碳化硅肖特基二极管的电荷收集特性

  碳化硅（SiC）具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性良好等特点，被认为是制作高温、高频、大功率和抗辐射器件极具潜力的宽带隙半导体材料。相比于传统硅基半导体探测器具有优异的耐高温和抗辐照性能，近年来SiC材料在核探测领域得到了广泛的关注，被应用于致电离粒子（Ｘ射线、γ射线、a粒子等）和中子探测等方面。国内在SiC应用于核探测方面的研究起步较晚，主要集中于辐照效应研究、高温特性研究及少量的探测器模拟研究，而在SiC器件应用于核辐射探测方面的实验研究鲜有报道。值得指出的是，SiC器件的电荷收集特性对探测器性能具有重要影响，而国内针对该类核探测器的电荷收集特性开展的研究甚少。为进一步研究SiC肖特基二极管作为核探测器的性能，本文采用4H-SiC制备肖特基二极管，利用Am源研究其对a粒子的电荷收集特性，分析电荷收集率（CCE）的影响因素。
 
  1. 器件结构及实验方法
  1.1肖特基二极管结构
  4H-SiC肖特基二极管的横截面如图1（a）所示。4H-SiC晶片基底厚度为360µm，低掺杂外延层厚度为13µm，经高频CV测试获得外延层净掺杂数密度Nd为。外延层与晶片基底之间缓冲层的厚度为1µm。在4H-SiC晶片基底表面溅射1µm的Ni并退火形成欧姆接触，并电镀6µm的Au作金属加厚层，SiC外延层表面溅射0.1µm的Ni形成肖特基接触。

 
  1.2性能表征
  1.2.1电流-电压、电容-电压测量
　　正向电流-电压（IF-V）曲线采用Agilent 4155C半导体特性分析仪进行测量，测试电压范围为：0～2V。反向电流-电压（IR-V）曲线采用Keithley 6517B进行测量，测试电压范围为：0～700V。电容-电压（C-V）曲线采用Agilent 4155C与Agilent 4284A组成CV测试系统进行测量，测量频率为1mHz，测试电压范围为0～10V，在室温及黑暗条件下进行测量。
 
  1.2.2电荷收集效率测量
  CCE的定义为  
  式中：Ｑ0是粒子在探测器中产生的总电荷量；ＱM是探测器所探测到的电荷量。4Ｈ-SiC肖特基二极管CCE实验测量采用与同条件下Au-Si面垒型探测器进行脉冲幅度归一化的方法，测量装置示意图如图2所示。探测器和Am源置于金属屏蔽盒内。241Am源放出的a粒子经过19.6mm的空气间隙后进入探测器，在探测器灵敏区（对SiC探测器，灵敏区为反偏电压下外延层内所形成的耗尽区）产生电子空穴对，并在电场作用下分别向两极漂移，形成正比于能量沉积的电信号，经电荷灵敏前置放大器和线性放大器处理，用多道分析器采集分析即得脉冲幅度谱。其中，19.6mm空气间隙的选取是为使a粒子可完全被阻止在4H-SiC外延层中。采用SRIM2011程序可计算出Am源放出的a粒子经19.6mm空气间隙及0.1µm金属Ni层后剩余动能Ea为3.5mEV，在SiC中的射程为（9.6±0.3）µm。在放射源与后端电子学系统不变的情况下，分别使用Au-Si面垒型探测器与4H-SiC肖特基二极管进行测量。当Au-Si面垒型探测器的电荷收集效率SSi＝1时，4H-SiC肖特基二极管的电荷收集效率SSiC可表示  
  式中：ＰSiC，ＰSi分别是4H-SiC肖特基二极管与Au-Si面垒型探测器所测得的a能谱峰位；ɛSiC和ɛSi分别是4H-SiC与Si中产生一对电子空穴对所需的平均能量，分别取7.8eV和3.67eV。  
  2. 实验结果与分析
  2.1电流-电压与电容-电压
  本次实验制备的4H-SiC外延层属中等掺杂浓度的高迁移率半导体，该二极管小电压时的电流特性可描述如下  
  式中：A*为热电子发射的有效理查逊常数；T为温度；q为电子电量；k为玻耳兹曼常数；η为理想因子；V为外加电压；ΨB为4H-SiC二极管的肖特基势垒高度。利用式（3），从图3所示的IF-V曲线得出ΨＢ和η。其中ΨＢ=1.66eV，理想因子η为1.07，表明其电流输运机制主要为热电子发射过程。  
　　图4是4H-SiC肖特基二极管的IR-V特性。从图4可见，在反向偏压高达700V时，该二极管未击穿，其漏电流仅为21nA。该二极管具有高击穿电压表明4H-SiC在强电场下的电离率较低，而电离率低得益于4H-SiC较大的禁带宽度（3.26EV）。图5是4H-SiC肖特基二极管C-V特性。1/C²-V曲线经线性拟合后相关系数好于0.999，表明掺杂数密度随深度分布均匀。由该曲线斜率可求得4H-SiC外延层金属-半导体界面附近的净掺杂数密度Nd。  
  2.2 电荷收集率与电压的关系
  图6是实验测得4H-SiC肖特基二极管CCE与反向电压关系。从图6可见，当外加偏压为0V时，对3.5MeV a粒子的S为48.7%；当外加偏压为150V时即有S为99.4%，表明所制备的4H-SiC肖特基二极管具备良好的电荷收集特性。  
  当电压值较小时，入射粒子射程值R介于耗尽区宽度W和外延层厚度H之间（即W＜R＜H），考虑耗尽区载流子漂移过程及中性区载流子扩散过程，CCE可表示为  
  式中：ξ（x）是x处产生的电荷最终被收集的概率；Lp为空穴扩散长度；（-dE/dx）为电子阻止本领；E为入射粒子能量。假设掺杂数密度分布均匀，则耗尽区宽度W与反偏电压V关系如下  
  式中：ψbi为肖特基势垒的内建电势，据前述I-V测试结果可取ψbi＝1.66V；Nd为外延层净掺杂数密度，据前述C-V测试结果取Nd为；εs和q分别为4H-SiC介电常数和电子电量。由式（4），（5）可知，当电压值较小时，耗尽区宽度随电压上升而增大，从而电荷收集率SSiC随之上升。
 
  在较高电压下有Ｗ＞Ｒ，则CCE可表示为  
  式中若载流子平均寿命大于漂移时间，可认为ξ（x）＝1。从而对所有V＞V0，（V0为Ｗ＝R时对应的反偏电压值）有SSiC为100%。由式（5）可求得V0＝170V，即反偏电压在170V后，对3.5MeV的a粒子，CCE保持100%不变，与图（6）所示趋势吻合。
 
  3. 结论
  采用耐高温、抗辐照的宽带隙半导体材料4H-SiC制成肖特基二极管，利用241Am源的a粒子研究了该二极管电荷收集特性。该4H-SiC二极管的肖特基势垒高度ΨＢ为1.66eV，理想因子η为1.07。在反向偏压高达700V时，该二极管未击穿，其漏电流仅为21nA，具有较高的击穿电压。对3.5MeV a粒子，0V时CCE为48.7%，150V时CCE为99.4%，表现出良好的电荷收集特性；CCE随外加反向偏压的增大而升高，在170V后趋于饱和，该现象可结合载流子的扩散-漂移过程加以解释。
 
  4H-SiC具有良好的电荷收集特性和优异的耐高温抗辐照性能，适于制备新一代的半导体探测器，可克服常见的硅基半导体探测器不耐高温和抗辐照能力差的缺点，在高温强辐射场等极端环境下具有良好的应用前景。



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