重離子輻照導(dǎo)致的SiC 肖特基勢(shì)壘二極管損傷機(jī)理*

彭超 雷志鋒 張戰(zhàn)剛 何玉娟 陳義強(qiáng) 路國(guó)光 黃云

(工業(yè)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(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 511370)

基于高能Ta 離子輻照研究了SiC 肖特基勢(shì)壘二極管的失效模式和機(jī)理,實(shí)驗(yàn)表明輻照過(guò)程中的反向偏置電壓是影響SiC 肖特基勢(shì)壘二極管器件失效的關(guān)鍵因素.當(dāng)器件反向偏置在400 V 時(shí),重離子會(huì)導(dǎo)致器件的單粒子燒毀,輻照后的器件出現(xiàn)了因SiC 材料熔融形成的“孔洞”;當(dāng)器件反向偏置在250—300 V 時(shí),器件失效表現(xiàn)為關(guān)態(tài)漏電流隨著離子注量增加而增加,且器件的偏壓越高,重離子導(dǎo)致的漏電增加率也越高.對(duì)于發(fā)生漏電增加的器件,基于顯微分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)了分布在整個(gè)有源區(qū)內(nèi)重離子導(dǎo)致的漏電通道.TCAD 仿真結(jié)果表明,重離子入射會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部的晶格溫度上升,且最大晶格溫度隨著偏置電壓的增加而增加.當(dāng)偏置電壓足夠大時(shí),器件內(nèi)部的局部晶格溫度達(dá)到了SiC 材料的熔點(diǎn),最終導(dǎo)致單粒子燒毀;當(dāng)偏置電壓較低時(shí),重離子入射導(dǎo)致的晶格溫度增加低于SiC 材料的熔點(diǎn),因此不會(huì)造成燒毀.但由于器件內(nèi)部最大的晶格溫度集中在肖特基結(jié)附近,且肖特基金屬的熔點(diǎn)要遠(yuǎn)低于SiC 材料,因此這可能導(dǎo)致肖特基結(jié)的局部損傷,最終產(chǎn)生漏電通路.

1 引言

相對(duì)于傳統(tǒng)的硅材料,SiC 材料具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高、耐高溫、耐輻照等優(yōu)勢(shì),在大功率應(yīng)用領(lǐng)域顯示出卓越的性能[1-3].為了達(dá)到更大的電壓容量,基于SiC 材料的功率器件厚度可以小于硅基器件[4].因此,SiC 功率可以大幅度降低功率電子系統(tǒng)的體積和重量.SiC 功率器件的大規(guī)模應(yīng)用使得電子設(shè)備變得更加輕型化和小型化,具有極廣闊的應(yīng)用前景.目前,SiC 功率器件已被納入航天發(fā)展戰(zhàn)略部署.

在航天應(yīng)用中,高能重離子是導(dǎo)致SiC 功率器件失效的一個(gè)主要來(lái)源.雖然國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了重離子輻照導(dǎo)致的SiC 功率器件的單粒子燒毀(single event burnout,SEB)現(xiàn)象[5-9],但關(guān)于SiC 功率器件中的SEB 機(jī)理仍沒(méi)有形成定論,存在較大爭(zhēng)議.Akturk 等[10]研究顯示SiC 基功率器件的SEB 來(lái)源于碰撞電離和快速熱瞬態(tài),完全不同于Si 基功率器件中的寄生雙極晶體管導(dǎo)通;而Witulski 等[11]基于Sentaurus TCAD 仿真研究認(rèn)為SiC 功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET) 的SEB 機(jī)制為寄生雙極晶體管的開(kāi)啟,繼而引起載流子雪崩電離,最終漏端電流失控導(dǎo)致SEB;還有文獻(xiàn)將SiC 功率MOSFET 器件的SEB 失效解釋為寄生雙極晶體管的開(kāi)啟和雙極晶體管的二次擊穿,但這無(wú)法解釋SiC 功率二極管中沒(méi)有任何類型的寄生晶體管,也會(huì)發(fā)生同樣的SEB 失效[12];Soelkner 等[13]則認(rèn)為SEB 是由非常強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)雪崩產(chǎn)生的局部高熱引起.除此之外,文獻(xiàn)[14-16]報(bào)道了重離子輻照下誘發(fā)的SiC功率器件泄漏電流增加的退化現(xiàn)象,該退化現(xiàn)象是SiC 功率器件所特有的,在Si 基功率器件中并未發(fā)現(xiàn)[17].目前還沒(méi)有理論可以很好地解釋該現(xiàn)象.Javanainen 等[18]認(rèn)為是沿離子徑跡產(chǎn)生的瞬態(tài)高功率引起劇烈的晶格振動(dòng),從而導(dǎo)致永久晶格損傷,然后形成泄漏電流通路.另外,有工作將泄漏電流的增加解釋為一種局部微SEB 現(xiàn)象[19],但是這些理論都無(wú)法解釋漏電增加退化只出現(xiàn)在SiC 功率器件中.

