10 MeV高能電子輻照對(duì)4H-SiC晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的影響*

劉曉星，袁智明，李岳彬，李 根**

（1.湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.山西爍科晶體有限公司，山西 太原 030062）

0 引 言

半導(dǎo)體材料的發(fā)展迅猛非凡，其發(fā)展速度關(guān)乎其他眾多領(lǐng)域的突破和更新?lián)Q代的速度.以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更強(qiáng)的抗輻射能力以及更大的電子飽和漂移速率等特性，在航空航天、通信安全和軍工核能等國家重點(diǎn)研究領(lǐng)域有著非常大的潛力[1].如在航空航天領(lǐng)域，由于外太空環(huán)境中有著各種輻射粒子的干擾[2]，傳統(tǒng)的硅（Si）半導(dǎo)體器件不能正常工作，具有強(qiáng)抗輻射能力的SiC正好可以替代Si.此外，SiC的極限溫度是600℃，是Si的2倍，SiC半導(dǎo)體器件具有很好的耐高溫性[3]，其熱導(dǎo)率是4.9 W/cm/K，遠(yuǎn)高于 Si的熱導(dǎo)率（1.5 W/cm/K）.因此，在高溫工作環(huán)境中，SiC半導(dǎo)體器件無需散熱裝置，可以有效減少器件的尺寸.SiC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，SiC半導(dǎo)體器件的耐壓值很高，其飽和電子速率是Si的2倍，增加了器件的工作頻率.可以說，SiC能夠完美地取代Si的作用，使Si半導(dǎo)體器件的性能和尺寸等各方面獲得極大提升.SiC材料被認(rèn)為是最有前途的光電子材料，并引起國內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注，針對(duì)SiC相關(guān)問題進(jìn)行研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值.

SiC晶片是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，常見的SiC基器件有SiC基功率器件和微波射頻器件.根據(jù)SiC電阻率的不同可以將其分為導(dǎo)電型和半絕緣型，前者常用于制備耐高溫高壓的功率器件，后者則主要應(yīng)用于微波射頻器件領(lǐng)域.一般來講，SiC單晶的生長常使用Lely和Acheson方法，Lely方法生長的 SiC 含有微量雜質(zhì)[4].目前，在Lely方法基礎(chǔ)上改良后得到的物理氣相輸運(yùn)（phys‐ical vapor transport，PVT）是使用最廣泛的一種生長SiC單晶的方法[4].通過PVT生長出來的單晶作為襯底，其電導(dǎo)率并沒有達(dá)到最佳要求，無法應(yīng)用于制備工業(yè)襯底，這主要是因?yàn)樯L環(huán)境中氮（N）濃度背景高.

