基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法与流程

本发明涉及基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，属于二极管微电子技术领域。

背景技术：

寻找一种新型的能满足航空航天和核反应堆等强射线和高温恶劣环境工作的具有独特的物理性质和电学性质的半导体材料已经成为半导体领域新热点。近年来，第三代半导体材料中的一种材料——氧化镓(ga2o3)发展迅猛，成为抗辐射领域的研究热点之一。ga2o3材料的宽禁带和高的原子临界位移能决定了其器件具有强的抗电磁波冲击和高的抗辐射破坏的能力。如果ga2o3器件的结构参数能进一步优化，其抗辐照能力有望再得到提高。

空间辐照效应中对ga2o3器件影响最严重的是位移辐射损伤。入射粒子与靶材原子相互作用，导致靶材原子晶格点阵发生变化(局部)而产生位移辐射效应。当入射粒子与靶材原子发生交互作用时，可在靶材中产生空位、间隙原子及相关缺陷等体损伤。这些间隙原子和空位会再次发生交互作用，形成更为复杂的缺陷。其涉及的物理过程比较复杂，最终的结果是形成复合中心。以ga2o3肖特基二极管为例，辐射缺陷主要是导致有源区的载流子被辐射缺陷俘获，使得有源区的载流子浓度大幅降低，有源区的电导率减小，从而造成正向及反向特性的退化。能够产生位移损伤的带电粒子辐照注量越大，在ga2o3材料内形成的复合中心数量越多，造成的性能退化也就愈加严重。

因此，针对以上不足，需要提供一种方法，使氧化镓肖特基二极管在空间带电粒子辐照环境中，其内部的位移辐射缺陷能够保持稳定，不因辐射注量的增大而明显变化，从而提高氧化镓肖特基二极管的抗位移辐照能力。

技术实现要素：

针对现有氧化镓肖特基二极管在带电粒子辐照环境中抗位移辐照能力差，易造成其正向及反向特性退化的问题，本发明提供一种基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法。

本发明的一种基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，包括以下步骤：

步骤一：根据原ga2o3肖特基二极管的结构参数，确定离子的待注入位置，并根据待注入位置模拟确定所述离子的能量和射程；

步骤二：模拟将所述离子注入原ga2o3肖特基二极管的待注入位置，并获得ga2o3肖特基二极管正向及反向目标特性变化曲线，记录目标特性变化曲线的变化量小于原ga2o3肖特基二极管正向及反向特性变化曲线10％时的离子注入量；

步骤三：根据离子的能量和离子注入量，计算离子注入机的离子源电压、离子束电流和离子注入时间；

步骤四：设置离子注入机，并通过离子注入机对原ga2o3肖特基二极管进行离子注入；

步骤五：对完成离子注入的ga2o3肖特基二极管进行退火处理，实现对原ga2o3肖特基二极管的抗位移辐照加固。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，所述原ga2o3肖特基二极管的结构参数包括原ga2o3肖特基二极管各部分的材料、密度、掺杂浓度及厚度。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，所述离子为镓离子或氧离子。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，所述离子源电压v的计算方法为：

式中e为离子的能量，c为离子电荷量。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，所述离子束电流i和离子注入时间t的确定方法为：

式中φ为离子注入量，q为单位电荷电量。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，所述离子注入时间t大于5分钟。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，所述步骤五中对完成离子注入的ga2o3肖特基二极管进行退火处理的退火温度为550℃-1000℃。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，所述步骤五中对完成离子注入的ga2o3肖特基二极管进行退火处理的退火时间为0.5分钟到1分钟。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，步骤一中确定所述离子的能量和射程通过srim软件模拟实现。

根据本发明的基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，步骤二中的模拟过程通过tcad软件实现。

本发明的有益效果：本发明方法通过深层离子注入的方式，在ga2o3肖特基二极管有源区内部的一定深度范围内人为地引入缺陷陷阱，可以对由位移辐射造成的缺陷产生复合作用，使二极管器件在受到空间带电粒子辐照后，内部的位移辐射缺陷保持稳定，而不会因辐射注量的增大而明显变化，从而可提高ga2o3肖特基二极管的抗辐照能力，保持ga2o3肖特基二极管正向及反向特性的稳定。

