（微电子学与固体电子学专业论文）sic材料和器件特性及其辐照效应的研究.pdf

s i c材料和器件特性及其辐照效应的研究 模 型 够模 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6 h - s i c反型层迁移率进行的mo n t e c a r l o 模拟结果表明， 库仑中心的相关性1，库仑电荷量及电荷中心和 s i c / s i 0 : 界面之间的距离都对 s i c mo s 沟道迁移率产生着影响。、 在实验上首次对6 h - s i c m o s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f o w l e r - n o r d h e i m隧穿电 流决定着s i c m o s结街的漏电流。当氧化层中存在较强电 场时，电 离辐照对 s i c m o s电容的 影 响 会 更 明 显 ， s ic m o s 器 件 比 s i 器 件 具 有 更 好 的 抗 辐 照 的 能 力 。) - 关 键 词 : s ic辐 照m o n te c a rl。不 完 全 离 化 迁 移 扩 模 型 和 模 拟 ab s t r a c t ab s t r a c t t h e a t t r a c t i v e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e e x c e l l e n t e l e c t r i c p r o p e rt i e s o f s i c h a s l e d u s t o t h e f a b r i c a t i o n o f e l e c t r o n i c d e v i c e s u s e d i n s t r o n g r a d i a t i o n e n v i r o n me n t s . f o r t h e a p p l i c a t io n o f s i c d e v i c e s t o r a d i a t i o n f i e l d s , i t i s i m p o rt a n t t o k n o w t h e i r r a d i a t i o n e ff e c t s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f s i c ma t e r i a l s a n d d e v i c e s . t h e ma i n c o n t r i b u t i o n s i n t h i s t h e s i s a r e a s f o l l o w i n g : t e m p e r a t u r e - a n d e le c t r i c f i e l d - d e p e n d e n t e l e c t r o n t r a n s p o r t i n 6 h - s i c i s s t u d i e d b y s i n g l e - p a r t i c l e mo n t e c a r l o t e c h n i q u e . t h e p h y s i c a l m o d e l u s e d i n t h e s i m u l a t i o n i s d e v e l o p e d c o n s i d e r i n g t h e m a i n s c a t t e r i n g m e c h a n i s m s i n d e t a i l s . t h e r e s u l t s s h o w t h e e x c e l le n t h i g h - t e m p e r a tu r e p r o p e rt i e s a n d a n i s o t r o p y o f m o b i l it y . t h e r a t i o u , , i p , i n 6 h - s i c i s a b o u t 5 . t h e s i m u l a t e d r e s u l t s a r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h m e a s u r e d d a t a in a w id e r a n g e o f t e m p e r a t u r e a n d e le c t r i c f ie l d . t h e i n fl u e n c e o f i n c o m p l e t e i o n i z a t i o n o f i m p u r i t y i n 6 h - s i c o n m o s f e t e l e c t r i c a l c h a r a c t e r is t i c s i s i n v e s t