4H-SiC-功率MOSFETs栅介质材料研究课件

4H-SiC功率MOSFETs栅介质材料研究2023/1/44H-SiC功率MOSFETs栅介质材料研究2022/12主要内容2023/1/42引言介质材料及其性质物理模型与计算方法介质材料对4H-SiCMOS电容电学特性的影响机理介质材料对4H-SiCMOSFET电学特性的影响总结主要内容2022/12/262引言引言32023/1/4SiC功率MOSFET具有功率密度大，能有效降低功率损耗，减小系统成本，在逆变、输电、大功率、高温领域具有广阔的应用前景；在SiC上利用普通热氧化方法制备SiO2的工艺引入很高的界面态密度，易引起表面粗糙散射与界面陷阱效应，导致器件可靠性降低：SiC介电常数约为SiO2

的2.5倍，SiC体内发生雪崩击穿时，易导致SiO2提前击穿；SiO2/SiC结构界面特性差，界面态密度高，导致SiCMOSFET沟道迁移率下降与阈值电压漂移；实验表明通过改进氧化工艺如氮钝化可以改善界面特性，在NO/NO2中退火能提高迁移率至50cm2/Vs，但近导带底界面态密度增加，引起沟道迁移率降低；在POCl3中氧化退火能提高迁移率至89cm2/Vs，但由于P掺杂，氧化层陷阱电荷密度增加，阈值电压漂移现象明显；

各种高k介质材料用于替代SiO2以改善界面特性，如：Al2O3，HfO2，AlN，La2O3，Y2O3，Ta2O5，其中Al2O3和HfO2与4H-SiC由于较好的热稳定性和很高的k值，近年来研究的较多，但由于这两种材料禁带宽度小，与4H-SiC导带底能量差较小，引起栅漏电流密度增加；引言32022/12/26SiC功率MOSFET具有功率密主要的介质材料及其性质2023/1/44

主要的介质材料及其性质2022/12/264物理模型与计算方法2023/1/45模拟中使用的器件结构（a）与掺杂分布（b）物理模型：禁带窄化模型，俄歇复合模型，SRH复合模型，依赖于温度和掺杂浓度的迁移率模型，碰撞电离模型，依赖于温度和掺杂的载流子寿命模型载流子统计模型：费米狄拉克物理模型与计算方法2022/12/265模拟中使用的器件结构2023/1/46不同频率下MOS电容的C-V特性：(a)sampleA:HfO2(3.7nm)/SiO2(7.5nm)/SiC,(b)sampleB:HfO2(3.2nm)/SiO2(15.5nm)/SiC,(c)sampleC:HfO2/SiC,and(d)sampleD:Al/HfO2/SiO2/Si.介质材料对MOS电容电学特性的影响机理2022/12/266不同频率下MOS电容的C-V特性：(a2023/1/47俄歇电子能谱测试结果：(a)sampleAand(b)sampleB.

