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Effects of irradiation by protons, neutrons, and gamma particles on electrical properties of 4H-SiC diodes and LGAD sensors

本研究表明，质子、中子和伽马射线辐照通过诱导深能级缺陷来补偿体材料并改变有效掺杂浓度，从而显著改变了 4H-SiC 二极管和 LGAD 的电学特性，进而改变了高通量下的漏电流和电容行为。

原作者： Jiří Kroll (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Pavla Federičová (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Jan Chochol (onsemi, Rož

发布于 2026-07-14

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CC BY 4.0

原作者： Jiří Kroll (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Pavla Federičová (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Jan Chochol (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Adam Klimsza (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Jana Kozáková (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Adam Kozelský (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Vojtěch Kráčmar (Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Jiří Kvasnička (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Roman Malousek (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Mária Marčišovská (Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Michal Marčišovský (Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Marcela Mikeštíková (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), David Novák (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Radek Novotný (Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Peter Slovák (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Radim Špetík (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Peter Švihra (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Pavel Tůma (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia)

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你有一个由一种被称为 4H-SiC 的特殊材料制成的超坚韧、超薄的三明治。这可不是普通的午餐；这是一个旨在探测不可见粒子的半导体三明治。来自捷克共和国和 onsemi 的科学家们决定看看，如果用三种不同类型的宇宙“子弹”猛烈轰击这个三明治，会发生什么：高速质子、反应堆中子和伽马射线。

把这些三明治层想象成这样：一个厚实、超强韧的底层面包（衬底）、一层蓬松的中层面包（外延层），以及一层特殊的“秘密酱汁”层（乘倍层），它能帮助放大微弱的信号。目标是看看这个三明治能否在核冬天中幸存下来，并且依然“味道不错”（或者说，依然能正常工作）。

质子轰击：伟大的平衡术

首先，他们用 24 GeV/c 的质子（可以想象成微小的、速度极快的乒乓球）轰击了这些三明治。在达到一定程度之前，三明治表现得很好。但一旦撞击量达到 1 × 10¹⁴ protons/cm²，奇怪的事情发生了。

通常，当你用辐射击打一种材料时，它会变得“漏水”，就像一个带洞的桶。但在这里，情况恰恰相反。随着质子轰击量的增加（高达 1 × 10¹⁶ protons/cm²），那个“漏口”实际上开始缩小了。科学家们认为这是因为质子在材料结构中制造了一些深层的、肉眼看不见的“洞”，这些洞就像海绵一样，吸收了多余的电荷。这就像是质子意外地添加了一个平衡重物，中和了三明治天然的电学个性。

由于这种“海绵效应”，三明治不再表现得像一个单向阀门（二极管），而是无论你向前还是向后推动电流，它的表现几乎都一样。中间那层面包变得如此完美平衡，以至于电流并不在意其流向。科学家们通过检查“体电容”（一种观察三明治能储存多少电荷的方法）来测量这一点，发现电容变得平坦且稳定，这证明了中间层实际上已被中和。

中子风暴：深度潜行

接下来，他们用反应堆中子袭击了三明治。这些是重型武器。在较低水平（2.3 × 10¹⁷ neq/cm²）下，三明治的表现与受质子轰击的三明治相似。但当他们将其提高到极端水平（5.2 × 10¹⁷ 和 1.0 × 10¹⁸ neq/cm²）时，情况变得疯狂了。

通常，“耗尽区”（即准备好探测信号的部分）大约有 50 µm 厚。但在经历了沉重的中子轰击后，科学家们测得的耗尽区竟然延伸到了约 350 µm。这竟然是面包层深度的七倍！

这表明中子不仅仅破坏了中间层，它们还深入到了原本充满电荷的底层面包（衬底）中。辐射有效地将这个超带电的底层层变成了几乎空置的状态，从而允许探测区域远远超出了其原定的边界。科学家们通过测量电容降至仅 2.2 pF，找到了这一巨大扩张的数学指纹。

然而，尽管“活跃区”变得巨大，漏电流并没有像预期的那样激增。科学家们认为，虽然体积变大了，但 4H-SiC 材料本身极其坚韧（具有巨大的禁带宽度），因此不会自行产生许多杂散电子。他们观察到的额外电流很可能来自于三明治的边缘，或者是电场从内部拉出了电子，而不是整个体积直接“熔化”了。

伽马射线淋浴：表面磨损

最后，他们用来自 ⁶⁰Co 源的伽马射线浸浴这些三明治，剂量高达 300 kGy。伽马射线与众不同；它们不像质子或中子那样猛烈地撞碎原子。相反，它们主要干扰三明治的“皮肤”——氧化层和界面。

令人惊讶的是，“漏电流”（不想要的电流）几乎没有变化。三明治保持着和之前一样紧凑。但它处理电压的方式发生了变化。对于 LGAD 传感器（带有“秘密酱汁”的那些），电容在整个电压范围内几乎变得平坦，这表明“秘密酱汁”层失去了一些威力（有效掺杂浓度下降）。对于普通的 PN 二极管，电容随电压增加而下降得更快，但在完全耗尽后仍稳定在 16.8 pF。

科学家们注意到一个奇怪的现象：某些样本在电压达到某个阈值之前突然拒绝导电，然后突然跳升。这表明伽马射线在表面制造了小型的“交通堵塞”或阻塞路径，而不是破坏了整个三明治。

结论

那么，结论是什么？这个 4H-SiC 三明治非常坚韧。

质子扮演着中和剂的角色，如此完美地平衡了中间层的电荷，使得器件变得对称且在高剂量下不易漏电。
中子是深度潜行者，它们有效地打出孔洞，使探测区从 50 µm 一路扩张到衬底中的 350 µm，但材料依然稳如泰山。
伽马射线 主要作用于表面，改变了器件的电学行为，却没引起大规模的泄漏。