i g a t e d c o n s i d e r i n g t h e f r e n k e l - p o o l e f f e c t , wh i c h c a n e n h a n c e t h e i m p u r i t y i o n i z a t i o n b y l o w i n g t h e e ff e c t i v e b a r r i e r h e i g h t . a n d a n e w n u m e r i c a l c h a r g e - s h e e t m o d e l f o r s i c mo s i n v e r s i o n l a y e r s i s p r e s e n t e d b a s e d o n a n n u m e r i c a l s o l u t i o n o f a o n e - d i m e n s i o n p o i s s o n e q u a t i o n . t h e r e s u lt s o b t a i n e d f r o m t h i s a p p r o a c h a r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e m e a s u r e d v a l u e s . t h e s t u d y s h o w s t h a t t h e i m p a c t o f i n c o m p l e t e i o n i z a t i o n o n s i c mo s f e t i s m o r e n o t a b l e i n s u b t h r e s h o l d r e g i o n t h a n in s t r o n g i n v e r s i o n r e g i o n . t h e t o t a l n u m b e r o f d e f e c t s i n d u c e d b y e l e c t r o n i r r a d i a t i o n i n 4 h - s i c i s c a l c u l a t e d t h e o r e t i c a l l y . t h e d e e p l e v e l d e f e c t o f e h 6 / e h 7 i s c o n s i d e r e d t o p l a y t h e m o s t i m p o rt a n t r o le i n c a r r i e r r e c o m b i n a t i o n f r o m t h e c o m p a r i s o n o f a l l k i n d s o f p o s s i b l e e l e c t r o n t r a p s . a m o d e l o f t h e m i n o r i t y c a r r i e r l i f e t i m e d a m a g e c o n s t a n t i s p r e s e n t e d . t h e m o d e l i s p r o v e d t o b e r e a s o n a b l e b y g o o d m a t c h w i t h e x p e r i m e n t a l d a t a . i n r e s p e c t o f s i c d e v i c e s , a n a n a ly t i c a l m o d e l o f 6 h - s i c j f e t t o w e l l m a t c h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i s p r o p o s e d . t h e r a d i a t i o n r e s p o n s e o f s i c j f e t i n r o o m t e m p e r a t u r e t o 3 0 0 0c i s s i m u l a t e d w i t h t h e a n al y s i s f o r t h e n e u t r o n i r r a d i a t io n e f f e c t s u c h a s c a r r i e r r e m o v al , m o b i l i t y d e g r a d a t i o n a n d s p a c e c h a r g e d e n s i t y d e c r e a s e . t h e d e g r a d a t i o n o f t h e e l e c t r i c al c h a r a c t e r i s t i c s i n s i c p n j u n c t i o n s