阅读文章前辛苦您点下“关注”，方便讨论和分享，为了回馈您的支持，我将每日更新优质内容。

文 | 做个闲懒诗人

编辑 | 做个闲懒诗人

前言

目前新一代航天器为了降低成本、提高性能和使用寿命，将逐步采用电推进系统取代传统化学推进系统，电推进系统对功率器件的性能要求更高，仅工作电压需达kV量级，常规SiC器件难以达到该水平。

SiC器件更适合高温、高压、强辐射场等复杂工况下的工作，也更有可能满足新一代航天器对高集成、大功率、强耐压、高工频等性能的需求。

SiC二极管是利用半导体材料制成的具有单向导电性的二端器件，包含肖特基势垒二极管、结构势垒肖特基二极管，和PIN二极管。

我们基于地面加速器装置，开展SiCJBS对中能质子的辐射效应响应及机理研究，测量器件辐照前后的正反向I-V特性、反向C-V特性和DLTS谐，提取器件电性能变化和缺陷引入情况，并深入分析两者间的关系。

研究方法

根据上述，我们使用的两款器件均采用TO-247封装，反向直流电压1200V标定工作温度218~448K，实验前，所有实验样品均开帽处理并暴露出灵敏区（图1）。

#1芯片面积较小，平均正向电流40A，#2平均正向电流20A，故#1的工作电流密度更大，开帽后对实验样品的基本电学性能进行测试，筛选出电学性能稳定、均一性较好的器件开展辐照实验。

辐照实验在中国原子能科学研究院HI13串列加速器的重离子单粒子效应实验终端进行，实验现场示于图2。

质子辐照实验在真空靶室中进行，实验样品固定在靶室的样品架上，在辐照过程中质子在器件有肖特基结构一侧表面垂直入射，辐照实验过程中器件全程处于真空环境。

等效低地球轨道（LEO）辐照损伤考虑到低轨道卫星空间环境中的中能质子占比较大，以低轨道卫星在轨运行10a为目标应用场景基于位移损伤等效剂量法选定质子能量10MeV。

每种条件下的辐照时间均为1000s，束斑面积为5cmX5cm辐照条件及对应编号列于表1。

辐照后，测试器件的电学性能，包括正向IV、反向I-V以及C-V特性，同时对经过100d充分室温退火后器件的工作状态进行测试，评价器件质子辐照后的室温退火自修复能力。

等效地球同步轨道辐照损伤，基于位移损伤等效剂量法，采用10MeV质子最大注量1X10p/cm条件辐照所产生的位移损伤约为在低地球轨道至地球静止轨道等低、中、高全部典型轨道上运行10年所累积的位移损伤。

因此在室温无偏压条件下开展10、15、20MeV三种能量，各样品的辐照条件列于表2。

在器件辐照前后对其进行电学特性，包括正向I-V、反向IV和C-V特性分析，同时对经过100d充分室温退火后器件的工作状态进行测试，评价器件质子辐照后的室温退火自修复能力。

要提高自修复能力，就需要建立数学模型，SiCJBS电容C与电压V的美系可由公式（1）的1/C-V关系表示：

而SiCJBS的肖特基势垒高度由公式（2）描述：

通过以上数学模型可计算出辐照前后SiCJBS的肖特基势垒高度、有效载流子浓度等特性参数，再结合载流子特性及材料特性，可从理论上分析不同束流条件下器件产生辐射损伤程度以及引起宏观性能退化的深层物理机制。

结果与讨论

根据上述分析，所列器件辐照前的电学特性示于图3，由图3可知，两款器件在1V以内的正向特性以及反向电学特性相似。

V特性，器件辐照前后的正向I-V特性示于图4，由图4可见，质子辐照后器件#1开启电压均略增大，正向电流特性略降低，而器件#2几乎没有改变。

两款器件的正向特性均不会产生明显退化，SiCJBS的正向特性对于质子辐照效应不敏感，且器件#2正向特性稳定性更好。

表明在不加电、室温条件下，在LEO轨道运行10年所累积的位移损伤，基本不会造成这两款器件正向特性严重退化。

器件辐照后的反向I-V曲线示于图5，由图5可以看出，器件#2经质子辐照后的漏电流发生明显增加，且10MeV质子造成了器件击穿电压的严重退化。

而小测试电压下反向电流的减小，可能是隧穿电流降低、热扩散电流降低等原因导致，这可能与肖特基势垒的增加、辐照缺陷俘获载流子致其浓度降低以及界面负电荷累积等原因有关。