以SiC 肖特基勢(shì)壘二極管(Shottcky barrier diode,SBD)為對(duì)象,本文利用重離子輻照實(shí)驗(yàn)和TCAD 仿真進(jìn)一步探索其失效模式特征和失效機(jī)理.結(jié)合光發(fā)射顯微(emission microscope,EMMI)和聚焦離子束(focus ion beam,FIB)-掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)雙束技術(shù)驗(yàn)證了重離子輻照下SiC-SBD 器件不同失效模式的顯微特征.基于TCAD 仿真分析了不同失效模式的物理機(jī)制.本文提出的失效機(jī)理解釋了為什么重離子導(dǎo)致的關(guān)態(tài)漏電流增加退化只出現(xiàn)在SiC 基功率器件中,而沒(méi)有在Si 基功率器件中觀察到.

2 實(shí)驗(yàn)描述

實(shí)驗(yàn)樣品選用泰科天潤(rùn)公司的SiC 結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(G3S12005A,1200V,5A),所有器件均采用TO-220AC 封裝.重離子輻照在蘭州重離子加速器上進(jìn)行,輻照使用初始能量為2443.5 MeV的181Ta 離子.為保證重離子能夠進(jìn)入器件有源區(qū),全部器件在輻照前都要進(jìn)行開(kāi)封處理,如圖1(a)所示.所有開(kāi)封后的器件都要測(cè)試其電學(xué)特性,確保器件性能正常.圖1(b)顯示了實(shí)驗(yàn)用SiC-SBD器件開(kāi)封后的切面SEM 圖,可以看到,Ta 離子在入射到器件中需穿透Si3N4,SiO2,Al,肖特基金屬接觸才能進(jìn)入SiC 有源區(qū).根據(jù)SRIM 軟件[20]計(jì)算Ta 離子在SiC 材料中的射程為97.34 μm,該離子可以貫穿整個(gè)器件的有源區(qū)進(jìn)入襯底,且在器件中的線性能量傳輸(linear energy transfer,LET)值為81.3 MeV·cm2/mg.

圖1 實(shí)驗(yàn)用SiC-SBD 器件 (a) 開(kāi)封后的光學(xué)顯微鏡頂視圖;(b) 截面SEM 圖Fig.1.Device of SiC-SBD used in our experiment: (a) Top view of optical microscope after de-capsulated;(b) SEM diagram of cross-section.

整個(gè)重離子輻照在線測(cè)試布局如圖2 所示,全部待測(cè)器件安裝在偏置板上,調(diào)整偏置板的位置保證重離子從正面垂直入射到待測(cè)器件,每次只有一個(gè)器件接受輻照.重離子束斑面積為2 cm×2 cm,可以覆蓋單個(gè)器件的整個(gè)有源區(qū).輻照時(shí),通過(guò)Keithley 2410 高壓源表給輻照器件加電.待測(cè)器件偏置在關(guān)態(tài),即陰極加高電壓,陽(yáng)極接地;高壓源表同時(shí)實(shí)時(shí)采集器件關(guān)態(tài)電流發(fā)送到上位機(jī).測(cè)試人員位于測(cè)試間,通過(guò)長(zhǎng)網(wǎng)線控制上位機(jī),在線測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)關(guān)態(tài)電流突然激增時(shí),則認(rèn)為發(fā)生SEB.此時(shí),將高壓源表連接到下一個(gè)待測(cè)器件,開(kāi)始下一輪輻照,輻照過(guò)程中選定了不同的電壓偏置條件.選用的重離子注量率為1000 cm—2·s—1.

