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前言
目前新一代航天器為了降低成本、提高性能和使用壽命，将逐漸采用電推進系統取代傳統化學推進系統，電推進系統對功率器件的性能要求更高，僅工作電壓需達kV量級，正常SiC器件難以達到該水準。
SiC器件更适合高溫、高壓、強輻射場等複雜工況下的工作，也更有可能滿足新一代航天器對高內建、大功率、強耐壓、高工頻等性能的需求。
SiC二極管是利用半導體材料制成的具有單向導電性的二端器件，包含肖特基勢壘二極管、結構勢壘肖特基二極管，和PIN二極管。
我的團隊基于地面加速器裝置，開展SiCJBS對中能質子的輻射效應響應及機理研究，測量器件輻照前後的正反向I-V特性、反向C-V特性和DLTS諧，提取器件電性能變化和缺陷引入情況，并深入分析兩者間的關系。
研究方法
我們使用的兩款器件均采用TO-247封裝，反向直流電壓1200V标定工作溫度218~448K，實驗前，所有實驗樣品均開帽處理并暴露出靈敏區(圖1)。
#1晶片面積較小，平均正向電流40A，#2平均正向電流20A，故#1的工作電流密度更大，開帽後對實驗樣品的基本電學性能進行測試，篩選出電學性能穩定、均一性較好的器件開展輻照實驗。
輻照實驗在中國原子能科學研究院HI13串列加速器的重離子單粒子效應實驗終端進行，實驗現場示于圖2。
質子輻照實驗在真空靶室中進行，實驗樣品固定在靶室的樣品架上，在輻照過程中質子在器件有肖特基結構一側表面垂直入射，輻照實驗過程中器件全程處于真空環境。
等效低地球軌道(LEO)輻照損傷考慮到低軌道衛星空間環境中的中能質子占比較大，以低軌道衛星在軌運作10a為目标應用場景基于位移損傷等效劑量法標明質子能量10MeV。
每種條件下的輻照時間均為1000s，束斑面積為5cmX5cm輻照條件及對應編号列于表1。
輻照後，測試器件的電學性能，包括正向IV、反向I-V以及C-V特性，同時對經過100d充分室溫退火後器件的工作狀态進行測試，評價器件質子輻照後的室溫退火自修複能力。
等效地球同步軌道輻照損傷，基于位移損傷等效劑量法，采用10MeV質子最大注量1X10p/cm條件輻照所産生的位移損傷約為在低地球軌道至地球靜止軌道等低、中、高全部典型軌道上運作10年所累積的位移損傷。
是以在室溫無偏壓條件下開展10、15、20MeV三種能量，各樣品的輻照條件列于表2。
在器件輻照前後對其進行電學特性，包括正向I-V、反向IV和C-V特性分析，同時對經過100d充分室溫退火後器件的工作狀态進行測試，評價器件質子輻照後的室溫退火自修複能力。
要提高自修複能力，就需要建立數學模型，SiCJBS電容C與電壓V的美系可由公式(1)的1/C-V關系表示：
而SiCJBS的肖特基勢壘高度由公式（2）描述：
通過以上數學模型可計算出輻照前後SiCJBS的肖特基勢壘高度、有效載流子濃度等特性參數，再結合載流子特性及材料特性，可從理論上分析不同束流條件下器件産生輻射損傷程度以及引起宏觀性能退化的深層實體機制。
結果與讨論
器件輻照前的電學特性示于圖3，由圖3可知，兩款器件在1V以内的正向特性以及反向電學特性相似。
V特性，器件輻照前後的正向I-V特性示于圖4，由圖4可見，質子輻照後器件#1開啟電壓均略增大，正向電流特性略降低，而器件#2幾乎沒有改變。
兩款器件的正向特性均不會産生明顯退化，SiCJBS的正向特性對于質子輻照效應不敏感，且器件#2正向特性穩定性更好。
