高k栅介质SiC MOSFET界面工艺与模型研究

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作为第三代半导体材料的碳化硅(SiC)具有比传统的硅材料更宽的禁带宽度、更高的热导率和更强的临界击穿电场,因而在大功率开关和电力电子系统中得到了广泛的关注。并且与其他的宽禁带半导体材料(如GaN)相比,SiC材料可以通过热氧氧化的方式生成二氧化硅(SiO2),使得制备SiC MOSFET器件更加简便。但是,由于C元素的存在,SiC/SiO2界面态密度远高于Si/SiO2,导致SiC MOSFET器件的反型层沟道载流子迁移率较低,阈值电压较高,严重的限制了SiC器件的性能和应用。  本文对SiC MOSFET界面工艺的研究是通过对SiC MOS电容的研究来实现的。对不同栅介质材料,如SiO2、Al2O3、HfSiOx、SiO2/Al2O3和SiO2/HfSiOx等介质的SiC MOS电容的界面特性进行研究。通过在洁净的4H-SiC外延层上经原子层沉积(ALD)技术制备了的Al2O3和HfSiOx栅介质层,对其在不同温度的热氧环境下进行退火30分钟,测试电容的I-V和C-V特性,提取SiC MOS电容的平带电压偏移量、介电常数、边界陷阱密度和频率散度,分析退火温度和环境对SiC MOS电容界面特性的影响。结果显示,热氧退火优于氮气环境下的快速退火,SiC/Al2O3界面最佳热氧退火温度是1000℃,SiC/HfSiOx界面最佳热氧退火温度是925℃,SiC热氧化制备SiO2的最佳温度是1050℃。之后又在Al2O3和HfSiOx栅介质和SiC外延片之间,通过1050℃热氧化沉积2.5nm厚的SiO2层,探究Al2O3和HfSiOx栅的退火工艺对SiC MOS电容界面的影响。结果显示:使用HfSiOx/SiO2栅且不经过退火的SiC MOS电容,和SiO2栅SiCMOS电容相比,k值提高了3倍,频率散度降低了23%,栅稳定性和界面态密度都得到了非常显著的改善。  本文还通过器件仿真软件建立耐压为1200V的4H-SiC MOSFET器件模型,通过正交试验的方法基于导通电阻和跨导对模型参数进行优化。和实际研制的SiC MOSFET器件测试结果对比,验证了仿真模型的可靠性。通过仿真发现高k栅SiC MOSFET的输出电阻和阈值电压更低,跨导更高。购买SiC MOSFET芯片搭建测试平台,测试漏-源电压(Vds)和器件开通时间的关系,结果显示:Vds越高,开通时间越长,dV/dt越高。
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