圖2 重離子輻照在線測(cè)試布局Fig.2.On-line test layout of heavy ion irradiation.

輻照后對(duì)所有失效樣品進(jìn)行EMMI 分析,EMMI 測(cè)試在Hamamatsu PHEMOS-1000 系 統(tǒng)上進(jìn)行,該系統(tǒng)可以通過(guò)檢測(cè)微弱的光發(fā)射信號(hào)來(lái)精確定位SiC-SBD 器件中的失效位置.使用Thermo Fisher Scientific 公司的Helios G4CX FIB-SEM雙束系統(tǒng)對(duì)失效位置制樣并進(jìn)行顯微觀察.首先通過(guò)大束流Ga 離子在失效位置刻蝕出剖面,然后通過(guò)小束流條件對(duì)剖面進(jìn)行拋光,最后通過(guò)SEM 獲得剖面微觀形貌.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 輻照過(guò)程中的電流在線測(cè)試

圖3 顯示了不同偏置電壓輻照過(guò)程中,SBD 器件關(guān)態(tài)漏電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果,保持重離子注量率為1000 cm—2·s—1.當(dāng)器件偏置在200 V 及以下時(shí),器件關(guān)態(tài)漏電流在整個(gè)輻照過(guò)程中保持穩(wěn)定;當(dāng)器件偏置電壓增加到250 V 時(shí),器件關(guān)態(tài)漏電流在重離子開(kāi)束的同時(shí)出現(xiàn)增加.在整個(gè)輻照過(guò)程中,關(guān)態(tài)漏電流隨時(shí)間呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì),電流的增加率為2.24 × 10—9A/s.偏置電壓為300 V 時(shí),同樣觀察到了重離子導(dǎo)致的器件關(guān)態(tài)漏電流增加.但此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流增加率為3.13 × 10—8A/s,相比偏置電壓為250 V 的情況增加了1 個(gè)數(shù)量級(jí).

圖3 不同偏置電壓Vbias 輻照過(guò)程中,器件關(guān)態(tài)漏電流隨時(shí)間的 變化關(guān) 系 (a) Vbias=100—300 V;(b) Vbias=400 VFig.3.Off-state leakage current as a function of time during irradiation under different biases Vbias: (a) Vbias=100—300 V;(b) Vbias=400 V.

對(duì)于偏置電壓為400 V 的器件,當(dāng)重離子的總注量達(dá)到104cm—2時(shí),發(fā)生了SEB,如圖3(b)所示,關(guān)態(tài)漏電流突然激增并被高壓源表限流在21 mA;同時(shí),反向電壓由400 V 下降為5 V,失去了高壓阻斷能力.這表明重離子輻照過(guò)程中SiC-SBD 器件的反向偏置電壓是影響其失效的關(guān)鍵因素.在偏置電壓較低時(shí),SiC-SBD 器件的退化模式為關(guān)態(tài)漏電流增加;只有當(dāng)偏置電壓足夠大時(shí),該器件才出現(xiàn)SEB,這與文獻(xiàn)[16]的報(bào)道一致.此外,較高的偏置電壓還會(huì)加劇SBD 器件的關(guān)態(tài)漏電流增加退化.在相同的離子注量率下,偏置電壓越高,器件的漏電流增加越顯著.

3.2 輻射導(dǎo)致的器件損傷微觀形貌特征

圖4 顯示了輻照后器件的EMMI 測(cè)試結(jié)果.在偏置電壓為2 V,漏電流為283 μA 時(shí),通過(guò)EMMI測(cè)試分析可以定位到發(fā)生SEB 器件的損傷區(qū)域,如圖4(a)所示.損傷區(qū)域的顯微圖像表明,由于SEB 過(guò)程中的熱失控,SBD 器件中出現(xiàn)了一個(gè)直徑大約為15 μm 的圓形熔融“空洞”,見(jiàn)圖5(a).這表明在SEB 過(guò)程中,器件內(nèi)部的局部溫度達(dá)到了SiC 材料的熔點(diǎn).利用FIB 對(duì)不同位置處的切面制樣并獲取其微觀形貌,如圖5(b)—(f)所示,可以看到SEB 形成的熔融“空洞”近似為圓錐體,其最深處在肖特基結(jié)以下10 μm 附近,正好對(duì)應(yīng)SiC-SBD器件的n—偏移層/n+襯底結(jié)處.

