摘要
随着科学技术的发展，人们对于地球外空间的探索逐步深入，半导体器件长期运行在强辐照环境中，器件的可靠性减弱。β-Ga2O3材料的禁带宽度高达4.9eV，强键合力使得其天然的具有优秀的抗辐照能力，适合应用于航天系统中。重离子广泛存在于空间辐照环境中，不同能量与剂量的重离子辐照β-Ga2O3基SBD会产生不同类型的损伤，引起器件性能退化甚至失效。因此，本文开展β-Ga2O3基肖特基二极管的重离子辐照研究。 本文首先利用SRIM仿真得到以下结论: (1)Ta离子辐照β-Ga2O3基SBD产生的损伤范围与入射离子射程和能量正相关。Ta离子沿着入射路径将能量传递给β-Ga2O3中的Ga原子与O原子，此过程中存在电子能损与核能损两种能量损失机制，分别对应电子阻止与核阻止本领。入射能量大于6.5MeV，Ta离子的电子阻止比核阻止高2-3个数量级，16MeV的Ta离子核阻止仅占总能量损失的23％。 (2)16MeV的Ta离子辐照β-Ga2O3基SBD，在器件中引入的空位密度随入射深度增加先上升后下降，剂量为1×108cm-2、3×108cm-2、3×109cm-2的Ta离子辐照对应产生的空位密度为1.64×1016cm-3、4.94×1016cm-3、4.94×1017cm-3。 (3)计算得到Ta离子在β-Ga2O3基SBD结构中产生的LET。随着入射能量增加，整个器件结构范围内的LET变大。入射能量相同时，LET随入射深度增加而减小。器件辐照后退化程度与NIEL成线性相关。NIEL首先随着入射能量的增大而增加，当入射能量过大时，随着入射能量进一步增加，产生位移的原子减少，NIEL降低。 在SRIM仿真基础上，使用SentaurusTCAD软件在不同工作电压、不同LET值、不同入射角度、不同入射深度与不同粒子特征半径5个方面对Ta离子辐照β-Ga2O3基SBD的单粒子效应进行研究。单粒子瞬态电流峰值与电极收集电荷随反向偏压增大而增加，在-200V偏置电压下，器件辐照后发生烧毁;此外，在入射深度相同的情况下，随着LET值增大，离子单位距离内沉积的能量越多，产生的电子-空穴对越多，瞬态脉冲电流的峰值越大;随着入射角度增大，入射离子在器件内部经过的路程越长，产生的载流子数量越多，瞬态脉冲电流峰值越大;入射深度和入射离子特征半径对单粒子瞬态电流影响并不显著。 最后制备垂直结构β-Ga2O3基SBD，进行快重离子辐照实验，使用Keithley4200A-SCS半导体参数分析仪进行辐照前后SBD的正、反向I-V高频C-V与变频C-V测试，对比分析辐照对SBD电学特性的影响，结果如下: (1)16MeV的Ta离子辐照后，SBD导通电阻与反向泄漏电流随辐照剂量的增加而增大。辐照剂量达到3×109cm-2时，器件正向I-V特性和C-V特性完全退化。提取Ta离子剂量为1×108cm-2与3×108cm-2辐照后的SBD参数，得到理想因子随辐照剂量增加而增大，推测是由于辐照后的载流子传输机制发生变化导致。辐照在金属-半导体界面产生陷阱中心，使界面电场增加，辐照后肖特基势垒从1.11eV下降到1.05eV。辐照后外延层载流子由于被缺陷捕获，浓度减小，耗尽层宽度增加，导致电容减小。 (2)对剂量为1×108cm-2与3×108cm-2的Ta离子辐照后的SBD进行变频C-V测试，通过平行电容法分析后得到Ta离子辐照引入缺陷能级位于Ec-0.85eV处。 (3)与辐照剂量同为1×108cm-2的Ta离子辐照相比，100MeV的Bi离子辐照β-Ga2O3基SBD导致的器件退化更为严重。理想因子、肖特基势垒高度、载流子浓度、导通电阻等电学参数变化都更为显著。
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