退火特性经过室温退火后的反向I-V特性示于图6。

质子辐照后，对于器件#1，#1-1器件的反向额定击穿电压降570V，其他器件的反向额定击穿电压均降至800V以下，对于器件#2、#2-2、器件的反向额定击穿电压均分别降至780、880V以下，而#2-4器件的反向额定击穿电压降至810V以下。

可以看出，SiCJBS的反向特性对于质子位移损伤效应较为敏感，辐照后器件的特性变得不再稳定。

可能是界面电荷积累导致半导体界面处的峰值电场增加，同时辐照缺陷引起肖特基结、PN结界面受损并增强了隧穿效应，综合多种因素共同导致器件击穿特性受损。

对比图5可知，#1器件抗低注量、高能量条件质子辐照损伤能力更强，但辐照后室温退火缺陷消除的能力较差，这可能与其材料掺杂浓度过大等原因有关，也说明室温退火不会完全消除器件因辐照带来的损伤，器件性能也难以恢复。

V特性，器件辐照前后的C-V特性曲线示于图7。

器件#1经质子辐照后器件电容退化率达到32.6%，其他器件几乎无改变。

而器件#2的#2-2器件、#2-4器件电容退化率分别达到25.2%、24.3%，其电容特性与质子能量和注量出现了明显的相关性。

将图7的CV数据带人公式（1），得到1/C-V关系曲线并计算出器件的特性参数列于表3。

对于#1器件#1-1电容改变异常的原因可能与其出厂可靠性有关，其他器件的载流子浓度、肖特基势垒高度变化较小，可能因测试及计算精度所限而无法展现出#2器件的规律。

微观缺陷，基于深能级瞬态谱测试结果可获得器件受质子辐照所产生的缺陷类型及密度，器件辐照前后的DLTS测试结果示于图8。

可见，这两款SiCJBS缺陷峰强度不完全相同，但基本都存在3个主要的缺陷峰。

分析认为，三个峰均向上凸起，峰强为正，属于受主型缺陷能级，会俘获多数载流子电子并降低其迁移率，进而导致相同偏压下电流的下降等电学性能改变。

分析DLTS结果可知10MeV和20MeV质子辐照均令原有的缺陷能级峰位增强，说明质子辐照导致C缺陷与S缺陷密度均增加，但Si原子离位能大于C原子离位阙能，因此质子辐照可引入更多的C缺陷也因此导致多个C缺陷相关峰位均在质子辐照后增强。

而#2-2的Z/侧出现新缺陷峰位，以及EH原有缺陷峰位的展宽，则可能与质子辐照在SiC器件中引人了新型缺陷有关，但其同原有缺陷峰位重合故并未显示出单独缺陷峰位。

同时，#1-4、#2-4辐照后DLTS均明显变形，这可能与20MeV较高能量质子辐照在器件内引入了更严重的C缺陷族损伤相关由于缺陷能级密度增加，俘获载流子能力增加，载流子浓度减小，这与C-V测试结果一致。

证明质子辐照导致器件内产生更多缺陷，缺陷密度增加，载流子复合增加，并引发载流子去除效应，进而导致器件反向电学性能出现明显退化。

V特性用于提高质子辐照柱量后器件的正向IV特性示于图9。

理想因子的计算公式可知，器件的理想因子相比于辐照前有所增大，且在10MeV处达到最大，这是因为相比更高能量的质子，10MeV质子辐照引起了SiCIBS最为严重的非电离能量损失。

