阅读说明：本技术 一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法 (Damage analysis method for heavy ion radiation silicon carbide diode under bias electric field ) 是由 郭红霞 张鸿 潘霄宇 周益春 张凤祁 张晋新 琚安安 钟向丽 廖敏 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法,包括：基于碳化硅二极管的基本结构和材料组成,通过Geant4构建碳化硅二极管的仿真模型,并在Geant4中设定偏置电场的大小和入射粒子的种类、能量；在Geant4中进行仿真模拟：将入射粒子射入碳化硅二极管,模拟不同偏置电场下入射粒子在碳化硅二极管内的粒子运动轨迹及碳化硅二极管的初始缺陷损伤分布；基于仿真模型和初始缺陷损伤分布,通过TCAD软件模拟碳化硅二极管的缺陷损伤演化过程,以分析缺陷损伤对碳化硅二极管的电学性能的影响。揭示偏置电场与辐射损伤的相互作用关系,对碳化硅器件的辐射效应机理分析和可靠性评估提供了技术基础。(A damage analysis method of a heavy ion radiation silicon carbide diode under a bias electric field comprises the following steps: based on the basic structure and material composition of the silicon carbide diode, a simulation model of the silicon carbide diode is constructed through Geant4, and the magnitude of a bias electric field and the type and energy of incident particles are set in Geant 4; simulation was performed in Geant 4: injecting incident particles into the silicon carbide diode, and simulating particle motion tracks of the incident particles in the silicon carbide diode under different bias electric fields and initial defect damage distribution of the silicon carbide diode; based on the simulation model and the initial defect damage distribution, the defect damage evolution process of the silicon carbide diode is simulated through TCAD software so as to analyze the influence of the defect damage on the electrical performance of the silicon carbide diode. The interaction relation between the bias electric field and the radiation damage is disclosed, and a technical basis is provided for the radiation effect mechanism analysis and the reliability evaluation of the silicon carbide device.)

一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法

技术领域

本发明涉及半导体器件抗辐射分析技术领域，特别涉及一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法。

背景技术

为了建立高效、高可靠性的功率系统，人们一直在致力于改进功率开关器件，硅基二极管是作为功率开关器件的主要材料。但硅基二极管的散热性能较差，在高功率应用中会受到诸多限制，加之多年以来对硅基器件的不断研究，硅材料的性能已接近其本征特性极限。

碳化硅是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度约为硅材料的三倍左右，同时碳化硅材料具有较高的热导率，使得碳化硅基器件具有良好的散热性能。目前，碳化硅基器件主要应用于大功率电力系统，这就要求碳化硅在高压、大电流环境下也能具有良好的物理、化学特性。

因此碳化硅二极管被广泛使用在功率因数校正电路和升压转换器中，其具有开关损耗极低、开关频率高、开关特性稳定和效率高等优势。同时由于碳化硅材料自身的导热系数是硅材料的3倍左右，碳化硅功率器件有望应用于空间领域中，以达到降低电子设备重量、降低损耗、良好散热等目的。而在空间环境中应用碳化硅器件时，环境中的各种射线、粒子对器件可靠性的影响也是不可忽视的。

空间环境中重离子虽然通量较低，但其具有极强的能量损失特性，重离子入射碳化硅二极管，会对器件材料造成的微观损伤缺陷。在器件应用于高电压、大电流环境中时这些缺陷可能会严重影响器件的电学性能，甚至可能导致器件发生故障而失效。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法，利用蒙特卡罗模拟软件Geant4和半导体器件分析软件TCAD，对重离子辐射碳化硅二极管后产生的潜径迹损伤进行数值模拟，以分析缺陷损伤对器件电学性能的影响。

(二)技术方案

为解决上述问题，根据本发明的一个方面,本发明提供了一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法，包括：基于碳化硅二极管的基本结构和材料组成，通过Geant4构建碳化硅二极管的仿真模型；在Geant4中进行仿真模拟，包括：将入射粒子射入碳化硅二极管，模拟不同偏置电场下入射粒子在碳化硅二极管内部的粒子运动轨迹及碳化硅二极管的初始缺陷损伤分布；基于碳化硅二极管的仿真模型和初始缺陷损伤分布，通过TCAD软件模拟碳化硅二极管的缺陷损伤演化过程，以分析缺陷损伤对碳化硅二极管的电学性能的影响。

进一步的，构建碳化硅二极管的仿真模型之前，还包括：利用FIB(聚焦离子束，Focused Ion beam)对碳化硅二极管进行纵向剖切，标定剖切后每层碳化硅二极管的成分，获得碳化硅二极管的基本结构和材料组成。