圖4 輻照后器件的EMMI 測(cè)試結(jié)果 (a) SEB 的器件;(b)關(guān)態(tài)漏電增加的器件Fig.4.EMMI analysis results for the irradiated devices:(a) Device of SEB;(b) device with leakage current increase.

圖5 發(fā)生SEB 的SBD 器件的失效區(qū)域SEM 圖像 (a) 頂視圖;(b)—(f) 分別對(duì)應(yīng)位置1—5 處的截面圖Fig.5.SEM images of failure area for SBD device with SEB: (a) Top view;(b)—(f) cross-section image corresponding to the line 1—5,respectively.

對(duì)于輻照過(guò)程中出現(xiàn)了關(guān)態(tài)漏電流增加的器件同樣開(kāi)展了EMMI 分析,測(cè)試條件為偏置電壓500 V,漏電流516 μA.結(jié)果如圖4(b)所示,未觀察到標(biāo)識(shí)失效位置的光發(fā)射信號(hào).這可能是因?yàn)樵撌Ｊ较聯(lián)p傷位置的漏電流很小,對(duì)應(yīng)的光發(fā)射信號(hào)也很弱,因此SiC-SBD 器件正面的金屬布線會(huì)覆蓋微弱的光發(fā)射信號(hào),導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)失效定位.基于此,可以通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光研磨剝離掉部分背面金屬,從器件背面開(kāi)展EMMI 分析.圖6 顯示了關(guān)態(tài)漏電增加器件背面的EMMI 測(cè)試結(jié)果,其中輻照總注量7.8 × 105cm—2,測(cè)試條件為偏置電壓500 V,漏電流516 μA.由圖6 可以看到,代表?yè)p傷區(qū)域的“光斑”均勻分布在除鍵合線區(qū)域外的整個(gè)SiC 器件有源區(qū).根據(jù)SRIM 軟件計(jì)算Ta離子在鋁鍵合線中的射程約為125 μm,器件正面鍵合線的厚度要遠(yuǎn)大于Ta 離子的射程.這意味著當(dāng)Ta 離子從器件正面入射時(shí),Ta 離子不能穿透鍵合線,從而使得鍵合線下方的器件有源區(qū)免受損傷.進(jìn)一步證明損傷是由重離子撞擊引起的,而且損傷只存在于Ta 離子入射的局部區(qū)域內(nèi).圖6(b)為漏電損傷區(qū)域的局部放大圖,EMMI 分析中的每個(gè)“光斑”對(duì)應(yīng)于重離子引入的陰極和陽(yáng)極之間的電流泄漏通道,光斑亮度代表泄漏電流的強(qiáng)度.有些“光斑”比其他的亮,表明不同泄漏通道的電導(dǎo)率并不完全相同.在圖6(b)顯示的320 μm × 432 μm的區(qū)域內(nèi),統(tǒng)計(jì)漏電通道數(shù)(即EMMI 分析中的“光斑”數(shù))大約為148 個(gè).假設(shè)重離子完全均勻分布,則入射到該區(qū)域的重離子數(shù)大約為1078 個(gè),顯然漏電通道數(shù)要遠(yuǎn)低于入射的重離子數(shù).造成該現(xiàn)象的原因可能是部分離子由于沒(méi)有入射到敏感區(qū)域而不會(huì)導(dǎo)致漏電通道.

圖6 (a) 關(guān)態(tài)漏 電增加 器件背面的EMMI 測(cè)試結(jié)果;(b) 320 μm×432 μm 區(qū)域的局部放大圖(圖(a)紅色虛線范圍)Fig.6.(a) Back-side EMMI analysis result for the irradiated device with leakage current increase;(b) enlarged view of 320 μm×432 μm area (Area surrounded by the red dotted line in Fig.(a)).