i r r a d i a t e d b y n e u t r o n i s a t t r i b u t e d t o t h e r e c o mb i n a t i o n c e n t e r s a n d t h e e l e c t r i c f i e l d e ff e c t o n t h e t h e r m a l e m i s s i o n o f t r a p s w it h i n t h e d e p l e t i o n r e g i o n . t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e i d e a l i t y f a c t o r t o t h e a p p l i e d v o l t a g e i s t h e o r e t i c a l l y s t u d i e d . a m o d e l o f t h e s i c p n j u n c t i o n s i r r a d i a t e d b y n e u t r o n i s p re s e n t e d . s i c材料和器件特性及其辐照效应的研究 t h e e ff e c t s o f r a d i a t i o n i n d u c e d o x i d e t r a p p e d c h a r g e a n d s i c / s i o , i n t e r f a c e s t a t e d e n s it y o n i n v e r s i o n l a y e r m o b i l i t y i s s t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y . f i r s t l y , a n e w i n t e r f a c e r o u g h n e s s s c a t t e r i n g m o d e l i s d e v e l o p e d u s i n g e x p o n e n t i a l a u t o c o v a r i a n c e fu n c t i o n s . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e e l e c t r o n m o b i l i t y c a l c u l a t e d u s i n g t h e e x p o n e n t i a l m o d e l a r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e e x p e r i m e n t d a t a . t h e n , a c o m p r e h e n s i v e a n a l y t i c a l m o d e l i m c u u l u i n b s c a i te r i n g i n 6 h - s i c l i v e i s i u n l a y e r s i s p r e s e n t e d c o n s i d e r i n g a l l t h e c o u l o m b e ff e c t s o f t h e c h a r g e d - c e n t e r s n e a r t h e s i c / s o 2 i n t e r f a c e . t h i s m o d e l t a k e s i n t o a c c o u n t t h e e ff e c t s o f t h e c h a r g e d - c e n t e r s c o r r e la t i o n . f i n a l l y , t h e e l e c t r o n m o b i l i t y i n 6 h - s i c i n v e r s i o n l a y e r s i s s t u d i e d b y s i n g l e - p a r ti c l e mo n t e c a r l o t e c h n i q u e . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s f i t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a v e r y w e l l . t h e s t u d y s h o w s t h a t c o u l o m b s c a t t e r i n g b e c o m e s m o r e i m p o rt a n t a t l o w t r a n s v e r s e - e l e c t r i c f i e l d a n d b o t h t h e d e n s i t y a n d t h e d i s t r i b u t i o n o f c h a r g e d - c e n t e r s p l a y a n i m p o rt a n t r o l e in e l e c t r o n t r a n s p o rt i n s i c i n v e r s i o n l a y e r s . t h e r a d i a t i o n r e s p o n s e a n d e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s o f 6 h - s i c mo s s t r u c t u r e i s s t u d i e d w i t h e x p e r i m e n t f o r t h e f i r s t t i m e . i t i s f o u n d t h a t t h e m a i n e l e c t r o n i c c o n d u c t i o n m e c h a n i s m i n t h e h i g h f i e l d r e g i o n s o f t h e i n c h a r a c t e r i s t i c s i s i d e n t i f i e d t o b e f o w l e r - n o r d h e i m t u n n e l i n g . t h e e ff e c t o f y r a y o n s i c m o s c - v c h a r a c t e r i s t i c s d e p e n d s s t r o n g l y o n t h e b i a s v o l t a g e a p p l i e d t o t h e g a t e e l e c t r o d e d u r i n g i r r a d i a t i o n . t h e f a c t t h a t i o n i z a t i o n r a d i a t i o n e ff e c t b e c o m e s m o r e n o t a b l e a t h i g h o x i d e e l e c t r i c f i e l d i n d i c a t e s t h a t t h e g e n e r a t i o n o f r a d i a t i o n i n d u c e d c h a r g e - c e n t e r s n e a r s i c / s i o z i n t e r f a c e a n d i n g a t e o x i d e u n d e r h i g h e l e c t r i c f i e l d i s h i g h e r t h a n t h a t u n d e r l o w e l e c t r i c f i e l d . s i c mo s s t r u c t u r e h a s a m o r e s i g n i f i c a n t t o l e r a n c e t o y r a y s t h a n s i mo s s t r u c t u r e . k e y w o r d s : s i c i r r a d i a t i o n m o n t e c a r l o m o b i l it y m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n i n c o m p l e t e i o n i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名: 为也夕 象 日 期7 , 0 0 ) . 1 . 1 0 关于论文使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即:学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或 部分内容， 可以 允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本人签名 导师签名二 浅 吧 瘩 : 军耘年 日 期 7 刃 0 1 . 1 . 1 0 日期 e 2 e n / , l o 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 s i c的研究与进展 1 . 1 . 1 s i c的特性及研究意义 随着科学技术的发展，人们对电子系统提出了越来越高的抗辐照要求。核爆 炸时所产生的中子辐照会造成半导体器件的永久损伤，y 射线会导致存储器中的 信号被抹掉或使逻辑运算产生错误1 .2 5 1 。空间和航天技术使人们在外层空间的活动 日益增多，但宇宙射线和围绕地球的范. 