碳化硅肖特基二極管的電荷收集特性

  碳化硅（SiC）具有禁帶寬度大、擊穿電場強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是制作高溫、高頻、大功率和抗輻射器件極具潛力的寬帶隙半導(dǎo)體材料。相比于傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體探測器具有優(yōu)異的耐高溫和抗輻照性能，近年來SiC材料在核探測領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，被應(yīng)用于致電離粒子（Ｘ射線、γ射線、a粒子等）和中子探測等方面。國內(nèi)在SiC應(yīng)用于核探測方面的研究起步較晚，主要集中于輻照效應(yīng)研究、高溫特性研究及少量的探測器模擬研究，而在SiC器件應(yīng)用于核輻射探測方面的實(shí)驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。值得指出的是，SiC器件的電荷收集特性對探測器性能具有重要影響，而國內(nèi)針對該類核探測器的電荷收集特性開展的研究甚少。為進(jìn)一步研究SiC肖特基二極管作為核探測器的性能，本文采用4H-SiC制備肖特基二極管，利用Am源研究其對a粒子的電荷收集特性，分析電荷收集率（CCE）的影響因素。
 
  1. 器件結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方法
  1.1肖特基二極管結(jié)構(gòu)
  4H-SiC肖特基二極管的橫截面如圖1（a）所示。4H-SiC晶片基底厚度為360µm，低摻雜外延層厚度為13µm，經(jīng)高頻CV測試獲得外延層凈摻雜數(shù)密度Nd為。外延層與晶片基底之間緩沖層的厚度為1µm。在4H-SiC晶片基底表面濺射1µm的Ni并退火形成歐姆接觸，并電鍍6µm的Au作金屬加厚層，SiC外延層表面濺射0.1µm的Ni形成肖特基接觸。

 
  1.2性能表征
  1.2.1電流-電壓、電容-電壓測量
　　正向電流-電壓（IF-V）曲線采用Agilent 4155C半導(dǎo)體特性分析儀進(jìn)行測量，測試電壓范圍為：0～2V。反向電流-電壓（IR-V）曲線采用Keithley 6517B進(jìn)行測量，測試電壓范圍為：0～700V。電容-電壓（C-V）曲線采用Agilent 4155C與Agilent 4284A組成CV測試系統(tǒng)進(jìn)行測量，測量頻率為1mHz，測試電壓范圍為0～10V，在室溫及黑暗條件下進(jìn)行測量。
 
