂质可以改变半导体导电类型和导电性能；而深能级缺陷则形成复合中心，可以降低器件寿命，这对改善器件的频率和开关等性能极为有利。辐照技术能够可控地引入点缺陷，如空位和间隙，从而提高制备器件的光学和电学输运性能[19]。国内SiC 材料最早开始离子注入硼和磷，以及电子辐照等都是在6H-SiC（Eg=3.0 eV）材料中开展的[20]。随着半导体制造技术的提升，由于4H-SiC 具有更宽的禁带宽度（Eg=3.23 eV）、更高的电子迁移率（1141 cm2·V-1·s-1）等独特的优势，目前4H-SiC 器件相关研究已成为主流。在宽禁带半导体SiC 器件中，辐照诱生缺陷会强烈地影响器件的电学性能，限制器件的应用，如载流子-寿命限制的缺陷。因此，对宽禁带半导体材料和器件而言，如何表征和评估器件制造过程和辐照诱生缺陷中心对其应用是非常关键的。 功率器件界面特性对其性能影响至关重要，解决金属-SiC 界面缺陷问题也是提高SiC 器件抗辐照性能的关键，但辐照诱生的缺陷包括SiC 体内缺陷，金属与SiC 界面的缺陷，SiC/SiO2界面，以及辐照诱生原子迁徙后在金属层中形成新的SiC 晶体等相关缺陷，这些缺陷的化学特性尚未完全达成共识，特别是导带边缘附近大量界面态的影响，SiC 器件场效应迁移率仅约为30 cm2·V-1·s-1，比其体材料迁移率低约2 个数量级，这极大地限制了SiC 器件的性能。SiC/SiO2界面态密度（1012～1013cm-2·eV-1）比Si/SiO2（1010cm-2·eV-1）高2 个数量级以上[21]，这些缺陷态可能的起源较多：如SiC 的本征缺陷（C=C），界面附近或SiO2中的过量碳团簇，或SiO2体相陷阱（O 空位）。2021 年剑桥大学的ZHANG 等率先从理论上揭示[21]，SiC 中Si 的选择性氧化会导致碳沉淀，并在SiO2中形成碳团簇，从而解释了高界面态密度的成因，缺陷能级靠近SiC 的导带底，因此降低了载流子的迁移率。可以看出界面碳团簇可能是SiC 器件载流子迁移率降低的重要原因，本课题组在快重离子辐照的实验中，通过深能级瞬态谱（Deep Level Transient Spectroscopy，DLTS） 和 微 区Raman 不同的测试技术手段都观测到大量碳团簇现象的存在[22-23]。 在SiC 材料和器件的辐射效应实验和理论研究中[24-26]，重离子辐照主要集中在单粒子效应（Single Event Effect，SEE）方面的研究[24-25]，SEE 是一种低注量（小于107ion/cm2）和低注量率的单粒子事件辐射失效机制。根据辐照能量、辐照注量、入射角、离子种类和辐照过程中偏置电压等的不同，损伤可能导致缓慢退化或灾难性失效，从而导致热失控事件。SE