SiC抗輻照特性的分析.doc

SiC抗辐照特性的分析 尚也淳　张义门　张玉明 　　摘要：　用半导体抗辐照的机理说明了SiC材料具有良好的抗辐照特性．实验数据的对比表明，SiC在器件发光二极管(LED)，结型场效应晶体管(JFET)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)上对辐照影响不敏感．从原理上预测了SiC集成电路的单粒子反转(SEU)截面，结果说明SiC集成电路具有好的抗SEU能力．　　关键词：　碳化硅；辐照；材料；器件　　中图分类号：TN304.0　　文献标识码：A　　文章编号：1001-2400(1999)06-0807-04 Analysis of the SiC irradiation resistance SHANG Ye-chun，　ZHANG Yi-men，　ZHANG Yu-ming(Research Inst. of Microelectronics, Xidian Univ., Xi′an　710071， China) 　　Abstract:　SiC has high irradiation resistance. Its performance will not be changed remarkably by ionization and atomic displacement. The results of some experiments show that SiC devices such as LED, JFET and MOSFET are not sensitive to irradiation. The predication of the SEU cross section of the SiC integrated circuit indicates that the SiC IC is resistant to the SEU effect.　　Key Words:　SiC；irradiation；device；material 　　半导体器件受到高能电子、质子、中子或γ射线照射时就会产生辐照损伤，辐照对半导体材料性能的影响主要与它在半导体中引起的电离和原子位移有关．随着集成电路集成度的提高和单元线度的缩小，单粒子效应等辐照效应变得越来越突出，这些都向Si半导体器件的应用提出了挑战．SiC有着大的禁带宽度和高的临界位移能，SiC器件比Si和GaAs器件的抗辐照特性更好．结合SiC良好的抗辐照特性和它的技术发展趋势来看，SiC将成为一种有前途的抗辐照材料．　　文中分别从SiC的材料特性和器件方面论述了SiC抗辐照的优越性，同时结合辐照环境中集成电路当前面临的单粒子效应，说明了SiC材料的应用将能够很好地解决这些问题． 1　SiC材料的辐照效应　　辐射与半导体材料的相互作用表现为两种主要方式，一是电子过程(电离和激发)，另一是原子过程．电子过程会在材料体内产生瞬态扰动，如电导率的瞬态增加以及半永久性的表面效应．原子过程的结果使晶格内原子产生位移，从而给半导体材料造成永久性损伤．1.1　电子过程　　当半导体材料接受能量大于禁带宽度Eg的致电离辐射的粒子照射时，一些束缚电子就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．对于大多数半导体材料，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．由表1可以看出，SiC的禁带宽度比Si和GaAs的禁带宽度要大得多，可见在相同辐照条件下，辐照粒子在SiC中引入的电子空穴对少． 表1　SiC，Si和GaAs禁带宽度的比较 材　料 3C SiC 4H SiC 6H SiC Si GaAs 禁带宽度/eV 2.2 3.26 3.0 1.12 1.43 1.2　原子过程　　高能粒子轰击半导体晶格，通过库仑散射可将其部分能量交付给晶格原子．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Ed．即当交付的能量大于Ed时，晶格原子则可位移至间隙位置，成为间隙原子，同时在晶格中留下一个空位，这就产生了Frenkel缺陷．材料的临界位移能真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．由表2［1］可以看出，SiC的临界位移能相对比较大，仅次于金刚石(C)．辐照引入的位移缺陷可以在半导体内部充当复合中心，它对器件电参数的影响表现在以下3个方面． 表2　几种材料的临界位移能 材　　料 C SiC Si GaAs InP Ge 临界位移能/eV 35 21.8 12.8 9.2 7.7 14.4 1.2.1　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Kτ=(1/τ-1/τ0)/．其中τ0是辐照前的少子寿命，τ是接受辐照后的少子寿命，是总的辐照剂量，Kτ