艾伦辐射带却时刻在向外层空间飞行用 电子系统的可靠性发出挑战。航天飞行器及核潜艇所使用核反应堆的体积由于要 受到限制，使得所使用的控制及测量设备不能得到充分的辐射屏蔽，那么提高电 子系统的抗辐射能力对于提高整个设备的运行质量和延长使用寿命就非常关键。 另外科学技术的进步还会把我们拖入更多的辐射环境中，例如近年来正在发展的 高功率微波武器的电磁辐射也会象核电磁脉冲一样引起电子器件的损伤 1.h 1 至今，如何减少微电子器件的辐照损伤，人们己提出了从材料选择到微电子 器件内的电路设计、结构设计、制作工艺等许多方面的加固技术。对抗辐照微电 子材料而言，当前研究最多、最成熟且达到实用化的还是s i ,其原因是s i 材料技 术和 s i 器件制作技术最成熟，成本最低，加固后的 s i 器件在一般辐照环境下有 生存能力。但综合考虑各种特性参数，基于s i 的传统器件在进一步改进结构设计 的基础上，虽然有可能进一步提高抗辐照能力，但是，因为材料本身的限制，不 可能再有更大的突破，所以开发新一代抗辐照的半导体器件就必须从使用的材料 入手，实现新的突破，使器件的抗辐照能力提高到一个新水平。基于这种思路， 研究者曾提出过 s o 1 技术，s o s技术，金刚石芯片技术等，但这些技术却各有优 缺点，相比之下，近几年来生长工艺日趋完善的 s i c在抗辐照领域显示出了强大 的发展潜力，s i c材料的宽禁带和高的原子临界位移能决定了其器件具有强的抗 电磁波冲击和高的抗辐射破坏的能力。如果 s i c器件结构参数能进一步优化，其 抗辐照能力有望再得到提高。 另外 s i c还具有别的好的特性，例如:它有着高的击穿电场，高的饱和电子 漂移速度和高的热导率，这些内在的优异性能决定了其非凡的用途1 1 .9 1 .2 0 1 。具体 地说，s i c材料的宽禁带使得其器件能在相当高的温度下 ( 5 0 0 以上)工作以及 具有发射蓝光的能力，s i c高的饱和电子漂移速度和低介电常数决定了器件的高 频、高速工作性能。高击穿电 场决定了器件的高压、大功率性能。高热导率意味 着其导热性能好，可以大大提高电路的集成度 1 .2 7 1减少冷却散热系统，从而大大 减少电子整机的体积。美国就将要通过使用比s i 和 g a a s 更耐高温且可工作在高 s i c材料和器件特性及其辐照效应的研究 频和大功率条件下的s i c器件，以 达到提高f 2 2战斗机飞行控制系统的可靠性， 减轻飞机重量和减小其对环境控制系统依赖性的目的。c r e e 公司采用 s i c研制了 可在各种发动机内部工作的紫外光敏二极管，用于监测汽车，飞机，火箭等发动 机的燃烧状态，并与 s i c高温集成电路一起构成控制系统，结果显著提高了发动 机的工作效率，节省了能源并减少了污染。把s i c mp s 应用于电动机车的功率驱 动部分中，就可以减少电能耗损，用十航大功率系统中，就 l 以减少或取消冷却 用的机械电子系统。 从晶体结构上说，s i c晶体具有强的共价键结构，这种结构中的每个原子被 四个异种原子所包围，这反映出其能量的稳定性，使它具有高的化学稳定性和高 的硬度。s i c最显著的特性是存在同质多形体现象。s i c多形体种类非常多，人 们己经发现的就有近 2 0 0种。s i c多形体因其 s i -c原子对堆垛排序的不同而各 异， s i c多型体常被划分为三种基本的结构类型， 即立方密堆积的闪锌矿结构( c ) , 六角密堆积的纤锌矿结构 ( h)和菱形结构 ( r ) o .s lp , i l o 为了说明半导体材料特性对器件的影响，常用品质因数表示所选用材料的优 势， k e y e s 品 质因 数k f m主要考虑了 晶 体管的开 关速度和热极限， j o h n s o n 品 质 因数j f m 考虑了晶 体管的频率和功率特性， b a l i g a 推导了 关于功率 f e t开态电 阻的品质因素 b f m，考虑到在高频应用时的关断损耗，他又提出了功率 f e t的 高 频品质因素b h f m, s h e n a l 针对热导率对器件性能的影响给出了品质因数q x i 表 1 . 1 是 用品 质因 数 来 评 价几 种半导 体材 料的 结 果( 表中: e 。 为击穿电 场， v ， 为 电 子饱和漂移速度，入 为热导率，e 为介电 常数，1 ! 。 为电 子迁移率， c为真空中 的光速) 。由表 1 . 1 1 1 8 1可以看出，综合分析，s i c材料的性质仅次于金刚石，远优 于s i , g a a s 等材料。s i c材料还具有能热生长本征氧化层的优点，这就为用 s i c 材料制备mo s 器件创造了条件。 表 1 . 1 儿种半导体材料对 s i 的归一化品质因素 j f m= ( e , v , / 2 1 c ) x kf m= a ( c v ,/ 2 n ) o .5 bf m= “ ,e bhf m= 11 。 e c q f i - 入 ii . e , 3 s i111 ge0 . 1 3 0 .2 8 一0 .0 5 ga as1 10 . 4 52 81 69 . 4 ga p3 70 . 7 31 63 . 89 . 