表明在不加電、室溫條件下，在LEO軌道運作10年所累積的位移損傷，基本不會造成這兩款器件正向特性嚴重退化。
器件輻照後的反向I-V曲線示于圖5，由圖5可以看出，器件#2經質子輻照後的漏電流發生明顯增加，且10MeV質子造成了器件擊穿電壓的嚴重退化。
而小測試電壓下反向電流的減小，可能是隧穿電流降低、熱擴散電流降低等原因導緻，這可能與肖特基勢壘的增加、輻照缺陷俘獲載流子緻其濃度降低以及界面負電荷累積等原因有關。
退火特性經過室溫退火後的反向I-V特性示于圖6。
質子輻照後，對于器件#1，#1-1器件的反向額定擊穿電壓降570V，其他器件的反向額定擊穿電壓均降至800V以下，對于器件#2、#2-2、器件的反向額定擊穿電壓均分别降至780、880V以下，而#2-4器件的反向額定擊穿電壓降至810V以下。
可以看出，SiCJBS的反向特性對于質子位移損傷效應較為敏感，輻照後器件的特性變得不再穩定。
可能是界面電荷積累導緻半導體界面處的峰值電場增加，同時輻照缺陷引起肖特基結、PN結界面受損并增強了隧穿效應，綜合多種因素共同導緻器件擊穿特性受損。
對比圖5可知，#1器件抗低注量、高能量條件質子輻照損傷能力更強，但輻照後室溫退火缺陷消除的能力較差，這可能與其材料摻雜濃度過大等原因有關，也說明室溫退火不會完全消除器件因輻照帶來的損傷，器件性能也難以恢複。
V特性，器件輻照前後的C-V特性曲線示于圖7。
器件#1經質子輻照後器件電容退化率達到32.6%，其他器件幾乎無改變。
而器件#2的#2-2器件、#2-4器件電容退化率分别達到25.2%、24.3%，其電容特性與質子能量和注量出現了明顯的相關性。
将圖7的CV資料帶人公式(1)，得到1/C-V關系曲線并計算出器件的特性參數列于表3。
對于#1器件#1-1電容改變異常的原因可能與其出廠可靠性有關，其他器件的載流子濃度、肖特基勢壘高度變化較小，可能因測試及計算精度所限而無法展現出#2器件的規律。
微觀缺陷，基于深能級瞬态譜測試結果可獲得器件受質子輻照所産生的缺陷類型及密度，器件輻照前後的DLTS測試結果示于圖8。
可見，這兩款SiCJBS缺陷峰強度不完全相同，但基本都存在3個主要的缺陷峰。
分析認為，三個峰均向上凸起，峰強為正，屬于受主型缺陷能級，會俘獲多數載流子電子并降低其遷移率，進而導緻相同偏壓下電流的下降等電學性能改變。
分析DLTS結果可知10MeV和20MeV質子輻照均令原有的缺陷能級峰位增強，說明質子輻照導緻C缺陷與S缺陷密度均增加，但Si原子離位能大于C原子離位阙能，是以質子輻照可引入更多的C缺陷也是以導緻多個C缺陷相關峰位均在質子輻照後增強。
而#2-2的Z/側出現新缺陷峰位，以及EH原有缺陷峰位的展寬，則可能與質子輻照在SiC器件中引人了新型缺陷有關，但其同原有缺陷峰位重合故并未顯示出單獨缺陷峰位。
同時，#1-4、#2-4輻照後DLTS均明顯變形，這可能與20MeV較高能量質子輻照在器件内引入了更嚴重的C缺陷族損傷相關由于缺陷能級密度增加，俘獲載流子能力增加，載流子濃度減小，這與C-V測試結果一緻。
證明質子輻照導緻器件内産生更多缺陷，缺陷密度增加，載流子複合增加，并引發載流子去除效應，進而導緻器件反向電學性能出現明顯退化。
V特性用于提高質子輻照柱量後器件的正向IV特性示于圖9。