C.-M.Hasu和J.-G.Hwu实验已经证明，在高k介质层和SiC之间插入SiO2缓冲层作为势垒层，能有效阻碍电子从半导体发射到介质层。sampleBXPS测试结果(a)Si2p,(b)C1s,(c)元素组分比.介质材料对MOS电容电学特性的影响机理MOS结构的SEM图2022/12/267俄歇电子能谱测试结果：(a)samp2023/1/48漏源偏压不变时，随着栅极电压从负压增加到正压，MOSFET从积累到耗尽再到反型，栅极电流密度随着介质常数增加而减小。但随着栅极电压增加，电场增加，且由于高k材料与4H-SiC较小的能带差（conductionbandoffset），栅极电流密度增加。介质材料对MOSFET电学特性的影响—栅极电流密度漏源电压为10V2022/12/268漏源偏压不变时，随着2023/1/49300K时，不同厚度的SiO2和Al2O3介质层对栅电流密度的影响：栅电流密度随着介质层厚度增加而减小，对相同厚度的栅介质层，Al2O3有更小的栅极电流密度，Al2O3与4H-SiC材料的导带差较小，但能有效抑制界面载流子注入。介质材料对MOSFET电学特性的影响—栅极电流密度2022/12/269300K时，不同厚度2023/1/410阈值电压受介质层材料、类型、厚度、外延层掺杂浓度、界面固定电荷浓度、器件结构参数（沟道长度、沟道宽度）等影响；对给定的栅介质材料，阈值电压随着介质层厚度增加而线性增加，但使用高-k材料时，阈值电压的变化受到抑制。对相同厚度的栅介质材料，阈值电压随着介电常数增加而减小，从SiO2到HfO2，阈值电压漂移近2.5V，同时引起跨导增加。沟道表面电势分布依赖于栅介质介电常数，对4H-SiC，随着栅介质介电常数增加，从源极到沟道区和漏极的电场线增加，电势降低，因此阈值电压降低。介质材料对MOSFET电学特性的影响—阈值电压2022/12/2610阈值电压受介质层2023/1/411对每一种介质，在介质层和4H-SiC界面存在的电荷和能量态，如SiO2/4H-SiC界面处存在的碳簇，Si、C悬挂键，引起了沟道区电子散射，降低了沟道区电子迁移率，导致F-N隧穿；同时，SiC/介质层界面处的快态以及固定电荷也会引起阈值电压漂移。介质材料对MOSFET电学特性的影响—阈值电压2022/12/2611对每一种介质，在2023/1/412对相同厚度的不同介质材料，随着界面态密度增加，高k介质有助于减小阈值电压的漂移程度。介质材料对MOSFET电学特性的影响—阈值电压2022/12/2612对相同厚度的不同总结2023/1/413

SiCMOSFET因诸多优点具有广阔的应用前景，但因SiCMOS结构界面态密度高、界面特性差，阻碍了其应用与发展，使用N、P钝化能在一定程度上改善界面特性，提高迁移率，但阈值电压漂移等可靠性问题，实验研究表明，相比传统SiO2，利用高k介质或叠层介质能进一步改善SiCMOS界面特性：高k介质层有助于降低介质层中的电场和栅极电流密度；高k介质层能有效抑制阈值电压变化；对相同数量级的界面态密度，高k介质层能减小阈值电压的漂移量；高k介质层/SiO2/SiC叠层结构有助于减少衬底间隙原子和氧空位，因此能降低边界陷阱密度和界面处的杂质散射，提高沟道迁移率。Reference:ActiveandPassiveElectronicComponentsVolume

2015

(2015),/10.1155/2015/651527Appl.Phys.Lett.

101,253517

(2012);

/10.1063/1.4772986Appl.Phys.Lett.

77,2054

(2000);

/10.1063/1.1312862总结2022/12/2613SiCMO2023/1/414Thankyou!2022/12/2614Thankyou!4H-SiC功率MOSFETs栅介质材料研究2023/1/44H-SiC功率MOSFETs栅介质材料研究2022/12主要内容2023/1/416引言介质材料及其性质物理模型与计算方法介质材料对4H-SiCMOS电容电学特性的影响机理介质材料对4H-SiCMOSFET电学特性的影响总结主要内容2022/12/262引言引言172023/1/4SiC功率MOSFET具有功率密度大，能有效降低功率损耗，减小系统成本，在逆变、输电、大功率、高温领域具有广阔的应用前景；在SiC上利用普通热氧化方法制备SiO2的工艺引入很高的界面态密度，易引起表面粗糙散射与界面陷阱效应，导致器件可靠性降低：SiC介电常数约为SiO2

的2.5倍，SiC体内发生雪崩击穿时，易导致SiO2提前击穿；SiO2/SiC结构界面特性差，界面态密度高，导致SiCMOSFET沟道迁移率下降与阈值电压漂移；实验表明通过改进氧化工艺如氮钝化可以改善界面特性，在NO/NO2中退火能提高迁移率至50cm2/Vs，但近导带底界面态密度增加，引起沟道迁移率降低；在POCl3中氧化退火能提高迁移率至89cm2/Vs，但由于P掺杂，氧化层陷阱电荷密度增加，阈值电压漂移现象明显；

