SiC n沟道MOSFET中独特的电子俘获及其对电子迁移率的影响
SiC n沟道MOSFET中独特的电子俘获及其对电子迁移率的影响
碳化硅（SiC）功率器件因其优异的高温、高压和高频特性，在新能源汽车、可再生能源等领域展现出巨大的应用前景。然而，SiC MOSFET中的电子俘获和散射机制一直是影响器件性能的关键因素。本文基于IEDM 2024的研究成果，深入探讨了SiC n沟道MOSFET中独特的电子俘获现象及其对电子迁移率的影响，为器件性能的优化提供了新的理论基础。
研究内容
界面缺陷的位置和特性：研究发现，大多数界面缺陷并不位于氧化物/SiC的精确界面，而是位于SiC一侧（距离界面几纳米处）。这些缺陷通过不同的实验方法被揭示，并且其能量分布随着有效电场的变化而发生变化。
电子俘获对电子迁移率的影响：通过考虑SiC次表面区域中高密度俘获电子的影响，理论计算的迁移率与实验获得的霍尔迁移率在广泛的有效电场和温度范围内表现出很好的一致性。
物理模型的建立：结合基于物理的模型（独特的电子俘获和散射机制），成功再现了不同p体掺杂浓度的SiC n沟道MOSFET在200到400 K温度范围内的特性。
实验方法：通过MOS-Hall效应测量、分裂栅极-沟道电容-栅极电压测量等方法，获得了自由电子密度、总电子密度和俘获电子密度等数据，并提取了界面陷阱密度的分布。
散射机制和迁移率计算：通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程，计算了MOS反型层中的电子态和动量弛豫率，并考虑了库仑散射、声子散射和表面粗糙度散射等机制，最终计算了自由电子迁移率。
模型验证：通过数值计算，成功再现了实验获得的霍尔迁移率和MOSFET的栅极特性，验证了模型的准确性。
研究方法
1. 实验测量
MOS-Hall效应测量：在200 K、296 K和400 K的温度下，使用交流（100 mHz）磁场（0.4 T）进行MOS-Hall效应测量，分别获得自由电子密度nfree和自由电子迁移率ufree。
分裂栅极-沟道电容-栅极电压测量：通过分裂栅极-沟道电容CGC-栅极电压VG测量，获得总电子密度ntotal。
深能级瞬态光谱（DLTS）测量：通过DLTS测量，研究了热氧化过程中在SiC中产生的浅能级和深能级缺陷的分布和密度。
2. 界面陷阱密度Dit的提取
通过实验获得的nfree和ntotal数据，计算俘获电子密度ntrap = ntotal - nfree。
通过拟合实验数据，提取界面陷阱密度的能量分布Dit，并考虑两种不同的能量分布情况：
情况A：Dit分布相对于三维态密度底部（EC(3D-DOS)）固定。
情况B：Dit分布随着二维态密度底部（EC(2D-DOS)）的变化而移动。
3. 理论建模和数值计算
电子态计算：通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程，计算MOS反型层中的电子态（波函数和子带能量），考虑SiC的能带结构和有效质量近似。
散射机制建模：考虑库仑散射、声子散射和表面粗糙度散射等机制，计算每个子带的动量弛豫率。
迁移率计算：基于电子态和动量弛豫率的计算结果，计算自由电子迁移率ufree。
栅极特性计算：使用计算的ufree和其他参数，计算MOSFET的栅极特性（如漏极电流ID和栅极电压VG的关系）。
4. 模型验证
- 通过比较实验数据和数值计算结果，验证模型的准确性。特别是通过比较不同p体掺杂浓度（NA）和温度下的霍尔迁移率和栅极特性，验证了模型的可靠性。
5. 数据分析
- 通过分析不同体偏置（Vbody）下的ntotal和nfree数据，进一步验证界面陷阱密度分布的变化及其对电子俘获的影响。
创新点
1. 界面缺陷位置的发现
创新点：研究发现，大多数界面缺陷并不位于氧化物/SiC的精确界面，而是位于SiC一侧（距离界面几纳米处）。这一发现挑战了传统认为界面缺陷主要位于氧化物/SiC界面的观点。
意义：这一发现为理解SiC MOSFET中的电子俘获和散射机制提供了新的视角，有助于更准确地建模和优化器件性能。
