【界面态】霍尔效应表征氮化对SiC/SiO2界面陷阱的影响

news2024/9/22 13:43:56

引言

引言主要介绍了硅碳化物（SiC）金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFETs）作为新一代高压、低损耗功率器件的商业化背景。SiC MOSFETs因其优越的电气特性，在高电压和高温应用领域具有巨大的潜力。然而，尽管是最先进的SiC MOSFETs，由于SiO2/SiC界面处的低迁移率导致的高MOS通道电阻，限制了它们的潜在性能。因此，提高SiO2/SiC界面处的迁移率是SiC MOSFETs研究和开发中的关键问题。

界面态的挑战

文章指出，SiO2/SiC界面处导带边缘（EC）附近的高密度界面态可能是迁移率降低的原因。为了进一步理解界面态并找到减少它们的方法，需要获取界面处的陷阱密度（Dit）的基本信息。然而，由于缺乏直接测量Dit对制造的SiC MOSFETs迁移率影响的定量方法，这一问题变得复杂。

现有方法的局限性

传统的高低电容-电压（C-V）方法不适合表征EC附近界面处的Dit(E)能量分布，因为这种方法得到的Dit(E)与迁移率并不总是相关。此外，由于缺乏直接影响SiC MOSFETs迁移率的Dit能量范围的知识，使得这个问题更加难以解决。

新方法的提出

为了克服这些限制，作者提出了一种新的表征方法，通过使用分裂C-V方法和霍尔效应测量来扩展Dit(E)能量范围的极限。这种方法的核心思想是对SiO2/SiC界面处的自由（移动）和捕获载流子的密度进行定量表征。通过精确解决MOS结构中的泊松方程，最小化了应用栅极电压（Vg）与界面陷阱能量（Et）之间的关系误差。

研究方法

表征方法的步骤

文章详细描述了新的Dit(E)表征方法的步骤。首先，通过霍尔效应测量SiC MOSFET的自由载流子密度[nfree(Vg)]作为Vg的函数。其次，使用分裂C-V技术表征栅极和通道之间的电容[Cgc(Vg)]作为Vg的函数。然后，通过积分Cgc(V)来获得由应用Vg诱导的界面处的总载流子密度[ntotal(Vg)]。最后，通过从ntotal(Vg)中减去nfree(Vg)来获得捕获载流子密度[ntrap(Vg)]。

公式推导

文章进一步推导了用于计算EC附近Dit(E)的公式。通过将捕获电子的密度（ntrap）作为界面费米能级（EFs）的函数，并使用费米-狄拉克分布函数来表达，可以得到ntrap(EFs)的表达式。通过这个表达式，可以推导出Dit(E)与ntrap(Vg)相对于EFs的导数之间的关系。

实验设置

文章还介绍了实验设置，包括样品的准备、霍尔效应测量、分裂C-V测量技术以及测量条件。所有测量均在室温下进行，以确保结果的可重复性和可靠性。

结果与讨论

界面态的影响

文章通过图表展示了不同样品的ntrap(Vg)、nfree(Vg)和ntotal(Vg)，揭示了界面态对电子传输的显著影响。通过比较不同样品的自由载流子比例，文章讨论了氮化处理（nitrided samples）对提高自由载流子比例和场效应迁移率（μFE）的影响。

图1: 场效应迁移率 (μFE) 的比较

图1展示了四种不同处理条件下制备的SiC MOSFETs的场效应迁移率 (μFE) 随栅极电压变化的曲线。这些条件包括未处理的干燥样品（Dry）、以及经过不同时间的氮氧化后处理（NO10、NO60、NO120）。从图中可以观察到：

所有样品的μFE随栅极电压的增加而增加，这与预期相符，因为增加栅极电压会诱导更多的载流子参与导电。
经过氮氧化处理的样品（NO10、NO60、NO120）相比于未处理的干燥样品（Dry）显示出更高的μFE，这表明氮氧化处理有助于提高迁移率。
NO60样品的μFE在所有样品中最高，这表明60分钟的氮氧化处理时间可能是最佳的处理时间，超过这个时间（如NO120）并没有进一步显著提高迁移率，这可能意味着氮氧化对迁移率的改善存在饱和效应。

图2: 总载流子密度 (ntotal)、自由载流子密度 (nfree) 和捕获载流子密度 (ntrap) 的比较

图2分别展示了NO60和干燥样品的ntotal(Vg)、ntrap(Vg)和nfree(Vg)随栅极电压变化的曲线。从图中可以分析出：

在两种样品中，ntrap(Vg)的值远大于nfree(Vg)，说明在界面上捕获的电子数量远多于自由电子的数量，这可能是限制迁移率的主要因素。
NO60样品的ntrap(Vg)相比于干燥样品有所降低，这与氮氧化处理减少界面态的预期相符。
nfree(Vg)曲线显示，随着栅极电压的增加，自由载流子密度增加，这有助于提高电子的迁移率。

图3: 自由载流子比例的比较

图3展示了四种样品的自由载流子比例（nfree/ntotal）随栅极电压变化的曲线。分析结果如下：

自由载流子比例随着栅极电压的增加而增加，这与nfree(Vg)随栅极电压增加的趋势一致。
经过氮氧化处理的样品（NO10、NO60、NO120）的自由载流子比例高于未处理的干燥样品，这与图1中μFE的趋势一致。
NO60和NO120样品的自由载流子比例相似，这可能表明氮氧化处理的效果在60分钟后趋于饱和。

迁移率的分析

文章进一步分析了霍尔迁移率（μH）与自由载流子密度的关系，并讨论了氮化处理对μH的影响。通过这些分析，文章得出了氮化处理通过增加自由载流子比例来提高μFE，而不是通过提高μH本身。

图4: 霍尔迁移率 (μH) 与自由载流子密度 (nfree) 的关系

图4展示了不同样品的霍尔迁移率 (μH) 随自由载流子密度 (nfree) 变化的曲线。从图中可以得出：

μH随着nfree的增加而降低，这可能是由于载流子的增加导致散射事件增多，从而降低了迁移率。
尽管所有样品的μH都随nfree的增加而降低，但并没有观察到与氮氧化处理时间的明显相关性，这表明氮氧化处理可能通过其他机制（如减少界面态）来提高迁移率，而不仅仅是通过改变μH。

界面态密度的表征

最后，文章展示了通过新方法计算得到的EC附近的Dit(E)值，并讨论了氮化处理对Dit(E)的影响。结果表明，尽管氮化处理能够减少EC附近的Dit(E)，但不能完全消除界面态。

图5: 界面态密度 (Dit) 随能量变化的比较

图5展示了不同样品在导带边缘附近（EC附近）的界面态密度 (Dit) 随能量变化的曲线。分析结果如下：

所有样品的Dit在EC附近都显著高于1013 cm^-2eV^-1，这表明即使经过氮氧化处理，界面态仍然存在。
氮氧化处理的样品（尤其是NO60和NO120）相比于干燥样品在EC - Et = 0.1 eV处的Dit值降低了75%，但仍然高于1013 cm^-2eV^-1，这可能解释了为什么经过氮氧化处理的样品的μFE仍然低于4H-SiC的体材料迁移率。