经实验验证，采用本发明方法处理的ga2o3肖特基二极管与现有ga2o3肖特基二极管进行对比，抗辐照能力可提高约2-4倍。

附图说明

图1是本发明所述基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法的示例性流程图；

图2是向原ga2o3肖特基二极管注入离子的示意图；图中1表示电极，电极以下部分为有源区，向下的箭头表示向有源区离子注入；

图3是ga2o3肖特基二极管器件未离子注入和深层离子注入后的抗辐照能力对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1及图2所示，本发明提供了一种基于深层离子注入的氧化镓肖特基二极管抗位移辐照方法，包括以下步骤：

步骤一：根据原ga2o3肖特基二极管的结构参数，确定离子的待注入位置，并根据待注入位置模拟确定所述离子的能量和射程；

步骤二：模拟将所述离子注入原ga2o3肖特基二极管的待注入位置，并获得ga2o3肖特基二极管正向及反向目标特性变化曲线，记录目标特性变化曲线的变化量小于原ga2o3肖特基二极管正向及反向特性变化曲线10％时的离子注入量；

步骤三：根据离子的能量和离子注入量，计算离子注入机的离子源电压、离子束电流和离子注入时间；

步骤四：设置离子注入机，并通过离子注入机对原ga2o3肖特基二极管进行离子注入；

步骤五：对完成离子注入的ga2o3肖特基二极管进行退火处理，实现对原ga2o3肖特基二极管的抗位移辐照加固。

本实施方式的步骤一中，离子的待注入位置包括离子的注入深度及方位，根据结构参数确定注入位置后，可以采用相应的软件模拟确定所需待注入离子的能量和射程；步骤二中，在向原ga2o3肖特基二极管注入离子的过程中，随着离子注入量的改变，根据离子的能量和射程实时模拟目标特性变化曲线，选取目标特性变化曲线变化量小于10％，是为了避免对ga2o3肖特基二极管的输出电性能造成太大影响；步骤三中，确定离子的能量和离子注入量后，可以对相应的离子注入机进行设置，进而实施离子注入过程。对ga2o3肖特基二极管进行离子注入可改善其抗位移辐照性能，从而实现对原ga2o3肖特基二极管的性能加固。

本发明方法中，在ga2o3肖特基二极管有源区的一定深度范围内，例如距离有源区与电极交界面5nm-8nm的厚度内，通过离子注入的方式人为地引入缺陷陷阱，可以对由位移辐射造成的缺陷产生复合作用，使二极管器件内部的位移辐射缺陷保持稳定，不因辐射注量的增大而明显变化，从而提高ga2o3肖特基二极管的抗辐照能力。因此，本发明方法有利于提高ga2o3肖特基二极管抗位移辐照能力。

进一步，结合图2所示，所述原ga2o3肖特基二极管的结构参数包括原ga2o3肖特基二极管各部分的材料、密度、掺杂浓度及厚度。

通常ga2o3肖特基二极管的结构包括有源区及电极1，所述离子需要注入到有源区，可选择注入位置为深入有源区5-8nm范围内，以增加离子注入引入缺陷俘获载流子的概率。

作为示例，所述离子为镓离子或氧离子。向ga2o3肖特基二极管注入镓离子或氧离子，可以确保只是向器件内部引入缺陷，避免离子注入后改变原ga2o3肖特基二极管器件内部的掺杂类型和浓度，并不改变有源区材料性质。在具体对氧化镓肖特基二极管抗位移辐照加固的实施中，可以根据实际需要只注入氧离子，或者只注入镓离子，或者按照先后顺序既注入氧离子又注入镓离子。