目前，有2種方法來提升電阻率：（1）合成過程中加入摻雜源以彌補(bǔ)雜質(zhì)N帶來的淺能級(jí).這種方法在合成過程中要盡可能地降低N濃度，同時(shí)加入合適的補(bǔ)償摻雜源，這些雜質(zhì)會(huì)在SiC禁帶中引入新的能級(jí)并和已有的雜質(zhì)能級(jí)進(jìn)行補(bǔ)償，使得N型帶電性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢^緣性，最后獲得高阻的本征SiC.如果深能級(jí)雜質(zhì)可以與一個(gè)能帶發(fā)生相互作用，則被稱為陷阱；如果與2個(gè)能帶發(fā)生相互作用，則稱為重組中心[5].重組中心可以加速電子-空穴對(duì)的復(fù)合，使器件的最大頻率增加.加入的補(bǔ)償摻雜源有多種選擇，如釩（V）有3種導(dǎo)電類型，分別是正電性、中性和負(fù)電性，是一種合適的補(bǔ)償摻雜源，加入V能夠引入新能級(jí)并減少補(bǔ)償摻雜源的種類，工藝上更加方便[5].（2）使用高能電子輻照使SiC產(chǎn)生深能級(jí)點(diǎn)缺陷.材料的性質(zhì)是由其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)決定的，輻照可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的輻照缺陷，根據(jù)引入的新能級(jí)在材料帶隙的位置，可以將缺陷能級(jí)分為深能級(jí)和淺能級(jí)，深能級(jí)遠(yuǎn)離能帶邊緣而淺能級(jí)靠近價(jià)帶邊緣或者導(dǎo)帶邊緣.深能級(jí)可以俘獲電子然后釋放出去，能量以光子形式釋放.經(jīng)過高能粒子輻照，SiC單晶內(nèi)部會(huì)發(fā)生電離效應(yīng)和位移效應(yīng)，輻照之后的SiC禁帶中會(huì)出現(xiàn)新的雜質(zhì)能級(jí)，這部分能級(jí)會(huì)與非故意摻入的雜質(zhì)能級(jí)發(fā)生能級(jí)補(bǔ)償，使得SiC導(dǎo)電類型變?yōu)榘虢^緣性.研究者們對(duì)SiC材料的粒子輻照實(shí)驗(yàn)一直在進(jìn)行：Perlado[6]在輻照實(shí)驗(yàn)中，考慮到閾值位移是描述輻射損傷的重要參數(shù)之一，結(jié)合輻照溫度，討論了閾值位移對(duì)缺陷損傷的影響；Jiang等[7]研究低能輻照對(duì)SiC的影響，表明C位移在三碳化合物的級(jí)聯(lián)事件中占據(jù)主導(dǎo)；尚也淳等[8]對(duì)SiC進(jìn)行了低能電子輻照實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在SiC中的EH6和EH7充當(dāng)復(fù)合中心，在輻照電子能量增大時(shí)，少子損傷系數(shù)增大，載流子壽命減少；Storasta等[9]對(duì) SiC進(jìn)行的 80～250 keV的低能電子輻照時(shí)，表明 4種電子陷阱（EH1、Z1/Z2、EH3和EH7）和一個(gè)空穴陷阱（HS2）的濃度隨輻照劑量呈線性增加；Kaneko 和 Kimoto[10]證實(shí)電子輻照 n 型輕摻雜的4H-SiC的外延層轉(zhuǎn)變成為半絕緣層，認(rèn)為其轉(zhuǎn)變?cè)蚴请娮虞椪债a(chǎn)生的Z1/2、EH6和EH7中心的電子捕獲造成的；林必波等[11]采用電子輻照高純半絕緣4H-SiC材料，獲得了近似單個(gè)缺陷的發(fā)光特性，認(rèn)為氧氣氧化和電子輻照劑量是影響單個(gè)缺陷形成的主要因素.研究電子輻照對(duì)SiC的作用及機(jī)理能夠更好地尋找SiC新的應(yīng)用前景，對(duì)SiC材料的發(fā)展也有重要意義.

國內(nèi)外對(duì)SiC的輻照研究很多，但缺乏對(duì)輻照處理后SiC的電阻率方面的研究.本文使用10 MeV高能電子輻照SiC材料，研究電子輻照劑量對(duì)其電學(xué)性能的影響，以期提高電阻率，滿足可以將其用于制備工業(yè)襯底的要求.

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

材料輻照效應(yīng)是射線粒子（中子、質(zhì)子、重離子和電子等）與材料物質(zhì)相互作用造成材料在物理、力學(xué)位能及組織成分與結(jié)構(gòu)等方面的變化.高能粒子輻照在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的輻照缺陷，如間隙原子、空位、位錯(cuò)環(huán)、空洞和氣泡等.材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定其宏觀物理性質(zhì)，大量輻照缺陷的形成和演化引起材料微觀結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，并造成宏觀物理性質(zhì)的改變.

輻照對(duì)材料的微觀作用過程一般可以分為2類：一類是電子過程引起的電離效應(yīng)；另一類是原子過程引入的位移效應(yīng)（非電量損傷效應(yīng)）.電離效應(yīng)包括電離損傷（ionization damage effect，IDE）和單粒子（single particle effect，SPE）效應(yīng).電磁輻射和帶電粒子輻射可以引起IDE效應(yīng)，被輻照物質(zhì)的電子獲得足夠能量后會(huì)遠(yuǎn)離原子核（大于結(jié)合能），成為自由電子，原子變成離子，能帶平衡遭到破壞，伴隨有電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生[12]；SPE效應(yīng)是高能質(zhì)子和重離子引起的，會(huì)引發(fā)單粒子效應(yīng)，單個(gè)高能粒子入射會(huì)產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，屬于快速電離現(xiàn)象[13].位移效應(yīng)是由能量較低的質(zhì)子和能量較高的重離子以及中子產(chǎn)生，粒子和物質(zhì)晶格原子的碰撞造成缺陷，如引入空位-間隙對(duì)[14].