通过图10所示反向IV特性，可见器件#1和器件#2在受到质子辐射后，在小测试电压下都出现了漏电流减小的现象。

而随测试电压增加，#1组中经10MeV质子辐照的#1-1器件反向漏电流在560V处便开始出现了骤增，#2组中经10MeV质子辐照的#2-1器件反向漏电流也在200V以后便出现了缓慢增加的现象。

退火特性经过室温退火后的反向I-V特性示于图11，器件#1的反向漏电流进一步增大、电学性能发生明显退化，器件#2的反向特性相对稳定。

其中，经过20MeV质子辐照的#1-3器件的反向漏电流在600V处开始波动，经过15MeV质子辐照的#1-2器件的反向漏电流在370V处开始波动，到580V完全击穿，经过10MeV质子辐照的#1-1器件的反向漏电流在420V处完全击穿。

说明采用位移损伤等效剂量法计算的较高注量质子辐照，在SiCJBS器件内部引入大量的辐照缺陷，且#1器件内的辐照缺陷无法随室温退火出现明显修复，器件的额定击穿电压已降至50%以下，故无法满足航天应用需求。

V特性器件，C-V测试结果示于图12。

由图12可知，器件#1和器件#2的电容量都发生了退化。器件#1退化较小，其中#1-1在0V处的电容量退化率大于10%，但三种能量质子辐照后电容的退化相差较小，器件#2的退化更加明显，其中经过10MeV质子辐照后的#2-1在0V处的电容量退化率最高并大于30%。

因为SiCJBS的电容与器件的载流子浓度、界面态、器件材料及结构特性等参数有关，#2芯片面积大，载流子浓度偏低，相同注量质子辐照在#2器件内引入更多缺陷和界面态，导致其载流子浓度进一步减小，空间电荷区变小，势垒电容减小，故C-V特性出现剧烈改变。

表4为基于图12的CV数据以及公式（1）计算出的器件的内建电势Vi有效载流子浓度N，以及肖特基势垒高度De。

这是因为质子辐照诱生更多的辐照缺陷，缺陷会增加载流子的暂时性俘获以及复合能力，导致载流子浓度下降，即载流子去除效应，从而导致电学性能也显现出退化。

同样，10MeV质子辐照之后器件C-V性能退化最为严重，与I-V特性的结果一致，主要与低能质子NIEL更大，导致更多晶格原子离开平衡位置形成辐照缺陷等原因有关。

结论

我们针对商用航天器典型卫星轨道运行10年累积的位移损伤剂量所对应的10Mev单能质子辐照注量，开展了10~20MeV中能质子加速器地面模拟辐照实验，得到辐照前后SiCJBS的正向电学特性、反向电学特性以及微观缺陷特性。

并分析了辐照条件与器件特性退化之间的关系。

目前商用高性能SiCJBS，尤其是其反向电学性能，对位移损伤效应仍较为敏感，基于10MeV等效位移损伤剂量法，受中等注量的中能质子辐照后所引起的位移损伤缺陷影响，SiCJBS会产生不同程度的退化，为其可靠运行埋下隐患。

而10MeV较低能量、较大注量的中能质子辐照，会导致SiCJBS产生难以恢复的永久缺陷，可引起其击穿电压大幅下降、甚至直接损毁，如果将其应用于航天任务中，则难以满足航天任务需求。

未来，针对航天环境下新型SiCJBS的辐射效应还需更深入研究，结合逆向技术深度剖析器件结构、工艺与其抗辐照能力之间的关系，建立可靠的评估技术标准和评估平台，保障航天事业顺利、高速发展。

引用参考文献

1、王莉，朱萍.新型宽带SiC功率器件在电力电子中的应用[J].南京航空航天大学学报，2014（4）

2、蔡蔚，孙东阳，周铭浩等，第三代宽禁带功率半导体及应用发展现状[J].科技导报，2021，39（14）

3、顾占彪，李志斌，石伟杰，等，宽禁带器件在1kV高频直流谐振变换器中的应用与对比[J].电源学报，2020（1）

4、王成龙，王庆宇，张跃等，SiC/C界面辐照性能的分子动力学研究[J].物理学报，2014（15）