进一步，所述离子源电压v的计算方法为：

式中e为离子的能量，单位为ev；c为离子电荷量。

再进一步，所述离子束电流i和离子注入时间t的确定方法为：

式中φ为离子注入量，q为单位电荷电量。所述离子注入时间t即为辐照时间，即离子注入机运行时间。

对于离子束电流i和离子注入时间t的确定可通过均衡考虑来确定具体数值。

再进一步，所述离子注入时间t大于5分钟。通常离子注入时间应大于5分钟，以避免由实验操作时间所带来的注入量误差，从而控制离子注入误差量小于总注入量的1％。

再进一步，所述步骤五中对完成离子注入的ga2o3肖特基二极管进行退火处理的退火温度为550℃-1000℃，此温度范围去应力和重结晶效果最佳。

再进一步，所述步骤五中对完成离子注入的ga2o3肖特基二极管进行退火处理的退火时间为0.5分钟到1分钟，一方面能够达到离子注入后有源区材料重结晶的效果，另一方面由退火处理所产生的热效应不足以影响其他功能结构。

作为示例，步骤一中确定所述离子的能量和射程通过srim软件模拟实现。所述srim软件，全称thestoppingandrangeofionsinmatter，由jamesziegler编制，是国际上常用的粒子与材料交互作用模拟软件。该软件为开源软件，即公开源代码。其作用是模拟粒子在材料中的运动及作用方式，可以计算粒子在材料中的能量损失、射程、碰撞截面等信息。

作为示例，步骤二中的模拟过程通过tcad软件实现。所述tcad软件，全称为technologycomputeraideddesign，半导体工艺模拟以及器件模拟工具，该软件的发行商为美国silvaco公司。其作用是通过设定器件的结构参数、加工工艺、外界条件等参数，来模拟器件的电性能及内部状态。

经本发明退火处理后的ga2o3肖特基二极管实现了抗位移辐照加固。

本发明的工作原理：

空间带电粒子会在器件内部产生多种辐射损伤，其中最为严重的是位移辐射损伤。位移辐射损伤会在器件内部产生空位、间隙原子等缺陷，从而严重地影响器件的性能参数。位移辐射缺陷主要是导致ga2o3肖特基二极管有源区的载流子被辐射缺陷俘获，使得有源区的载流子浓度大幅降低，有源区的电导率减小，从而造成正向及反向特性的退化。因此，有源区是ga2o3肖特基二极管位移辐射损伤的敏感区，严重地受到位移辐射损伤的影响。本发明采用在有源区内深层离子注入的方式有效的提高了ga2o3肖特基二极管的抗辐照能力。

采用本发明所述方法对ga2o3肖特基二极管进行抗位移辐照加固，并将加固后的器件与未进行抗位移辐照加固的ga2o3肖特基二极管同时进行辐照对比，如图3所示。本实验选用ga/o离子辐照源，剂量率为1rad/s，总剂量为100krad，选择100krad处，ga2o3肖特基二极管的正向特性变化量归一化结果(正向电压1v处的正向电流)作为抗辐射能力判据。由图可见，与未加入抗辐照加固的ga2o3肖特基二极管相比，经过本发明所述方法加固后的晶体管抗位移辐照能力提高约3.2倍。因此，本发明方法可以大大减小位移辐射缺陷对器件性能的影响，提高ga2o3肖特基二极管的抗辐照能力。

本发明采用现有的srim软件和tcad软件，对ga2o3肖特基二极管进行性能仿真，有效地缩短了参数的确定时间与程序，能够快速的确定离子注入所需参数。

本发明所述的基于深层离子注入方式的ga2o3肖特基二极管抗位移辐照加固方法既可用于对现有的ga2o3肖特基二极管进行抗辐照加固，也可以在ga2o3肖特基二极管的生产过程中进行，直接生产出具有抗位移辐照性能的ga2o3肖特基二极管。本发明方法优化了ga2o3肖特基二极管的抗辐照性能，是一项重要的抗位移辐照加固技术。

综上所述，经本发明所述方法加工后的ga2o3肖特基二极管有效实现了抗位移辐照加固，具有更可靠的抗位移辐射损伤能力。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。