SiC抗辐照特性的分析资料下载.pdf

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lI特性实验数据的对比表明，SiC在器件发光二极管（LED），结型婿效应晶体管（JFET）和盒属氧化物半导体场兢应晶体蕾（MOSFET）上对辐照影响不敏蓐从原理上预测了s|c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J!

lI；

材料器件车书中圈分类号：

TIN3040文簟标识码：

A文章蛐号：

10012400（1999）06080704AnalysisoftheSiCirradiationresistanceSHANGYe-ctumZHANGYi”lm，ZHANGYuruing（ResoochImt0Mioroelectmnlcs，XidianUn4v，Xiarl710071，Ctmo）Abstract：

SiChashighirradiationremtanceItsperformancewillnotbechangedremarkabIybyionizationandatomicdiacementTheresultsofSomeexperimentsshowthatSiCdevicessuchasLED，JFETandMoSFETarenotsenfitetoirrad埴t|0n_ThepredicationoftheSEUelosssectionoftheSiCintegratedcircuitindicatesthattheSiCICisresistanttotheSEUeffectKeyWords：

SiCiirradiation；

device；

material半导体器件受到高能电子、质子、中子或7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I临界位移能，s|c器件比si和GaAs器件的抗辐照特性更好结合s|c良好的抗辐照特性和它的技术发展趋势来看，s|c将成为一种有前途的抗辐照材料文中分4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1SiC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11电子过程当半导体材料接受能量大于禁带宽度的致电商辐射的粒子照射时，一些束缚电子就会吸收人射粒子的能量，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投日期t1999-011i作者彳r，商也萍（1970一），男，西安电子科技大学博士生，一一一亡期6第啤卷盼聃第维普资讯http:

/8O8西安电子科技大学学报第26卷需的平均能量为其禁带宽度的35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，可见生相同辐照条件下，辐照粒子在SiC中引人的电子空穴对少表1SIC，sj和GaAs禁带宽度的比较12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即当交付的能量大于时，晶格原子剐可位移至间隙位置，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2rJ可以看出，SiC的临界位移能相对比较大，仅次于金刚石（c）辐照引人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121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K一（1rl）其中是辐照前的少于寿命，r是接受辐照后的少于寿命，P是总的辐照剂量，K是寿命损伤系数由图l中可以看出，SiC少于寿命受辐照的影响远比GaAs要低122载流于去除如果认为费米能级在辐照前后变化较小，则由于缺陷对载流子的俘获受剂量P辐照的i3型材料的多子（电子）浓度可表示为一一n。

一其中n。

为材料的初始电子浓度，屯是载流子去除损伤系数从机理上来考虑，是与单位剂量辐照产生的位移缺陷成正比的，而由于SiC的较大，则在相同辐照条件下，单位剂量辐照在SiC中产生的位移缺陷肯定比在si和GaAs中产生的少，这说明载流子去除效应在SiC中表现不明显，从表3口一中可以反映出这个问题：

蝗撂圈1子寿审损饬系数随入射电子能量的变化表3半导体材料中子辐照的载流子去除辜123迁移率去除辐照引人的位移缺陷还可以在半导体材料中充当散射中心，从而使多子的迁移率退化从宏观上分析，迁移率退化与受辐照注量的关系有d

（1）=1一l一坼其中和分别为辐照后和辐照前的迁移率，是迁移率损伤系数经计算知，与成正比，基于和上面相同的原因，辐照引起的迁移率退化在SiC中表现不明显维普资讯http:

/第6期尚也薄等：

SiC执辐照特性的分析2SiC器件的辐照效应21SICMOSFET器件辐照可以在MOS结构SiOz半导体界面感生出界面态，由于这些辐照感生界面态的存在，将会在半导体表面感生出电荷，其作用是使siO半导体界面电势能发生变化，从而导致MOS结构的阁值电压和平带电压FB发生变化，同时还会引起表面电导率下降和沟道迁移率下降图2显示了在开路条件下3CSiC和siMOS电容辐照感生界面态hN和7辐照吸收剂量的关系J，由图2中可以看出，采用干氧SiCMOS的M比SiMOS的要小，采用热解氧化SiCMOS的厶比干氧SiCMOS的更小，这说明了3CSiCMOS电容，尤其是采用热解氧化的3CSiCMOS电容比siMOS电容有更强的抗T辐照的能力这是由于SiC在氧化时虽然伴随着c原子的去除，但还会在氧化层中保留一部分c原子，这些。

