SiC MOSFET栅氧技术研究与器件研制

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碳化硅(SiC)是新一代宽禁带半导体材料,具有临界击穿场强大,热导率高等优点,是制造高温高压大功率电力电子器件的理想材料。SiC MOSFET开关速率快,导通电阻小,高温下性能稳定性高,是新一代高效的开关器件,受到了密切关注。SiC MOSFET器件制造技术,尤其是栅氧技术,是当前研究的重点以及难点。本论文主要围绕SiC的栅氧技术进行了深入研究,取得的主要研究成果如下:  1、借鉴Si的氧化模型,推导得出适用于SiC的“Si和C发射”氧化动力学模型,分析得到SiC/SiO2界面处与SiO2介质中可能存在的缺陷结构,发现氧化层内的间隙硅原子和碳碳双键结构是SiC导带处高界面态密度的主要来源。  2、对比分析了几种提取SiC MOS界面态密度的方法,发现低温下的电导法测试,能够有效评估氮化处理后的界面处的快界面态,实现对SiC/SiO2界面态密度的准确表征。  3、采用N&H钝化,高温N2/Ar后处理技术,能够改善SiC/SiO2界面质量,提高氧化层可靠性。其中,采用N&H处理,SiC导带下0.2eV(EC-E=0.2eV)处的界面态密度从7×1012cm-2eV-1降到1×1012cm-2eV-1,SiC与SiO2间的隧穿势垒提高到2.69eV。在高温Ar处理方面,界面处不存在快界面态,EC-E=0.2eV处的界面态密度为1×1012cm-2eV-1,近界面陷阱密度从9.6×1010cm-2降低到了3.2×1010cm-2。通过高温N2处理,实现了界面的不完全氮化,推断得到氮化过程从SiC导带开始,逐渐向禁带延伸,发现N2钝化效果受退火温度影响,与氧化层厚度无关。  4、通过对比高温与室温下1MHz C-V曲线的差异,创新性地提出了一种评估近界面陷阱在氧化层中分布的方法。该方法能够准确得到近界面陷阱的密度与其在氧化层中深度的对应关系。  5、研究了高能电子辐照以及O2钝化技术对SiC MOS界面的作用效果。经过100kGy(Si)的电子辐照后Ec-E=0.2eV处的界面态密度从1012降到了1011cm-2eV-1,氧化层耐压保持在9MV/cm,隧穿势垒从2.24eV提升到了2.3eV。在O2处理方面,发现低压下的O2退火仅对SiC导带下0.25eV以上的界面态起作用,分析得到限制O2钝化效果主要受限于提供的气体的物质的量。  6、结合N化以及Ar后处理技术,自主研制了1200V SiC MOSFET器件。器件的阈值电压为2.73V,导通电阻为0.7Ω,电流为3.44A(@VGS=20V,VDS=3V)。器件1200V下的漏电仅有177nA。器件通过了500个循环的TC老化试验以及168小时的HTRB和H3TRB试验,具有良好的可靠性。
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