輻照材料內(nèi)部的載流子濃度會(huì)發(fā)生變化.輻照材料的禁帶中會(huì)生成深能級(jí)缺陷，該缺陷會(huì)促使材料的費(fèi)米能級(jí)向禁帶中心漂移，載流子濃度因多子去除效應(yīng)受到影響.同時(shí)，自由電子與輻照產(chǎn)生的缺陷復(fù)合，導(dǎo)致材料內(nèi)電子濃度發(fā)生變化，材料的導(dǎo)電率會(huì)因此受到影響.此外，材料內(nèi)會(huì)因輻照產(chǎn)生的位移缺陷破壞晶格的作用而引入一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)使載流子發(fā)生雜質(zhì)散射，最終對(duì)材料導(dǎo)電率產(chǎn)生影響.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用的電子加速器型號(hào)為IHEP，實(shí)際裝置如圖1所示，脈沖方式為行波.加速器原理為脈沖調(diào)制器產(chǎn)生2路高壓脈沖，一路加載到電子槍陰極，產(chǎn)生電子束并注入加速管中；另一路送入微波功率源（速調(diào)管），功率源產(chǎn)生的高功率微波脈沖在加速管中建立加速電場(chǎng).電子束在加速電場(chǎng)中同步加速，同時(shí)被聚焦線圈的磁場(chǎng)約束，最后從鈦窗射出，處理的電子束最高能量可達(dá)10 MeV.

圖1 電子加速器設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 高溫干熱輻照實(shí)驗(yàn)

高溫干熱輻照實(shí)驗(yàn)是指將樣品臺(tái)直接放置在電子出束口鈦窗下，進(jìn)行不同劑量的高能電子轟擊，由于輻照的累積效應(yīng)，樣品輻照溫度可能會(huì)＞600℃.本實(shí)驗(yàn)所有樣品均為沿＜001＞晶向生長的SiC（4H）單晶片，單晶片表面為圓形，樣品編號(hào)01和02，直徑25 mm，厚度約為500 μm.本實(shí)驗(yàn)主要研究不同輻照劑量對(duì)樣品電阻率的影響（不排除熱效應(yīng)），使用能量10 MeV的高能電子加速器進(jìn)行輻照，測(cè)試輻照劑量為 1.29×1019、2.60×1019、3.90×1019及5.20×1019cm-2處理后，樣品的X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）、電阻率及拉曼光譜，因?yàn)檩椪談┝康木唧w數(shù)值與輻照材料的吸收系數(shù)有關(guān)，采用Gay作為計(jì)量單位不太準(zhǔn)確.因此，選擇單位時(shí)間面積上的累積照射的電子數(shù)目來表示輻照劑量的大小.為了更好地表征晶片的結(jié)晶質(zhì)量，在不同累積的輻照劑量下，以晶片的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立X和Y軸，每間隔一定距離選取一個(gè)點(diǎn)來收集XRD值，形成一系列點(diǎn)陣的XRD曲線圖譜，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件所限，本文采用了SiC工業(yè)化生產(chǎn)中使用的五點(diǎn)測(cè)試法來初步表征晶片的半峰全寬（full width at half maxima，F(xiàn)WHM），如圖2所示.

圖2 五點(diǎn)分布

1.3.2 輻照實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況

電子輻照裝備的電子能量為10 MeV，功率為7 kW.干熱輻照的溫度很高，約600～1 000℃，經(jīng)過大劑量的電子轟擊，樣品不僅經(jīng)受輻照效應(yīng)影響，退火作用在如此高的溫度區(qū)間也是存在的.本實(shí)驗(yàn)中加速器停束需要5 min，在停束過程中輻照后晶片的溫度會(huì)快速下降，直到電子束完全停止，晶片溫度會(huì)持續(xù)下降直至常溫，此階段中的晶片相當(dāng)于經(jīng)歷1次自然退火過程.熱處理可以減少輻照缺陷，而電子輻照產(chǎn)生大量缺陷，初步認(rèn)為高溫干熱輻照存在2種作用的綜合效果.完全停束2 min后，進(jìn)入加速器迷宮，使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量晶片溫度.加速器迷宮是指為了防止大量穿透性粒子輻照而制作的一種s型通道，通道壁厚約為5 m，內(nèi)含鉛板.紅外測(cè)溫的溫度為加速器停機(jī)2 min后測(cè)量，只有參考意義，具體輻照時(shí)的實(shí)際溫度無法準(zhǔn)確測(cè)量，根據(jù)紅外溫度為500～570℃，推測(cè)輻照剛結(jié)束后的溫度應(yīng)該＞600℃，測(cè)量停止輻照5 min后的樣品溫度為345℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD測(cè)試分析

