突破4H-SiC MOSFET栅氧界面限制技术:解析关键挑战与突破方案
eefocus 2023-12-04

随着电力电子系统中对高效、高功率器件需求的日益增加,SiC基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为关键元件,因其优异的电学性能而备受研究关注。然而,在SiC/SiO2界面附近的界面陷阱、近界面氧化物陷阱以及氧化物层中的缺陷和可移动电荷等问题的困扰下,SiC MOSFET的稳定性与可靠性成为制约其广泛应用的重要因素。

改进栅氧界面:引入高k栅介质层
在高电场下,SiO2中的电场始终大于SiC中的电场,因此引入高介电常数(high-k)栅介质层成为改善栅氧界面的有效方式。Al2O3和HfO2是当前研究的主要高k材料,但选用时需考虑带隙值和能带排列,以避免过多的漏电流。同时,通过在SiC和高k层之间叠加薄的SiO2层,可以减少SiC界面热氧化物的厚度,并在给定的最大电场下提升栅氧化层可靠性。

优化器件制备工艺:退火与氧等离子体处理
通过退火工艺,可以降低栅氧界面的缺陷密度,改善界面态密度,从而提高沟道载流子迁移率。此外,采用氧等离子体处理方法可钝化界面缺陷,降低SiC/SiO2界面附近的Si和C相对含量,进一步提升界面可靠性。结合N退火和B扩散,利用B原子导致的界面应力松弛,可以保证器件阈值电压在室温下的稳定性。

优化器件结构设计:改进沟槽型MOSFET
沟槽型MOSFET采用槽栅结构,消除了器件中寄生JFET的影响,从而降低比导通电阻。然而,沟槽型MOSFET在槽栅的拐角处和底部存在电场集中问题,对器件可靠性造成不利影响。因此,改善槽栅的深度和宽度,优化器件结构设计,可提升其可靠性。

优化栅氧化层厚度:权衡性能与可靠性
栅氧化层厚度的优化是提升SiC MOSFET性能的关键因素。较薄的氧化层可以增强晶体管的电流驱动能力,提升开关速度和功率特性。然而,薄的氧化层会增加电流的隧穿效应,降低氧化层的可靠性。因此,在设计中需要权衡性能与可靠性之间的关系,选择适当的栅氧化层厚度。

抑制界面陷阱形成:表面处理与界面工程
表面处理和界面工程是抑制SiC/SiO2界面陷阱形成的重要手段。表面处理方法包括化学/物理去除表面缺陷、离子注入和表面修饰等。界面工程则通过引入更多的O元素或其他元素来改变界面缺陷结构,减少界面陷阱形成的可能性。通过这些方法,可以有效抑制界面陷阱的形成,提高SiC MOSFET的稳定性和可靠性。

基于新材料的栅极结构设计:突破传统限制
除了优化栅氧化层和界面处理外,基于新材料的栅极结构设计也是提升SiC MOSFET性能的重要方向。例如,引入多层栅极结构、金属栅极合金化、复合栅极等新技术,可以改善栅电容和电场分布,提高开关速度和功率密度,进一步突破传统限制。



通过引入高k栅介质层、优化器件制备工艺和改进沟槽型MOSFET结构等方法,我们可以突破SiC MOSFET栅氧界面的限制,实现性能的提升与可靠性的改进。这将促使SiC基MOSFET在电力电子系统中得到更广泛的应用,为实现高效、高功率的能源转换做出重要贡献。未来的研究将更加注重新材料的探索、工艺的改进以及器件结构的优化,为SiC MOSFET的发展开辟更加广阔的前景。



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