利用FIB 對(duì)漏電損傷區(qū)域切面制樣并獲取其微觀形貌,如圖7(a)所示.與輻照前圖7(b)所示的器件對(duì)比,在SEM 下未觀察到明顯的形貌差異,也未觀察到類似SEB 的材料熔融現(xiàn)象.圖8 給出了發(fā)生漏電增加器件輻照前后的I-V特性曲線對(duì)比.輻照后器件的反向漏電流明顯增加,但未觀察到正向特性的改變,這意味著器件肖特基勢(shì)壘未發(fā)生明顯退化.

圖7 器件截面SEM 形貌圖 (a) 輻照后發(fā)生漏電增加的器件;(b) 未輻照器件Fig.7.SEM morphology of the device cross-section: (a) The irradiated device of leakage current increasing;(b) pristine device.

圖8 發(fā)生漏電增加器件輻照前后的I-V 特性曲線Fig.8.I-V characteristics of the device with the leakage current increase before and after irradiation.

3.3 基于TCAD 仿真的失效機(jī)理

為進(jìn)一步研究重離子導(dǎo)致的SiC-SBD 的失效機(jī)理,本文利用Sentaurus TCAD 工具開(kāi)展了二維器件仿真[21].基于已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)[7,9,22]和反向工程中獲取的器件信息生成器件仿真結(jié)構(gòu),如圖9 所示.仿真過(guò)程中使用的模型包括載流子漂移-擴(kuò)散模型、產(chǎn)生復(fù)合模型(Shockley-Read-Hall 模型和Auger 模型)、載流子遷移率模型(摻雜依賴模型和高電場(chǎng)飽和模型).除了這些基本的物理模型外,還考慮了SiC 材料的不完全電離和各向異性.通過(guò)碰撞電離模型模擬SiC 功率SBD器件的雪崩擊穿行為,考慮了因大電流密度導(dǎo)致的晶格熱過(guò)程.仿真過(guò)程中,SBD 器件處于反向偏置狀態(tài),輻射粒子從器件陽(yáng)極垂直入射.為與輻照實(shí)驗(yàn)保持一致,仿真中離子LET 值設(shè)為0.54 pC/μm,對(duì)應(yīng)SiC 材料約為81 MeV·cm2/mg.離子的射程設(shè)置為30 μm,可以貫穿SBD 器件的n 型漂移區(qū).通過(guò)改變SBD 的反向偏置電壓來(lái)研究影響器件失效的因素.

圖9 顯示了不同反向偏壓下輻射離子入射SBD 導(dǎo)致的陰極瞬態(tài)電流密度和最大晶格溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系.輻射離子均從距離器件中心3 μm處入射,離子穿過(guò)肖特基金屬后會(huì)經(jīng)過(guò)p+/n—結(jié)區(qū)進(jìn)入n 型漂移區(qū).對(duì)應(yīng)不同的電壓偏置條件,當(dāng)輻射離子在100 ps 入射時(shí),因輻射離子電離和碰撞電離產(chǎn)生的電子被收集,在陰極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)電流脈沖.其中,反向偏置電壓越大,器件內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度越大,則碰撞電離強(qiáng)度越大,因碰撞電離電荷收集而產(chǎn)生的陰極瞬態(tài)電流也越大.當(dāng)器件偏置在200 V 及以下時(shí),輻射產(chǎn)生的陰極瞬態(tài)電流在離子入射后逐漸趨于0,其導(dǎo)致的器件最大晶格溫度在700 K 左右,如圖9(b)所示.這一溫度遠(yuǎn)低于器件內(nèi)部各材料的熔點(diǎn),不會(huì)引起材料的損傷導(dǎo)致器件的失效.

圖9 不同反向偏壓下離子入射導(dǎo)致的(a)陰極瞬態(tài)電流密度和(b)最大晶格溫度隨時(shí)間的變化Fig.9.(a) Transient current density and (b) maximum lattice temperature as a function of time when heavy ion strikes under the different bias voltages.