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-u10LT加加圈2辐雕毒生界面态和辐JI巨嗄收荆t美摹保留的c原子对减少辐照感生的界面态有着很大作用口22SICJFET器件中子辐照在JFET器件中引人了位移缺陷，这些中子引起的器件内部效应表现在器件电参敦上就是阈值电压漂移、跨导G和饱和电流下降，由图3_可以看出，中子对SiCJFET跨导遇化的影响要比GaAs小研究中子对闭值电压和饱和电流的影响也表明，SiCJFET具有比GaAs更高的抗中子辑照曲能力，它可承受总剂量为10ncm的中子辐照另外SiCJFET在总剂量1Gy的7辐照条件下，其一值电压和跨导等没有变化莹一丑中干孵cnc）固3辟导退化与中予州量的关摹23SICLED器件1薹。

B。

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电于捌量cl）困4电于荆量和炭光强度退化的羌摹用能量为2MeV或25MeV的电子对几种未封装的商用LED在室温下进行辐照试验，最大电子剂量,-IlOecm在试验中保证电子有足够的能量穿过LED芯片前面试验用的透镜，并没有显著的能谱变化，为了模仿现实的工作环境给LED加上一个固定的正偏电压图4显示了去除透镜能量损失的这几种LED随人射电子剂景的增加丽发光强度退化的情况，由图4中可以看出，SiCLED受电子维普资讯http:

/810西安电子科技大学学报第26卷辐照的影响相对比较低3SiC集成电路的单粒子效应单粒子效应是带电粒子在元器件中通过时造成电子元器件的电离损伤，从而导致电子元器件的记录出错高空中，辐照质子在灵敏器件中沉积能量从而产生电子空穴对，若此单元中有电场存在列电子空穴可发生运动直到被收集，当收集的电荷大于临界电荷Q时，此灵敏单元发生反转假设所产生的电子空穴对全部被收集，那么当一个灵敏单元中抗积的能量为E时，所收集的电荷数为=eAEQ,其中Q|是产生一个电子空穴对所需的能量如果半导体器件表面面积为s，质子注量为，则一个灵敏单元内的电荷收集总数为=JS如果Q大于临界电荷Q，则该灵敏单元发生反转，那么SEU截面为untg其中为灵敏单元中发生SEU的总数设J。

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予一1一一衄了一一百一

（1）可以依据此模型对SiCIC的SELl截面进行预测根据，rr_衄程序分析，质子在si和SiC中的能量沉积相差不大，由于SiC禁带宽度为si的23倍，那么可认为SiC的包为si的23倍，那么si集成电路比SiC集成电路有着高于23倍的SEU截面，这说明SiCIC抗单粒子效应的能力比sj集成电路强4小结文中分别从SiC的材料特性和器件方面论证了SiC抗辐照的优越性在材料方面，说明了SiC由于藁带宽度大和临界位移能大，所以辐照电子过程及原子过程对SiC的影响就小在器件方面，针对LEDFET和MOS各自具有代表性的几个物理量用具体数据说明了SiC器件对辐照影响不敏癌另外，考虑到单粒子效应对集成电路的影响，该文预测了SiC集成电路的SEU截面预测结果也说明，SiC有着好的抗SEU能力总之，对SIC材料、器件以及集成电路抗辐照的研究表明，SiC在抗辐照方面显示着具有潜力的前景参考文献：

13BarryALEnergyDependence0fElectronDamageandDisplacementThresholdEnergyin8HSiliconCarbideJ3IEEETransNuelSci，199138（6）：

111133AukermanlWEffectofFastNeutronsonSiliecCarbideSiliconCarbide-aHjghTemperatureSemiconductorMGreatBritainPergamonPies*LTD，19603883YoshlkawaMGammaRayIrradtlEffects。

ncucSiliconCarBideMeta1Oxlde-SemiconductotstmcttlreAm。

卜phOtISandCrystallineSiliconCarbideMBerlinSpringerVerlag，19923934MeGarrityJMNliconCarbideJFETRadiationResponceJIEEETransNuclSci，1992，39（6）11974IsJanousekBKNeutronRadiationEffectsinGaAsJunctionFieldEffectTransistorsJIEEETransNuclSc1198835（6）：

14806StanyAGComparisonofLitEmittingDiodesinaSpaceRadiationEnvironmentJIEEENucjSei，1970，17（6）t2397李华中子引起的单粒子反转截iiiiMonteCarlo模拟计算J：

试验与研究，199720

（2）7（编辑：

高东蜩）维普资讯http:

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