4 i n p1 30 . 7 21 06 . 62 6 3 c - s i c1 1 05 . 84 0 1 2 11 3 0 4 h- s i c41 05 . 42 9 0 3 41 9 5 0 6 h- s i c2 6 05 . 19 01 33 0 0 金刚石 5 3 3 0311 4 8 6 01 0 8 0 1 9 8 1 0 0 在寻求新一代抗辐照半导体材料的同时，研制耐高温，大功率和高频的半导 体器件是9 0 年代以来微电子领域研究的热点，s i c作为第三代半导体是目 前发展 最成熟的宽禁带半导体材料，其优异的性能顺应了时代的要求，s i c器件会在航 第一章绪论 空，航天，石油勘探，核能，汽车及通信等领域发挥重要作用p .1 s 1 . 1 .2 s i c材料和器件的 发展现状 半导体先驱s h o c k l e y曾预见到了s i c的重要应用， 他在 1 9 5 9年第一届国际 s i c会议上就指出: “ 生长出大尺寸 s i c单晶己为期不远” 。在 s i c单晶生长方面， 美国处于领先地位， 现在至少有三家公司在生产 s i c单晶片，即 n o rt h r o p g r u m m a n c r e e r e s e a r c h和a t m i .2 4 。目 前只有采用改进的l e l y籽晶升华生长 法1 .1 q 才能制备出大尺寸、性能稳定的实用 s i c单晶，这种方法是在准密闭空间内 进行的，由原料升华成 s i 和 c蒸气，在惰性气体中扩散输运，并在比原料温度 低的籽晶上达到过饱和并凝结。生长温度高是该方法的特性，也是该方法的难点。 1 9 9 7 年 8月，c r e e 公司成功地研制出直径 3 英寸的4 h - s i c晶体，代表着s i c单 晶生长的最高水平。 由于 s i c单晶制备难度较大，并受 s i c材料切割能力的限制，因此成本高， 作为对体材料的一种替代，近年来国际上开展了s i c单晶薄膜材料的外延生长技 术研究。s i c外延工艺以c v d为主，分为两种主要形式，一种是以s i c为衬底材 料的同质外延生长，美国n a s a l e n s t 研究中心研究表明，在6 h - s i c衬底上1 4 5 0 可外延高质量的 3 c - s i c ，关键是 s i c衬底的倾角控制。另一种是以 s i 和蓝宝 石为衬底材料的异质外延生长。异质外延的优点是可以选择便宜并且工艺很成熟 的衬底，从而大幅度降低 s i c器件的成本。异质外延一般采用两部法生长，即需 要先在s i 或蓝宝石衬底上淀积与s i c有良 好晶格匹配的缓冲层材料，然后再外延 生长 s i c薄膜。 s i c材料非常稳定的物理和化学性质导致了其高温生长、化学和机械处理的 困难 1 .2 6 。前苏联、美国以及日本在该领域己进行了多年研究，初步掌握了包括刻 蚀、热氧化、离子注入、欧姆接触、肖特基接触等 s i c加工工艺技术。s i c材料 掺杂可采用原位掺杂和高 温离子注入掺杂方法。原位掺杂是在材料生长期间通过 c v d技术直接将电 激活的n 型杂质和p 型杂质掺入到材料内 部。离子注入掺杂是 用n 十 或 a l + 在 5 5 0 下进行注入，并伴随 1 2 0 0 的低温退火。s i c材料的图形形 成必须采用干法刻蚀技术， 具体方法以等离子体刻蚀( p e ) 和反应离子刻蚀( r i e ) 为主，通常可获得 1 0 0 n m / m i n左右的刻蚀速率和较高的选择性。采用与 s i 工艺 类似的氧化方法可以 进行 s i c的氧化，氧化温度在 1 1 0 0 -1 1 5 0 之间，与 s i 相 比s i c 氧化速度非常 低。 l .a .l i p k in f 通过一种改 进的 氧化工艺明 显地提高了s i c 氧化层的质量， 界面态电 荷和氧化物电荷分别降到1 x 1 0 / c m 2 .e v和 1 x 1 0 2 / c m s i c反型层的沟道迁移率提高到了7 2 c m 2 / v s ， 从而使s i c的氧化接近m o s器件 水平。s i c的金属化通常采用成熟的电子束蒸发，热蒸发和溅射方法。研究认为 a u / n i c r 结构和t i / t in / p t 都是比较好的欧姆接触结构， 在s i c掺杂为1 0 ， 一1 0 8 / c m s i c材料和器件特性及其辐照效应的 研究 的 条 件下， 大多 数 接 触电 阻的 典 型 值数 量 级为1 0 - - 5 x 1 0 0 / c m . w a l d r o p 研究 发现， s i c的肖 特基势垒与 接触金属的功函数和s i c的晶面有关， 一般p 型6 h - s i c 所形成的肖 特基势垒高度在 1 . 1 7 - 2 .2 5 c v之间，n型 6 h - s i c所形成的势垒高度 在 0 . 2 8 一1 . 6 8 e v之间。 在抗辐照器件方面，j . m . m c g a r r i t y 1.z 报道了一种耗尽型 j f e t ，在总剂量 1 0 0 m r a d ( s i )的y 辐照下，器件跨导和夹断电压基本不变，2 5 时，器件特性 在 1 0 n / c m 2 的中子辐照下不发生退化，3 0 0 时，器件特性在 5 x 1 0 n / c m ， 的中 子辐照下不发生退化。 