各种高k介质材料用于替代SiO2以改善界面特性，如：Al2O3，HfO2，AlN，La2O3，Y2O3，Ta2O5，其中Al2O3和HfO2与4H-SiC由于较好的热稳定性和很高的k值，近年来研究的较多，但由于这两种材料禁带宽度小，与4H-SiC导带底能量差较小，引起栅漏电流密度增加；引言32022/12/26SiC功率MOSFET具有功率密主要的介质材料及其性质2023/1/418

主要的介质材料及其性质2022/12/264物理模型与计算方法2023/1/419模拟中使用的器件结构（a）与掺杂分布（b）物理模型：禁带窄化模型，俄歇复合模型，SRH复合模型，依赖于温度和掺杂浓度的迁移率模型，碰撞电离模型，依赖于温度和掺杂的载流子寿命模型载流子统计模型：费米狄拉克物理模型与计算方法2022/12/265模拟中使用的器件结构2023/1/420不同频率下MOS电容的C-V特性：(a)sampleA:HfO2(3.7nm)/SiO2(7.5nm)/SiC,(b)sampleB:HfO2(3.2nm)/SiO2(15.5nm)/SiC,(c)sampleC:HfO2/SiC,and(d)sampleD:Al/HfO2/SiO2/Si.介质材料对MOS电容电学特性的影响机理2022/12/266不同频率下MOS电容的C-V特性：(a2023/1/421俄歇电子能谱测试结果：(a)sampleAand(b)sampleB.

C.-M.Hasu和J.-G.Hwu实验已经证明，在高k介质层和SiC之间插入SiO2缓冲层作为势垒层，能有效阻碍电子从半导体发射到介质层。sampleBXPS测试结果(a)Si2p,(b)C1s,(c)元素组分比.介质材料对MOS电容电学特性的影响机理MOS结构的SEM图2022/12/267俄歇电子能谱测试结果：(a)samp2023/1/422漏源偏压不变时，随着栅极电压从负压增加到正压，MOSFET从积累到耗尽再到反型，栅极电流密度随着介质常数增加而减小。但随着栅极电压增加，电场增加，且由于高k材料与4H-SiC较小的能带差（conductionbandoffset），栅极电流密度增加。介质材料对MOSFET电学特性的影响—栅极电流密度漏源电压为10V2022/12/268漏源偏压不变时，随着2023/1/423300K时，不同厚度的SiO2和Al2O3介质层对栅电流密度的影响：栅电流密度随着介质层厚度增加而减小，对相同厚度的栅介质层，Al2O3有更小的栅极电流密度，Al2O3与4H-SiC材料的导带差较小，但能有效抑制界面载流子注入。介质材料对MOSFET电学特性的影响—栅极电流密度2022/12/269300K时，不同厚度2023/1/424阈值电压受介质层材料、类型、厚度、外延层掺杂浓度、界面固定电荷浓度、器件结构参数（沟道长度、沟道宽度）等影响；对给定的栅介质材料，阈值电压随着介质层厚度增加而线性增加，但使用高-k材料时，阈值电压的变化受到抑制。对相同厚度的栅介质材料，阈值电压随着介电常数增加而减小，从SiO2到HfO2，阈值电压漂移近2.5V，同时引起跨导增加。沟道表面电势分布依赖于栅介质介电常数，对4H-SiC，随着栅介质介电常数增加，从源极到沟道区和漏极的电场线增加，电势降低，因此阈值电压降低。介质材料对MOSFET电学特性的影响—阈值电压2022/12/2610阈值电压受介质层2023/1/425对每一种介质，在介质层和4H-SiC界面存在的电荷和能量态，如SiO2/4H-SiC界面处存在的碳簇，Si、C悬挂键，引起了沟道区电子散射，降低了沟道区电子迁移率，导致F-N隧穿；同时，SiC/介质层界面处的快态以及固定电荷也会引起阈值电压漂移。介质材料对MOSFET电学特性的影响—阈值电压2022/12/2611对每一种介质，在2023/1/426对相同厚度的不同介质材料，随着界面态密度增加，高k介质有助于减小阈值电压的漂移程度。介质材料对MOSFET电学特性的影响—阈