理想因子的計算公式可知，器件的理想因子相比于輻照前有所增大，且在10MeV處達到最大，這是因為相比更高能量的質子，10MeV質子輻照引起了SiCIBS最為嚴重的非電離能量損失。
通過圖10所示反向IV特性，可見器件#1和器件#2在受到質子輻射後，在小測試電壓下都出現了漏電流減小的現象。
而随測試電壓增加，#1組中經10MeV質子輻照的#1-1器件反向漏電流在560V處便開始出現了驟增，#2組中經10MeV質子輻照的#2-1器件反向漏電流也在200V以後便出現了緩慢增加的現象。
退火特性經過室溫退火後的反向I-V特性示于圖11，器件#1的反向漏電流進一步增大、電學性能發生明顯退化，器件#2的反向特性相對穩定。
其中，經過20MeV質子輻照的#1-3器件的反向漏電流在600V處開始波動，經過15MeV質子輻照的#1-2器件的反向漏電流在370V處開始波動，到580V完全擊穿，經過10MeV質子輻照的#1-1器件的反向漏電流在420V處完全擊穿。
說明采用位移損傷等效劑量法計算的較高注量質子輻照，在SiCJBS器件内部引入大量的輻照缺陷，且#1器件内的輻照缺陷無法随室溫退火出現明顯修複，器件的額定擊穿電壓已降至50%以下，故無法滿足航天應用需求。
V特性器件，C-V測試結果示于圖12。
由圖12可知，器件#1和器件#2的電容量都發生了退化。器件#1退化較小，其中#1-1在0V處的電容量退化率大于10%，但三種能量質子輻照後電容的退化相差較小，器件#2的退化更加明顯，其中經過10MeV質子輻照後的#2-1在0V處的電容量退化率最高并大于30%。
因為SiCJBS的電容與器件的載流子濃度、界面态、器件材料及結構特性等參數有關，#2晶片面積大，載流子濃度偏低，相同注量質子輻照在#2器件内引入更多缺陷和界面态，導緻其載流子濃度進一步減小，空間電荷區變小，勢壘電容減小，故C-V特性出現劇烈改變。
表4為基于圖12的CV資料以及公式(1)計算出的器件的内建電勢Vi有效載流子濃度N，以及肖特基勢壘高度De。
這是因為質子輻照誘生更多的輻照缺陷，缺陷會增加載流子的暫時性俘獲以及複合能力，導緻載流子濃度下降，即載流子去除效應，進而導緻電學性能也顯現出退化。
同樣，10MeV質子輻照之後器件C-V性能退化最為嚴重，與I-V特性的結果一緻，主要與低能質子NIEL更大，導緻更多晶格原子離開平衡位置形成輻照缺陷等原因有關。
結論
針對商用航天器典型衛星軌道運作10年累積的位移損傷劑量所對應的10Mev單能質子輻照注量，開展了10~20MeV中能質子加速器地面模拟輻照實驗得到輻照前後SiCJBS的正向電學特性、反向電學特性以及微觀缺陷特性，并分析了輻照條件與器件特性退化之間的關系。
目前商用高性能SiCJBS，尤其是其反向電學性能，對位移損傷效應仍較為敏感。基于10MeV等效位移損傷劑量法，受中等注量的中能質子輻照後所引起的位移損傷缺陷影響，SiCJBS會産生不同程度的退化，為其可靠運作埋下隐患。
而10MeV較低能量、較大注量的中能質子輻照會導緻SiCJBS産生難以恢複的永久缺陷，可引起其擊穿電壓大幅下降、甚至直接損毀。如果将其應用于航天任務中，則難以滿足航天任務需求。
未來，針對航天環境下新型SiCJBS的輻射效應還需更深入研究，結合逆向技術深度剖析器件結構、工藝與其抗輻照能力之間的關系，建立可靠的評估技術标準和評估平台，保障航天事業順利、高速發展。
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