2. 界面陷阱密度（Dit）能量分布的变化
创新点：研究发现，界面陷阱密度的能量分布随着有效电场的变化而发生变化，特别是随着二维态密度底部（EC(2D-DOS)）的变化而移动。
意义：这一发现揭示了量子限制效应对界面陷阱密度分布的影响，为准确提取和建模界面陷阱密度提供了新的方法。
3. 基于物理的电子迁移率模型
创新点：文章首次提出了一个基于物理的模型，能够解释SiC MOSFET中电子迁移率的实验数据。该模型综合考虑了库仑散射、声子散射和表面粗糙度散射等机制，并考虑了电子在SiC次表面区域的俘获效应。
意义：这一模型能够准确预测从低温到高温范围内的电子迁移率和器件特性，为SiC MOSFET的设计和优化提供了可靠的理论基础。
4. 实验与理论的紧密结合
创新点：文章通过实验测量（如MOS-Hall效应测量、分裂栅极-沟道电容-栅极电压测量、DLTS测量）和理论建模（如自洽求解薛定谔方程和泊松方程、散射机制建模）的紧密结合，系统地研究了SiC MOSFET中的电子俘获和散射机制。
意义：这种实验与理论的紧密结合不仅验证了模型的准确性，还为理解SiC MOSFET中的复杂物理现象提供了全面的视角。
5. 温度范围的扩展
创新点：文章的研究涵盖了从200 K到400 K的广泛温度范围，验证了模型在不同温度下的适用性。
意义：这一扩展使得模型能够应用于更广泛的工作环境，增强了模型的实用性和普适性。
6. 界面缺陷来源的揭示
创新点：通过DLTS测量，文章揭示了热氧化过程中在SiC中产生的浅能级和深能级缺陷是界面态的主要来源。
意义：这一发现为理解和控制SiC MOSFET中的界面缺陷提供了新的思路，有助于改进器件制造工艺。
结论
1. 界面缺陷的位置
结论：大多数界面缺陷并不位于氧化物/SiC的精确界面，而是位于SiC一侧，距离界面几纳米处。
意义：这一发现改变了传统认为界面缺陷主要位于氧化物/SiC界面的观点，为理解SiC MOSFET中的电子俘获和散射机制提供了新的视角。
2. 界面陷阱密度（Dit）的能量分布
结论：界面陷阱密度的能量分布随着有效电场的变化而发生变化，特别是随着二维态密度底部（EC(2D-DOS)）的变化而移动。
意义：这一发现揭示了量子限制效应对界面陷阱密度分布的影响，为准确提取和建模界面陷阱密度提供了新的方法。
3. 电子俘获对电子迁移率的影响
结论：通过考虑SiC次表面区域中高密度俘获电子的影响，理论计算的迁移率与实验获得的霍尔迁移率在广泛的有效电场和温度范围内表现出很好的一致性。
意义：这一发现为准确建模SiC MOSFET中的电子迁移率提供了理论基础，有助于优化器件性能。
4. 基于物理的电子迁移率模型
结论：文章首次提出了一个基于物理的模型，能够解释SiC MOSFET中电子迁移率的实验数据。该模型综合考虑了库仑散射、声子散射和表面粗糙度散射等机制，并考虑了电子在SiC次表面区域的俘获效应。
意义：这一模型能够准确预测从低温到高温范围内的电子迁移率和器件特性，为SiC MOSFET的设计和优化提供了可靠的理论基础。
5. 实验与理论的紧密结合
结论：通过实验测量（如MOS-Hall效应测量、分裂栅极-沟道电容-栅极电压测量、DLTS测量）和理论建模（如自洽求解薛定谔方程和泊松方程、散射机制建模）的紧密结合，系统地研究了SiC MOSFET中的电子俘获和散射机制。
意义：这种实验与理论的紧密结合不仅验证了模型的准确性，还为理解SiC MOSFET中的复杂物理现象提供了全面的视角。
6. 温度范围的扩展
结论：文章的研究涵盖了从200 K到400 K的广泛温度范围，验证了模型在不同温度下的适用性。
意义：这一扩展使得模型能够应用于更广泛的工作环境，增强了模型的实用性和普适性。
7. 界面缺陷来源的揭示
结论：通过DLTS测量，文章揭示了热氧化过程中在SiC中产生的浅能级和深能级缺陷是界面态的主要来源。
意义：这一发现为理解和控制SiC MOSFET中的界面缺陷提供了新的思路，有助于改进器件制造工艺。