进一步的，在Geant4中进行仿真模拟之前还包括：在Geant4中设定偏置电场的大小、入射粒子的入射方向、入射粒子的种类和入射粒子的能量。

进一步的，将入射粒子射入碳化硅二极管包括：将入射粒子从碳化硅二极管的正极表面垂直射入。

进一步的，入射粒子为高能快重离子。

进一步的，高能快重离子的能量为200MeV以上。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

利用蒙特卡罗模拟软件Geant4和半导体器件分析软件TCAD，从材料到器件两个维度去观测和分析不同偏置电场下，重离子辐射碳化硅二极管的潜径迹损伤的产生和演化过程，进一步模拟缺陷损伤对碳化硅二极管电学性能的影响。

通过更改本发明所设置的器件模型，可以对应不同特征尺寸或不同生长方式的碳化硅二极管，开展不同工作状态和工作电压下重离子辐射实验的评估研究。在节省大量的时间和经费的同时可以对器件的抗辐射性能进行良好的预测和评估。

揭示偏置电场与辐射损伤的相互作用关系，对碳化硅器件的辐射效应机理分析和可靠性评估提供了技术基础，同时对推进碳化硅器件在航空航天领域的应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明提供的实施例的碳化硅JBS二极管的剖面图；

图2是本发明提供的实施例的Cu离子入射碳化硅二极管时Cu离子及次级电子的径迹分布图；

图3是本发明提供的实施例的Cu离子入射碳化硅二极管后不同偏置电场下的电离能损随入射深度的变化示意图；

图4是本发明提供的实施例的不同电场下Cu离子在碳化硅二极管中的总能量沉积、Cu离子造成的能量沉积、次级电子造成的能量沉积的变化示意图；

图5是本发明提供的实施例的Cu离子入射产生的空间电荷在碳化硅二极管中的分布示意图；

图6是本发明提供的实施例的不同电场强度下碳化硅二极管中的瞬态电流随时间的演化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法，包括以下步骤：

步骤S1：利用FIB(聚焦离子束，Focused Ion beam)对碳化硅二极管进行纵向剖切，标定剖切后每层碳化硅二极管的成分，获得碳化硅二极管的基本结构和材料组成。

步骤S2：将碳化硅二极管的基本结构和材料组成输入Geant4中，构建碳化硅二极管的仿真模型。

步骤S3：在Geant4中设定偏置电场的大小以及入射粒子的入射方向、入射粒子的种类和入射粒子的能量。

步骤S4：在Geant4中进行仿真模拟，将入射粒子从碳化硅二极管的正极表面垂直射入，入射粒子穿过正极金属后与碳化硅二极管的材料发生相互作用，以获得不同外加电场下入射粒子在碳化硅二极管内部的粒子运动轨迹及碳化硅二极管的初始缺陷损伤分布。

步骤S5：基于碳化硅二极管的仿真模型和碳化硅二极管的初始缺陷损伤分布，通过TCAD软件模拟碳化硅二极管之后的缺陷损伤演化，分析缺陷损伤对碳化硅二极管的电学性能的影响。

具体地，在上述步骤中，Geant4(由欧洲核子中心(CERN)主导开发的蒙特卡罗程序包)是进行粒子实验模拟的软件，可以详细模拟粒子在材料中的输运。TCAD(TechnologyComputer Aided Design)是半导体工艺模拟以及器件模拟工具，用于确定标准工艺下材料的器件结构，并在器件结构的基础上计算电学行为，并根据器件模型提取符合标准的电学参数。

对碳化硅二极管施加高压时，会在碳化硅二极管内部形成高的偏置电场，利用Geant4软件可以模拟偏置电场下碳化硅二极管的重离子辐射损伤，同时对入射粒子辐射碳化硅二极管后产生的潜径迹损伤进行数值模拟，以分析偏置电场对辐射损伤产生及分布的影响。

进一步将辐射损伤转化为电子空穴对，并通过TCAD得到不同偏置电场下重离子辐射的碳化硅二极管中引起的瞬态电流，从微观机理到宏观效应阐明偏置电场对碳化硅二极管重离子辐射损伤的影响，分析不同偏置电场下重离子入射对碳化硅二极管电学性能的影响。

其中，入射粒子为高能快重离子，高能快重离子的能量为200MeV以上。

快重离子轰击碳化硅二极管，即轰击靶材料时，通过离子与靶材料中核外电子的非弹性碰撞损失能量，能量损失主要来自于入射粒子及次级电子。快重离子沿入射路径沉积的能量局限在很小的区域，可能导致空间有限的区域形成永久性的结构改变，即产生潜径迹。潜径迹的形成及形貌不仅依赖于入射粒子的种类和能量，也依赖于靶材料的类型。