c r e e公司在高温半导体器件方面已 制成了可在 3 5 0 下工 作的m o s f e t ， 在5 0 0 0c 下i作的m e s f e t , j f e t , n p n p 晶闸管，以 及在4 0 0 0c 下工作的 b j t , p m o s i c和 n mo s i c 。在功率器件方面制成了阻断电压 9 0 0 v , 导通电 流2 . 0 a ( 1 o o o a / c m z )的4 h - s i c n p n p 晶闸管。 n o r t h r o p g r u m m a n 研制成 了阻断电压 1 .o k v - 1 .2 k v，在 1 0 0 0c开态电阻小于 7 4 s l / c m i 的 4 h - s i c 功率 u m o s f e t i i 。 在高 频器 件方面w e s t i n g h o u s e 制成了0 . 5 u m栅宽， f . , 、 为4 2 g h z , r f 增益为5 . 1 d b ( 2 0 g h z )的4 h - s i c me s f e t i z 。现在c r e e 公司已将s i c蓝光 二极管开发为产业，s i c光电器件月产可达 1 0 0 万支p .1 2 1 ，他们采用 4 h和6 h - s i c 研制成功的紫外光探测器 ( 2 8 0 n m)的最大量子效率已 达 7 5 % o d m i t r i e v等人成 功地在一块 6 h - s i c衬底上制成了蓝、绿、红三种颜色的发光二极管实现了全色 显示功能。在电路方面，p u r d u e大学的宽禁带半导体研究小组研制出了s i c的反 相器、与非门、或非门、动态寄存器、r s触发器、计数器、半加器等，这些电 路可在室温到 3 0 0 的环境中工作1 1 .14 1 。最近 c r e e公司又在开发室温开环电压增 益为1 0 0 0 0 的单片s i c c mo s 运算放大器和4 h - s i c j f e t混合集成电路。 当前国内对 s i c的研究主要集中于 s i c材料的外延生长，工艺探索和 s i c材 料、器件的特性分析。西安电子科技大学用 a p c v d法在 ( 1 0 0 ) s i 衬底上异质 外延生长了3 c - s i c薄膜，测试结果表明，3 c - s i c单晶薄膜的 s i / c比已经可以很 好地控制在 1附近1 .16 1 。另外，他们还通过在蓝宝石衬底上预淀积一层薄的 a i n 缓冲层，然后又用 a p c v d方法在蓝宝石/ a in结构上外延生长出了 6 h - s i c薄膜 1 1 ,1 1 . 1 9 9 9 年，西安理工大学p .u 11 k 道了采用热丝化学汽相淀积生长法 ( h f c v d ) , 以较低的碳化和生长温度 ( 热丝温度 1 8 0 0 -2 0 0 0 0c ,碳化和生长时衬底温度低于 1 0 0 0 ,c )在s i 衬底上外延生长3 c - s i c层获得成功。在器件方面，1 9 9 7 年西安电 子科技大学在 n 型6 h - s i c体材料上制备了欧姆接触1 .2 11 ，比接触电阻为 8 .4 x 1 0 5 q / e m 2 , 1 9 9 9年研制了 s i c肖 特基二极管1 1 .2 2 1 ，理想因子为 1 .2 3 ，肖 特基势垒高 度为 1 .0 3 e v，开启电压为 0 .5 v。他们还作出了国内第一个多晶硅栅 6 h - s i c m o s f e t 0 ， 器件漏电 流有很好的饱和特性，最大跨导为 0 .3 6 m s / m m ，沟道电 子迁移率为 1 4 c m 2 n.s 。 最近，中科院半导体所通过c v d在n型 6 h - s i c晶片上 同质外延生长出结构材料，并制备了 s i c mo s电容。经分析，6 h - s i c上有效电 第一章绪论 荷密度为4 .3 x 1 0 1 %m 2 , s i c热生长s i 0 : 的 本征击穿 场强为 1 2 . 4 mv / c m ， 这已 达 到了制作器件的要求。 1 . 2 s i c抗辐照特性分析 s i c有着很好的抗辐照特性，这表现在 s i c材料和器件的参数对辐照影响不 敏感。s i c抗辐照的另一个诱人之处在于它的高温特性和高的击穿电场，它的击 穿电场几乎为 s i 和 g a a s 的 1 0倍。利用它的击穿电场高，可以制成高掺杂的器 件以提高器件的抗中子辐照的能力。在高温下，常规器件由于迁移率的下降而导 致性能的退化，那么在高温辐照环境下，s i c器件就成了唯一的选择(1 .10 111 .19 1 1 . 2 . 1 s i c 材 料的 辐照 效 应 当半导体材料接受能量大于禁带宽度的致电离辐射的粒子照射时，一些束缚 电子会吸收入射粒子的能量，从价带激发到导带，从而产生电子空穴对。对大多 数半导体材料来说，产生一对电子空穴对所需的平均能量为其禁带宽度的 3 -5 倍。