當(dāng)器件偏置在250 V 及以上時(shí),輻射誘生的陰極瞬態(tài)電流遠(yuǎn)高于200 V 偏置時(shí)的情況,且在離子入射后的20 ns 內(nèi)維持在一個(gè)較高的水平.對(duì)應(yīng)的SBD 反向偏置電壓Vr=850 V 時(shí),由離子入射SBD 導(dǎo)致的沿離子徑跡上的電場(chǎng)分布見(jiàn)圖10(a).可以看到,在離子入射的10 ps 內(nèi),靠近肖特基結(jié)的p+區(qū)發(fā)生了穿通.強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的大量碰撞電離電子注入n 型漂移區(qū)形成了負(fù)空間電荷區(qū),導(dǎo)致電場(chǎng)峰值由p+/n—結(jié)轉(zhuǎn)移到n—漂移區(qū)/n+襯底結(jié),峰值電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了3 mV/cm.n—/n+結(jié)附近的強(qiáng)電場(chǎng)直接觸發(fā)了雪崩倍增,導(dǎo)致陰極關(guān)態(tài)電流激增.仿真結(jié)果表明,在離子入射后的0.4—10.0 ns 內(nèi),碰撞電離區(qū)會(huì)逐漸集中在漂移/襯底結(jié)處并起主導(dǎo)作用.碰撞電離產(chǎn)生的大注入效應(yīng)同時(shí)能維持住漂移/襯底結(jié)附近的強(qiáng)電場(chǎng),從而形成正反饋的雪崩倍增,導(dǎo)致器件瞬態(tài)電流維持在一個(gè)較高的水平.隨著陰極關(guān)態(tài)電流的增加,SBD 內(nèi)部最大晶格溫度也逐漸增加,大約1 ns 時(shí)達(dá)到3000 K 以上.此時(shí)器件內(nèi)部的最高晶格溫度達(dá)到SiC 材料的熔點(diǎn),最終會(huì)導(dǎo)致器件中SiC 材料的熱損傷,發(fā)生SEB.圖11 顯示了仿真得到的離子入射后SiC-SBD 內(nèi)部的晶格溫度分布.晶格溫度的升高首先出現(xiàn)在沿離子徑跡的肖特基結(jié)界面附近.在離子入射400 ps 后,晶格溫度上升區(qū)域開(kāi)始蔓延到n—/n+結(jié)區(qū).在10 ns 時(shí),以離子入射徑跡為中心的高晶格溫度區(qū)幾乎覆蓋整個(gè)漂移區(qū).值得注意的是,最大晶格溫度點(diǎn)位于離子入射處的肖特基結(jié)界面附近,其次為n—/n+結(jié)附近.可以推斷,這是SEB 事件中SBD 器件最早出現(xiàn)損傷的區(qū)域,與失效分析中觀察到的SEB 區(qū)域的微觀形貌一致(見(jiàn)圖5),高溫導(dǎo)致的熔融區(qū)域由肖特基結(jié)延伸到n—/n+結(jié)附近.

圖10 離子入射SBD 導(dǎo)致的沿離子徑跡上的電場(chǎng)分布仿真 (a) Vr=850 V;(b) Vr=250 VFig.10.Simulated electric field as a function of distance along the ion track: (a) Vr=850 V;(b) Vr=250 V.

圖11 重離子入射不同時(shí)間后SiC-SBD 器件內(nèi)部的晶格溫度分布 (a) 400 ps;(b) 1 ns;(c) 5 ns;(d) 10 nsFig.11.Simulation of lattice temperature in SiC-SBD after the heavy ion incidence at different times: (a) 400 ps;(b) 1 ns;(c) 5 ns;(d) 10 ns.