论文指出，虽然辐射改变了这些传感器的内部“个性”，但 4H-SiC 仍然是能在极端环境下生存的顶级候选材料。它不是一个能阻止所有损伤的魔法护盾，但它是一个极其有韧性的护盾，即使在环境恶劣的情况下也能继续工作。

技术摘要：质子、中子及伽马粒子辐照对 4H-SiC 二极管与 LGAD 传感器电学性质的影响

问题陈述
碳化硅（4H-SiC）是一种宽禁带半导体，具有诸如高位移阈能、高临界电场和低本征载流子浓度等固有特性，这使其在抗辐射探测器应用方面具有吸引力。虽然 4H-SiC 低增益雪崩探测器（LGAD）已展示出内部增益和极具前景的性能，但关于其在极端辐射环境下行为的系统性研究仍然有限。具体而言，需要了解高强度的强子通量和极端中子辐照如何影响 4H-SiC 器件的有效空间电荷、补偿机制以及耗尽区的演变。

研究方法
本研究调查了由 onsemi 在 6 英寸晶圆上制造的 4H-SiC P+-in-N (PN) 二极管和 LGAD 传感器（LGAD1 和 LGAD2）。这些器件具有高掺杂 N 型衬底、高阻 N 型外延层（厚度为 30–100 µm）以及用于增益倍增和结端终止的特定离子注入层。

样品接受了三种不同类型的辐照：

质子辐照： 在 CERN IRRAD 进行，使用 24 GeV/c 质子，目标通量高达 $1 \times 10^{16}$ protons/cm²。
中子辐照： 在 TRIGA Mark II 反应堆（Jožef Stefan Institute）进行，使用反应堆中子，目标通量高达 $1.0 \times 10^{18}$ 1 MeV neq/cm²。
伽马辐照： 使用 UJP PRAHA a.s. 的 $^{60}$ Co 源进行，交付的总电离剂量 (TID) 高达 300 kGy。

辐照后，在室温（ $+20^\circ$ C）下通过电流-电压 (IV) 和电容-电压 (CV) 测量进行电学表征。体电容使用串联配置 (CSRS) 配合 20 kHz、1.0 V AC 信号进行测量。样品被储存在低于 $-120^\circ$ C 的温度下（或针对中子辐照允许其自然衰减），以尽量减少测试前的非预期退火。

关键结果

质子辐照：
- 漏电流： 在低通量下，漏电流行为与未辐照器件相似。然而，当通量超过 $1 \times 10^{14}$ protons/cm² 时，反向漏电流显著降低。IV 特性相对于电压极性变得近乎对称。
- 电容： 在高通量下，体电容对偏置电压几乎不再敏感，稳定在完全耗尽的外延层几何电容附近（约 15.4 pF）。
- 解释： 这些变化表明，由于深层受体型缺陷（例如 Z1/2 和 EH6/7 中心）的存在，发生了强烈的辐射诱导补偿，补偿了原有的 N 型材料，导致有效自由载流子浓度降低，并在整个外延层内形成了均匀的电场分布。
中子辐照：
- 漏电流： 漏电流随通量系统性增加，在 $1.0 \times 10^{18}$ neq/cm² 时达到约 10 nA。
- 电容： 虽然较低通量（ $2.3 \times 10^{17}$ neq/cm²）表现出与质子辐照相似的行为，但极端通量（ $5.2 \times 10^{17}$ 和 $1.0 \times 10^{18}$ neq/cm²）导致体电容剧烈下降至约 2.2 pF。
- 解释： 这种电容下降对应于约 350 µm 的有效耗尽深度，远超标称的 50 µm 外延层厚度。这意味着耗尽区深入渗透到了高掺杂衬底（ $10^{19}$ cm $^{-3}$ ）中，表明由于强烈的辐射诱导空间电荷密度修改，衬底的空间电荷密度已降至 $10^{12}$ – $10^{13}$ cm $^{-3}$ 的有效水平。观察到的漏电流归因于扩大的耗尽体积结合电场增强和表面相关的产生机制，而非简单的体热产生。
伽马辐照：
- 漏电流： 即使在 300 kGy 下，反向漏电流仍与未辐照器件在统计学上相当。
- 电容： 仅在最高剂量（300 kGy）下观察到显著修改。对于 PN 二极管，电容随偏置的变化变得更陡峭。对于 LGAD，电容在反向偏置范围内几乎保持恒定（~17 pF）。
- 解释： 伽马辐照主要通过电离相关机制（例如氧化物/界面中的电荷陷阱）影响外延层和倍增层的有效掺杂浓度，而不会显著改变耗尽深度或漏电流。

意义与结论
本文证明了 4H-SiC 器件表现出卓越的抗辐射硬度，但损伤的性质高度依赖于辐射类型。

质子主要引起外延层内的补偿，从而修改有效空间电荷并降低高通量下的漏电流。
中子引起了性质上的变化，通过强烈的空间电荷修改，导致耗尽区大幅向衬底扩张，从而显著增加了贡献漏电流的活性体积。
伽马射线主要通过电离损伤影响有效掺杂浓度和电场分布，对漏电流的影响极小。

作者得出结论，虽然在高强度强子辐照下，辐射诱导补偿会强烈修改 4H-SiC 的有效空间电荷，但漏电流受扩大了的耗尽体积和电场增强产生机制共同控制。这些发现证实了 4H-SiC PN 和 LGAD 传感器在极端辐射环境下的运行潜力，前提是必须考虑中子诱导的耗尽扩张和电离诱导的掺杂减少效应。

质子轰击：伟大的平衡术

中子风暴：深度潜行

伽马射线淋浴：表面磨损

结论

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