也就是说，如果半导体材料的禁带宽度大，那么在其中产生电子空穴对所需 的能量就多。表1 .2 1 1 .2 3 是s i c和s i , g a a s 的禁带宽度。 表1 . 2 s i c . s i 和g a a s 禁带宽 度的比 较 由表 1 .2可以看出，s i c的禁带宽度比 s i 和 g a a s 的禁带宽度要大的多，可 见在相同辐照条件下，辐照在 s i c中引入的电子空穴对比s i 和 g a a s 中的要少。 00 43 c d t 、 500仲日飞. 节p山 0_ 1 5 0. 2 0 . 2 5 0. 3 1 / a o 误 一 ， ) 图1 . 1 品格常数倒数与临界位移能的关系 高能粒子轰击半导体晶格，通过库仑散射，也可将其部分能量交付给晶格原 s i c材料和器件特性及其辐照效应的研究 子。 我 们 把 交 付给晶 格原子并 使它 脱 离晶 格 位 置的 最小能 量 称为 临界 位 移能 e d 材料的临界位移能其实反映了它的位移辐照特性，如果一种材料的临界位移能很 大，那么在一定能量和剂量的粒子辐照下它产生位移缺陷的可能性就小。图 1 . 1 1 1 , 1 是几种材料的临界位移能和晶格常数倒数之间的关系，由图 1 . 1可以看出，s i c 的临界位移能相对比 较大， 仅次于金刚石( c ) ，为2 1 .8 e v o 辐照引入的位移缺陷可以在半导体内部充当复合中心，从而引起少子寿命退 化。辐照所引起的少子寿命退化与辐射注量的关系为: k =一 ( z 一 咦 ( 1 一 1 ) 其中， : 。 是辐照前的少子寿命， : 是接受辐照后的少子寿命， 中 是总的辐照剂量， k , 是寿命损伤系数。从机理上来考虑， k , 是与单位剂量辐照产生的位移缺陷成正 比的， 而由 于s i c的马较大，则在相同 辐照条件下，单位剂量辐照在s i c中产生 的位移缺陷肯定比在 s i 和g a a s 中产生的少，这说明少子寿命退化在s i c中表现 不明显。 由 于辐照在半导体中引入位移缺陷对载流子的俘获，受剂量小 辐照的 n型材 料的多子( 电子) 浓度 n 可表示为: n = n 。 一 ju o ( 1 - 2 ) 其中， n o 为 材料的初始电子浓度， k n 是载流子去除率。由 表 1 .3可知， s i c的载 流子去除率相对较小。 表 1 . 3 半导体材料中子辐照的载流子去除率 材料n 型( - d n / d 中 )p 型 ( - d n fd 今 )载流子浓度( gy m ) s i c 2一 1 -1 o n s i51 0 ga as41 o m g e一33 1 0 6 辐照引入的位移缺陷还可以在半导体材料中充当散射中心，从而使多子的 迁移率退化。宏观上分析，迁移率退化与受辐照注量的关系有: 闪一 上 一 二、 ., / 1 , / a l产。 ( 1 - 3 ) 其 中 ， f l 和 f l。 分 别 为 辐 照 后 和 辐 照 前 的 迁 移 率 ， k 。 是 迁 移 率 退 化 率 。 经 计 算k ” 与 长成正比，基于和上面相同的原因，辐照在s i c中不会引起迁移率明显退化。 1 . 2 .2 s i c 器 件的 辐照效应 辐照可以 在 m o s结构 s i 0 2 / 半导 体界面感生出界面态， 它其实就是界面的 大量弱键在辐照作用下断裂成悬挂键。由于这些辐照感生界面态的存在，将会在 半导体表面感生出电 荷，其作用是使s i q/ 半导体界面电 势能发生变化， 从而导致 第一章绪论 m o s 结构的阀值电 压和平带电 压v f b 发生变化，同时还会引起表面电导率下降 和 沟道迁移率下降。图1 .2 1 显示了在开路条件下3 c - s i c和s i mos电容辐照感生 界面 态 从和y 辐照吸收剂量的 关系， 由图中 可以 看出 ， 在相同 辐照条件下， s i c m o s 电 容产生的 4 n : 要比s i mos中 产生的要少。 这是由 于s i c 在氧化时虽然伴随 着c 原子的去除，但还会在氧化层中保留一部分c原子，这些保留的c原子对减少辐 照感生的界面态有着很大作用。 1 0 1 3 r-一 一 一 - 一 一 - - 一 - - s i务 .卜.!1.lf 2口. 0l0l 省.门. 扩性v丫n心 1 0 1 o l1 0 11 1 0 1 1 0 2 吸收剂量m y ( s i 0 2 ) ) 1 0 3 图1 .2 辐照感生界面态和辐照吸收剂量的关系 中子辐照在 j f e t中引入的 位移缺陷表现在器件电参数上就是闭值电压漂移， 跨导氏和饱和电 流下降。 图1 . 3 1 .2 1 是s i c 和g a a s j f e t 跨导退化和中子辐 照的 关 系，由图中可以看出，中子对 s i c j f e t跨导退化的影响要比g a a s 小。 0 9 0. 8 0. 了 0- 6 0 5 划攀1二.d 0. 4 一-o- g a a s 一 一 1 - si 0 0. 3 “ 2 l -1 0 1 3 图 1 . 3 1 0 1 4 1 0 1 5 1 0 1 6 中 子荆jt( n / c m 2 ) 跨导i u 化与中子剂址的关系 用能量为 2 m