樣品01和02經(jīng)過不同電子輻照劑量后的XRD如圖3和4所示 .樣品在經(jīng)過 2.60×1019、3.90×1019和5.20×1019cm-2的輻照劑量累加后，樣品01和02的主峰位置皆出現(xiàn)不同程度的偏移，01樣品主峰的2θ角在 17.93°～17.98°，而 02樣品主峰的 2θ角在17.93°～17.99°.樣品的XRD主峰產(chǎn)生的偏移或左或右，01樣品的第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)的主峰偏移量最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他測(cè)試點(diǎn).本文認(rèn)為電子輻照會(huì)造成樣品內(nèi)部的原子位移效應(yīng)，長時(shí)間的電子輻照使樣品晶格中原子發(fā)生了位移，造成了晶格畸變，并且內(nèi)部原子位移是不可控的.因此，導(dǎo)致電子輻照不同時(shí)間樣品的XRD主峰偏移.根據(jù)主峰的偏移程度，除卻樣品01的第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)外，可以證明樣品內(nèi)部的晶格畸變程度微小，同時(shí)，可以觀察到，隨著輻照劑量的增加，2個(gè)樣品的半峰寬都有不同程度的增加，但增加幅度不大，說明電子輻照使樣品晶片的結(jié)晶質(zhì)量有所下降，但影響微弱.需要注意的是，樣品01的第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，在累計(jì)輻照劑量達(dá)到5.20×1019cm-2后時(shí)，整體峰位與半峰寬發(fā)生相對(duì)明顯的變化.在電子輻照實(shí)驗(yàn)中，電子輻照效應(yīng)以電離效應(yīng)為主，高能電子輻照會(huì)伴隨產(chǎn)生位移效應(yīng).樣品01的第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)的主峰變化說明，輻照劑量為5.20×1019cm-2的樣品在此點(diǎn)或周圍產(chǎn)生的由位移效應(yīng)影響發(fā)生的晶格畸變強(qiáng)于其他4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，這是因?yàn)樯L過程中不可控的雜質(zhì)N的進(jìn)入而導(dǎo)致，但是該測(cè)試點(diǎn)的主峰偏移量微小，維持在0.10°內(nèi).因此，電子輻照劑量＜5.20×1019cm-2時(shí)，樣品晶型和晶體結(jié)構(gòu)沒有顯著改變；電子輻照劑量＞5.20×1019cm-2時(shí)，樣品內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生輕微的晶格畸變.

圖3 樣品01的5個(gè)測(cè)試點(diǎn)經(jīng)過不同劑量輻照后X射線衍射強(qiáng)度（a）1號(hào)測(cè)試點(diǎn)；（b）2號(hào)測(cè)試點(diǎn)；（c）3號(hào)測(cè)試點(diǎn)；（d）4號(hào)測(cè)試點(diǎn)；（e）5號(hào)測(cè)試點(diǎn)

圖4 樣品02的5個(gè)測(cè)試點(diǎn)經(jīng)過不同劑量輻照后X射線衍射強(qiáng)度（a）1號(hào)測(cè)試點(diǎn)；（b）2號(hào)測(cè)試點(diǎn)；（c）3號(hào)測(cè)試點(diǎn)；（d）4號(hào)測(cè)試點(diǎn)；（e）5號(hào)測(cè)試點(diǎn)

2.2 拉曼光譜測(cè)試分析

4H-SiC的拉曼標(biāo)準(zhǔn)譜如圖5所示.標(biāo)準(zhǔn)的4HSiC的拉曼光譜的拉曼峰出現(xiàn)在200、790和980 cm-1處.樣品01和02經(jīng)過5.20×1019cm-2的累計(jì)輻照后的拉曼譜如圖6所示.在測(cè)試范圍內(nèi)，2個(gè)樣品的拉曼光譜都出現(xiàn)了4H-SiC的光學(xué)聲子拉曼峰，并且2個(gè)樣品的5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的拉曼峰都在200 cm-1左右，且沒有其他明顯特征峰出現(xiàn)，表明在所測(cè)量的區(qū)域中，一定累計(jì)劑量的高能電子輻照未導(dǎo)致樣品的晶體結(jié)構(gòu)大范圍畸變或再結(jié)晶，樣品的結(jié)晶性保持的相當(dāng)好.