对于传统硅半导体材料来说，平均每产生一对电子空穴对需要约3.6eV的能量，而碳化硅材料由于禁带宽需要更大的能量才能产生电子空穴对。电子空穴对在离子径迹附近大量产生，一方面造成器件材料的晶格损伤，另一方面多余电子空穴对形成瞬态电流，影响器件正常工作。

当给器件加上电压时，器件内部会出现较大的偏置电场，电场的出现会影响重离子的运动，从而影响电离能损的大小与分布。

以下通过具体地实施例对本发明的损伤分析方法进行详细说明。

实施例：

步骤S1：利用FIB对碳化硅二极管进行纵向剖切，标定剖切后每层碳化硅二极管的成分，获得碳化硅二极管的基本结构和材料组成。

其中，纵向剖切是从碳化硅二极管的正极表面往下切割，可以获得比较完整的二极管的结构分布。

图1是碳化硅JBS二极管的剖面图，请查看图1，图中上部分表示碳化硅正极金属，中部为碳化硅的衬底和外延层，下部分是碳化硅负极金属。由该剖面图可知，该碳化硅二极管中未掺杂浓度，故外延层和衬底未区分开。

具体地，采用TEM(透射电子显微镜，Transmission Electron Microscope)观察并记录碳化硅二极管的基本结构和材料组成。

步骤S2：将碳化硅二极管的基本结构和材料组成输入Geant4中，构建碳化硅二极管的仿真模型。

其中，碳化硅二极管的基本结构包括二极管正极金属铝，厚度约为1μm；正极下方是碳化硅外延层，外延层中各掺杂区需特殊染色处理才能观察到，在Geant4模拟中掺杂可以忽略不记，故把外延层当作整体考虑，厚度约5μm；外延层下是衬底区域，约182μm；衬底下面是二极管负极铅金属。

步骤S3：在Geant4中设定偏置电场的大小以及入射粒子的种类和能量、入射方向。

本实施例以高能重离子，即212MeV的Cu(铜)离子为例，在Geant4中对入射粒子的种类和能量进行设定。

步骤S4：在Geant4中进行仿真模拟，包括：将Cu离子从碳化硅二极管的正极表面垂直射入，Cu离子穿过正极金属后与碳化硅二极管的材料发生相互作用。

请查看图2，图2是Cu离子入射碳化硅二极管时Cu离子及次级电子的径迹分布图。

其中，图2中的a为电场强度为0时的径迹图，b为电场强度为1×10⁶V/m时的径迹图，c为电场强度为5×10⁹V/m时的径迹图，d为电场强度为1×10¹⁰V/m时的径迹图。

图中的矩形结构区域表示简化后的碳化硅二极管结构，最左边的小矩形框是正极金属，往右是碳化硅外延层；Cu离子从正极金属表面射入并穿透外延层进入衬底区域。图中曲折的线条代表电子的运动轨迹，当Cu离子从二极管正极金属表面垂直入射后，沿Cu离子径迹将产生大量电子，导致Cu离子径迹被电子径迹包裹，几乎观察不到。

电子与碳化硅二极管发生相互作用，在碳化硅二极管中不规则运动直至能量耗尽停止。从图2中可看出，随着电场强度的增大，次级电子的运动轨迹受到电场的影响越明显，尤其是次级电子运动末端，在电场作用下沿电场反方向运动。外延层中电场方向朝向二极管的负极，故带负电的电子受到的电场力方向朝向二极管的正极。

外加电场为零时没有电场力作用，电子运动轨迹随机发散。在10⁶V/m电场下，有部分电子在电子运动径迹末端其运动方向开始偏向二极管的正极，此时电场力不足以使电子轨迹产生明显偏移。当电场为5×10⁹V/m时，越来越多的电子在运动轨迹末端朝二极管正极方向运动，电子的运动轨迹还是比较发散。在10⁶V/m的电场作用下，由于次级电子沿Cu离子径迹产生时就受到较强电场力的作用，次级电子的发散程度明显减小。电子在靠近Cu离子径迹周围的径迹越密集，则有更大的几率在Cu离子径迹周围产生能量沉积。

假设一个运动的原子撞击了一个靶原子，并且传递给后者超过Edisp(移位能)的能量，那么靶原子将会被撞击出其晶格位置。在Cu离子射程末端，Cu离子能量较低不足以与碳化硅材料反应产生大量的次级电子，此时的能量损失主要由于Cu离子与碳化硅原子发生碰撞，当材料中的空位数量足够多时，会导致材料非晶化进而影响材料的电学性能。同时Cu离子的能量变低后电场的作用更加明显，Cu离子运动轨迹逐渐偏离直线。