  1.2.2電荷收集效率測量
  CCE的定義為  
  式中：Ｑ0是粒子在探測器中產(chǎn)生的總電荷量；ＱM是探測器所探測到的電荷量。4Ｈ-SiC肖特基二極管CCE實(shí)驗(yàn)測量采用與同條件下Au-Si面壘型探測器進(jìn)行脈沖幅度歸一化的方法，測量裝置示意圖如圖2所示。探測器和Am源置于金屬屏蔽盒內(nèi)。241Am源放出的a粒子經(jīng)過19.6mm的空氣間隙后進(jìn)入探測器，在探測器靈敏區(qū)（對SiC探測器，靈敏區(qū)為反偏電壓下外延層內(nèi)所形成的耗盡區(qū)）產(chǎn)生電子空穴對，并在電場作用下分別向兩極漂移，形成正比于能量沉積的電信號，經(jīng)電荷靈敏前置放大器和線性放大器處理，用多道分析器采集分析即得脈沖幅度譜。其中，19.6mm空氣間隙的選取是為使a粒子可完全被阻止在4H-SiC外延層中。采用SRIM2011程序可計(jì)算出Am源放出的a粒子經(jīng)19.6mm空氣間隙及0.1µm金屬Ni層后剩余動(dòng)能Ea為3.5mEV，在SiC中的射程為（9.6±0.3）µm。在放射源與后端電子學(xué)系統(tǒng)不變的情況下，分別使用Au-Si面壘型探測器與4H-SiC肖特基二極管進(jìn)行測量。當(dāng)Au-Si面壘型探測器的電荷收集效率SSi＝1時(shí)，4H-SiC肖特基二極管的電荷收集效率SSiC可表示  
  式中：ＰSiC，ＰSi分別是4H-SiC肖特基二極管與Au-Si面壘型探測器所測得的a能譜峰位；?SiC和?Si分別是4H-SiC與Si中產(chǎn)生一對電子空穴對所需的平均能量，分別取7.8eV和3.67eV。  
  2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
  2.1電流-電壓與電容-電壓
  本次實(shí)驗(yàn)制備的4H-SiC外延層屬中等摻雜濃度的高遷移率半導(dǎo)體，該二極管小電壓時(shí)的電流特性可描述如下  
  式中：A*為熱電子發(fā)射的有效理查遜常數(shù)；T為溫度；q為電子電量；k為玻耳茲曼常數(shù)；η為理想因子；V為外加電壓；ΨB為4H-SiC二極管的肖特基勢壘高度。利用式（3），從圖3所示的IF-V曲線得出ΨＢ和η。其中ΨＢ=1.66eV，理想因子η為1.07，表明其電流輸運(yùn)機(jī)制主要為熱電子發(fā)射過程。  
　　圖4是4H-SiC肖特基二極管的IR-V特性。從圖4可見，在反向偏壓高達(dá)700V時(shí)，該二極管未擊穿，其漏電流僅為21nA。該二極管具有高擊穿電壓表明4H-SiC在強(qiáng)電場下的電離率較低，而電離率低得益于4H-SiC較大的禁帶寬度（3.26EV）。圖5是4H-SiC肖特基二極管C-V特性。1/C²-V曲線經(jīng)線性擬合后相關(guān)系數(shù)好于0.999，表明摻雜數(shù)密度隨深度分布均勻。由該曲線斜率可求得4H-SiC外延層金屬-半導(dǎo)體界面附近的凈摻雜數(shù)密度Nd。  
  2.2 電荷收集率與電壓的關(guān)系
  圖6是實(shí)驗(yàn)測得4H-SiC肖特基二極管CCE與反向電壓關(guān)系。從圖6可見，當(dāng)外加偏壓為0V時(shí)，對3.5MeV a粒子的S為48.7%；當(dāng)外加偏壓為150V時(shí)即有S為99.4%，表明所制備的4H-SiC肖特基二極管具備良好的電荷收集特性。  
  當(dāng)電壓值較小時(shí)，入射粒子射程值R介于耗盡區(qū)寬度W和外延層厚度H之間（即W＜R＜H），考慮耗盡區(qū)載流子漂移過程及中性區(qū)載流子擴(kuò)散過程，CCE可表示為  
  式中：ξ（x）是x處產(chǎn)生的電荷最終被收集的概率；Lp為空穴擴(kuò)散長度；（-dE/dx）為電子阻止本領(lǐng)；E為入射粒子能量。假設(shè)摻雜數(shù)密度分布均勻，則耗盡區(qū)寬度W與反偏電壓V關(guān)系如下  
  式中：ψbi為肖特基勢壘的內(nèi)建電勢，據(jù)前述I-V測試結(jié)果可取ψbi＝1.66V；Nd為外延層凈摻雜數(shù)密度，據(jù)前述C-V測試結(jié)果取Nd為；εs和q分別為4H-SiC介電常數(shù)和電子電量。由式（4），（5）可知，當(dāng)電壓值較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度隨電壓上升而增大，從而電荷收集率SSiC隨之上升。
 
  在較高電壓下有Ｗ＞Ｒ，則CCE可表示為  
  式中若載流子平均壽命大于漂移時(shí)間，可認(rèn)為ξ（x）＝1。從而對所有V＞V0，（V0為Ｗ＝R時(shí)對應(yīng)的反偏電壓值）有SSiC為100%。由式（5）可求得V0＝170V，即反偏電壓在170V后，對3.5MeV的a粒子，CCE保持100%不變，與圖（6）所示趨勢吻合。
 
  3. 結(jié)論
  采用耐高溫、抗輻照的寬帶隙半導(dǎo)體材料4H-SiC制成肖特基二極管，利用241Am源的a粒子研究了該二極管電荷收集特性。該4H-SiC二極管的肖特基勢壘高度ΨＢ為1.66eV，理想因子η為1.07。在反向偏壓高達(dá)700V時(shí)，該二極管未擊穿，其漏電流僅為21nA，具有較高的擊穿電壓。對3.5MeV a粒子，0V時(shí)CCE為48.7%，150V時(shí)CCE為99.4%，表現(xiàn)出良好的電荷收集特性；CCE隨外加反向偏壓的增大而升高，在170V后趨于飽和，該現(xiàn)象可結(jié)合載流子的擴(kuò)散-漂移過程加以解釋。
 
  4H-SiC具有良好的電荷收集特性和優(yōu)異的耐高溫抗輻照性能，適于制備新一代的半導(dǎo)體探測器，可克服常見的硅基半導(dǎo)體探測器不耐高溫和抗輻照能力差的缺點(diǎn)，在高溫強(qiáng)輻射場等極端環(huán)境下具有良好的應(yīng)用前景。



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