圖5 4H-SiC拉曼標(biāo)準(zhǔn)圖譜

圖6 2種樣品經(jīng)過5.20×1019cm-2的輻照劑量拉曼光譜（a）樣品01；（b）樣品02

樣品02的拉曼局部放大如圖7所示.5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的FTA（橫向聲學(xué)支）都在198和206 cm-1處，與標(biāo)準(zhǔn)峰位（196和204 cm-1）對(duì)比，均紅移了2 cm-1，說明電子輻照使材料產(chǎn)生電子輻照效應(yīng)時(shí)，有輕微的原子位移效應(yīng)產(chǎn)生.綜合對(duì)比拉曼圖譜中的拉曼峰，認(rèn)為樣品在受到電子輻照時(shí)，其電子輻照效應(yīng)以電離效應(yīng)為主，當(dāng)輻照劑量達(dá)到5.20×1019cm-2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生原子位移效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)獲得樣品晶片的均勻性很好.

圖7 樣品02的拉曼局部放大

2.3 電學(xué)性質(zhì)測(cè)試分析

樣品01和02的電阻率如圖8和9所示.樣品整體的電阻率隨著電子輻照劑量的增加而增大，從5.0×105Ω·cm 增加到 1.6×1010Ω·cm.經(jīng)過電子輻照后的SiC晶片的電阻率得到了提升，說明電子輻照劑量的累積可以提高樣品中的深能級(jí)缺陷數(shù)量，推測(cè)SiC晶片電阻率的提升是因?yàn)殡娮虞椪帐沟镁瑑?nèi)部產(chǎn)生了大量的深能級(jí)點(diǎn)缺陷，如碳空位（VC）、硅空位（VSi）、碳硅雙空位（VC-VSi）及碳反位等，這些深能級(jí)缺陷可以彌補(bǔ)由雜質(zhì)N產(chǎn)生的淺能級(jí)缺陷，晶體生長前期小面處的N濃度過高是制備工藝中不可避免的缺點(diǎn)，雜質(zhì)N的進(jìn)入會(huì)使得材料內(nèi)部產(chǎn)生大量淺能級(jí)缺陷，使得晶片電阻率降低，電子輻照產(chǎn)生的深能級(jí)點(diǎn)缺陷則可以彌補(bǔ)N所帶來的淺能級(jí)，最終使得晶片的電阻率獲得提高.

圖8 不同輻照劑量樣品01電阻率（a）1.29×1019cm-2；（b）2.60×1019cm-2；（c）3.90×1019cm-2；（d）5.20×1019cm-2

圖9 不同輻照劑量樣品02電阻率（a）1.29×1019cm-2；（b）2.60×1019cm-2；（c）3.90×1019cm-2；（d）5.20×1019cm-2

由圖8和9可知，樣品01和02的部分邊緣電阻率存在比樣品中心處與小面處電阻率高的情況，原因有2種：（1）同一SiC襯底在中頻感應(yīng)爐中的生長往往是從中心向外生長，這種生長方式使得N、B和Al等淺能級(jí)雜質(zhì)濃度隨著生長的不斷進(jìn)行而降低，最終生長出來的SiC襯底的中心處淺能級(jí)雜質(zhì)往往比邊緣處淺能級(jí)雜質(zhì)濃度高；（2）以偏4°籽晶生長晶體時(shí)，晶體小面為螺位錯(cuò)生長機(jī)制，邊緣為臺(tái)階流生長機(jī)制，螺位錯(cuò)生長機(jī)制更有利于淺施主雜質(zhì)N的摻入.在經(jīng)過電子輻照后，中心處與邊緣處得到相同電子輻照，但由于生長過程所導(dǎo)致的中心處含N濃度高，經(jīng)過相同的提升后，中心處電阻率依舊低于部分邊緣處電阻率.樣品01經(jīng)過電子輻照后，可以看到中心處與邊緣處電阻率差距減小，說明輻照過程中產(chǎn)生的大量熱可以使得晶片內(nèi)部的缺陷減少，且對(duì)N濃度高的區(qū)域效果更好.

3 結(jié) 論

一定劑量的10 MeV高能電子輻照有效改善了4H-SiC的電阻率.電子輻照劑量＜5.20×1019cm-2時(shí)，晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電子輻照效應(yīng)以電離效應(yīng)為主，晶體結(jié)構(gòu)沒有改變；高于此劑量，則會(huì)產(chǎn)生原子位移效應(yīng)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微畸變.輻照及熱處理后樣品的平均電阻率發(fā)生了明顯增加，2個(gè)樣品的電阻率由 5.0×105Ω·cm 增加至 1.6×1010Ω·cm 左右，N 濃度較高的小面處的電阻率也有所改變.