高温湿氧工艺4H-SiC MOS电容与SBD的质子辐照效应研究

发布时间：2020-06-20 16:02

【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SiO_2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,在我们较关注的氧化层、SiO_2/SiC界面和外延层能量沉积基本均匀。在SiO_2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SiO_2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,因此我们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、SiO_2/4H-SiC界面态降低。关于界面态我们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J_0和隧穿电流J_T均增大,同时缺陷充当复合中心也使复合电流J_W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。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

照片,串列,北大,静电

另一个关键参数就是粒子的能量。通过文献调研和 SRIM 仿真对半导体材料的损伤越小，所以，为了明显地观察辐照损伤影的能量，而 5MeV 的质子入射到样品 MOS 结构中，刚好停留注的氧化层和外延层，引入的损伤比较均匀。所以本章主要研剂量的质子对湿氧氧化的 4H-SiC MOS 电容的影响。照实验在北京大学重离子物理研究所，使用 EN 串列静电加速所示。首次实验主要是基础性规律研究，采用三种样品在同一进行实验。质子能量为 5 MeV，辐照剂量分别为：5×1012cm-2、5，各个剂量对应的辐照时间分别是 7 min、70.55 min、7.53 h。在氧化退火工艺中不同的 NO 退火时间对质子辐照效应的影响采用 5MeV 的质子，辐照剂量为 2×1013cm-2，为了排除不同批影响，分析实验结果时，我们对两组数据分别进行处理分析。偏置下进行。图 3.6 是辐照实验中器件的摆放位置，中间直径用来检测打过去的粒子数，从而检测质子的剂量。

【参考文献】