请查看图3，图3是Cu离子入射碳化硅二极管后不同偏置电场下的电离能损随入射深度的变化示意图。

图3中横坐标表示Cu离子入射碳化硅二极管的入射深度(单位：nm)，纵坐标表示单位深度的电离能损(单位：keV/nm)。在0-5000nm的深度范围内，偏置电场一定时单位深度的电离能损无明显变化；随偏置电场的增大，单位深度的电离能损出现不同程度的增加，当电场强度为1×10¹⁰V/m时，单位深度的电离能损最大可达28.8keV/nm。

请查看图4，图4是不同电场下Cu离子在碳化硅二极管中的总能量沉积、Cu离子造成的能量沉积、次级电子造成的能量沉积的变化示意图。

图4中纵坐标表示能量沉积(单位：MeV)，横坐标表示总能量沉积(total)、Cu离子(Cu+)造成的能量沉积、次级电子(e-)造成的能量沉积。随电场强度的增加，0-5000nm入射深度范围内电离能损的增加主要来源于次级电子(e-)能量沉积的增加。

结合图2可以看到，次级电子(e-)受到电场强度的影响较为明显。而Cu离子在此深度范围内自身能量还较高，偏置电场对其的影响不明显，由Cu离子与材料相互作用产生的电离能损随电场强度的变化未发生明显变化。

请查看图5，图5是Cu离子入射产生的空间电荷在碳化硅二极管中的分布示意图。

其中，纵坐标表示横坐标表示电荷沉积，横坐标表示宽度，竖坐标表示深度。(a)表示电场强度为零时的电荷沉积分布图，(b)为电场强度为1×10⁶V/m时的电荷沉积分布图，(c)为电场强度为5×10⁹V/m时的电荷沉积分布图，(d)为电场强度为1×10¹⁰V/m时的电荷沉积分布图。

由图可知，Cu离子的径迹中心在宽度为零处，电荷沉积在径迹中心达到最大值，远离径迹中心呈线性减小。当外加电场为零和10⁶V/m时，Cu离子径迹中心的电荷沉积基本无变化，电荷沉积最大值不超过150fC；当外加电场为5×10⁹V/m时，径迹中心的电荷沉积稳定在150fC以上；当外加电场为10¹⁰V/m时，径迹中心的电荷沉积大于190fC，最大电荷沉积可达206fC。

可以看出，随着电场强度的不断增大，电荷密度在垂直于Cu离子径迹方向的分布范围越来越广。因Cu离子径迹中心的空间电荷主要来源于Cu离子与碳化硅二极管的相互作用，在电场影响下没有明显变化；而远离径迹方向的空间电荷主要是由电子沉积能量造成的，所以在电场作用下变化明显。

步骤S5：基于碳化硅二极管的仿真模型和碳化硅二极管的初始缺陷损伤分布，通过TCAD软件模拟碳化硅二极管的缺陷损伤演化，以分析缺陷损伤对碳化硅二极管的电学性能的影响。

请查看图6，图6是不同电场强度下碳化硅二极管中的瞬态电流随时间的演化示意图。图中横坐标表示时间(单位：s)，纵坐标表示瞬态电流(单位：A)。

利用TCAD软件仿真不同电场强度下Cu离子辐射在碳化硅二极管中引起的瞬态电流。根据GEANT4模拟的结构，在5×10^-14s时碳化硅二极管中辐射致电子空穴对开始进行二次迭代，在二极管中形成瞬态电流，其随时间进行演化。随着电场强度的变化，初始电子空穴对的密度和分布发生变化，进而影响空间电荷的迭代。电场强度越大，在二极管中产生的反向瞬态电流越大，在1×10¹⁰V/m的电场强度下瞬态电流峰值可达0.06A。

本发明旨在保护一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法，包括：基于碳化硅二极管的基本结构和材料组成，通过Geant4构建碳化硅二极管的仿真模型，并在Geant4中设定偏置电场的大小以及入射粒子的种类和能量；在Geant4中进行仿真模拟，包括：将入射粒子射入所述碳化硅二极管，模拟不同偏置电场下入射粒子在碳化硅二极管内部的粒子运动轨迹及所述碳化硅二极管的初始缺陷损伤分布；基于碳化硅二极管的仿真模型和初始缺陷损伤分布，通过TCAD软件模拟碳化硅二极管的缺陷损伤演化过程，以分析缺陷损伤对碳化硅二极管的电学性能的影响。利用蒙特卡罗模拟软件Geant4和半导体器件分析软件TCAD，从材料到器件两个维度去观测和分析不同偏置电场下，重离子辐射碳化硅二极管的潜径迹损伤的产生和演化过程，进一步模拟缺陷损伤对碳化硅二极管电学性能的影响。揭示偏置电场与辐射损伤的相互作用关系，对碳化硅器件的辐射效应机理分析和可靠性评估提供了技术基础，同时对推进碳化硅器件在航空航天领域的应用具有重要意义。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。