對(duì)于器件反向偏置在250 V 的情況,離子入射后沿離子徑跡上的電場(chǎng)分布如圖10(b)所示.在離子入射400 ps 后,由于大量碰撞電離電子注入n型漂移區(qū)導(dǎo)致在漂移/襯底結(jié)形成一個(gè)電場(chǎng)峰值.但漂移/襯底結(jié)處的峰值電場(chǎng)無(wú)法維持.在離子入射5 ns 時(shí),SBD 器件內(nèi)部電場(chǎng)完全恢復(fù)到輻照前的狀態(tài).這意味著此時(shí)輻射粒子的入射未觸發(fā)正反饋的雪崩倍增,最終也不會(huì)導(dǎo)致SEB 效應(yīng).但是,盡管不會(huì)誘發(fā)SEB,器件內(nèi)部的最大晶格溫度仍然能達(dá)到2300 K.該溫度雖然未達(dá)到SiC 材料的升華溫度(約3000 K),但高于肖特基金屬的熔點(diǎn)(Ti 的熔點(diǎn)約為2040 K,Al 的 熔點(diǎn)約為930 K).根據(jù)圖11 的結(jié)果可知,器件內(nèi)部最大晶格溫度正好集中在肖特基金屬/p+區(qū)界面附近.2300 K 的高溫雖然不會(huì)導(dǎo)致SiC 的熔融,但會(huì)導(dǎo)致肖特基結(jié)的局部損傷.這可能是SiC-SBD 在輻照后未出現(xiàn)SEB 但出現(xiàn)關(guān)態(tài)漏電流增加的原因.需要注意,由于重離子輻照導(dǎo)致的局部損傷區(qū)域相對(duì)于整個(gè)肖特基結(jié)面積非常小,對(duì)肖特基勢(shì)壘的影響可以忽略不計(jì),因此未觀察到正向?qū)ㄌ匦缘淖兓?圖8).

綜上所述,隨著器件反向偏置電壓的增加,離子入射后導(dǎo)致的器件內(nèi)部最大晶格溫度也隨之增加.由于SiC-SBD 器件中,SiC 材料的熔點(diǎn)要遠(yuǎn)高于肖特基金屬等其他材料的熔點(diǎn).當(dāng)器件偏置在250—350 V 之間時(shí),輻射粒子入射導(dǎo)致的晶格溫度增加達(dá)到了肖特基金屬的熔點(diǎn),但低于SiC 材料的熔點(diǎn),因此不會(huì)造成SEB,只會(huì)導(dǎo)致肖特基結(jié)的局部損傷,產(chǎn)生漏電通路;而當(dāng)器件偏置在350 V以上時(shí),離子入射導(dǎo)致的晶格溫度增加達(dá)到了SiC材料的熔點(diǎn),于是誘發(fā)了器件的SEB.這也可以解釋為什么重離子導(dǎo)致的關(guān)態(tài)漏電流增加退化只出現(xiàn)在SiC 基功率器件中,而沒(méi)有在Si 基功率器件中觀察到.Si 材料的熔點(diǎn)約為1680 K,這與肖特基金屬的熔點(diǎn)相當(dāng).這意味著肖特基金屬不會(huì)在SEB前發(fā)生損傷,即不會(huì)出現(xiàn)泄漏電流增加的退化模式.當(dāng)器件內(nèi)部的晶格溫度足夠高時(shí),直接導(dǎo)致了Si 材料的熔融,發(fā)生SEB.

4 結(jié)論

本文針對(duì)SiC 肖特基功率二極管開(kāi)展了重離子輻照實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明輻照過(guò)程中的反向偏置電壓是影響SiC-SBD 器件失效的關(guān)鍵因素.在高偏壓下,重離子會(huì)導(dǎo)致器件的SEB.燒毀區(qū)域的顯微圖像顯示,SBD 器件中出現(xiàn)了一個(gè)近似圓錐體的熔融“孔洞”,該“孔洞”的上表面直徑約為15 μm,向下延伸到SiC-SBD 器件的n—偏移層/n+襯底結(jié)處.在較低偏壓下,重離子會(huì)導(dǎo)致器件的關(guān)態(tài)漏電流增加.通過(guò)EMMI 分析觀察到了重離子導(dǎo)致的分布在整個(gè)有源區(qū)內(nèi)的漏電通道.TCAD 仿真結(jié)果表明,在低偏壓下重離子入射雖然不會(huì)誘發(fā)正反饋的雪崩倍增,但瞬態(tài)大電流同樣會(huì)導(dǎo)致局部晶格溫度增加,且最大的晶格溫度集中在肖特基結(jié)附近.輻射粒子入射導(dǎo)致的晶格溫度增加低于SiC 材料的熔點(diǎn),因此不會(huì)造成SEB,但可能導(dǎo)致肖特基結(jié)的局部損傷,產(chǎn)生漏電通路.

感謝蘭州重離子研究裝置(HIRFL)為本論文研究提供的實(shí)驗(yàn)條件.