4H-SiC MOSFETs SiC-SiO2界面附近陷阱俘获和1/f噪声相关性研究

摘要

SiC功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFETs）凭借低导通电阻、高速开关、良好的栅极绝缘特性、极低的功率损耗以及易于实现小型化等优点，在电力电子、航空电子、高温等应用方面具有显著优势，主要用作功率开关和辅助电源。但是SiC功率MOSFETs中普遍存在的可靠性问题严重影响了器件的功能和性能，栅氧化层的质量问题和 SiC-SiO2界面大量的界面态是引起这些问题的根本原因。为了推动SiC功率MOSFETs的商业化应用，关注器件的可靠性和性能参数的再现性设计变得十分重要，找到一种高效的可靠性表征工具则是需要迈出的第一步。基于电子器件低频1/f噪声的噪声表征方法具有灵敏、无损等优点，是研究器件质量和可靠性的强大工具。SiC MOSFETs的低频1/f噪声特性与氧化层和SiC-SiO2界面附近缺陷杂质的载流子俘获特性有密切的关联，因此本文将通过4H-SiC MOSFETs的1/f噪声来研究SiC-SiO2界面附近陷阱的相关问题。
　　本文首先对SiC MOSFETs中主要存在的缺陷陷阱问题进行了总结，包括微观结构和对器件性能的影响。介绍了可用于 SiC-SiO2界面表征的电学方法和噪声方法。接着，推导了SiC MOSFETs的1/f噪声数涨落模型，该模型给出了1/f噪声功率谱密度(S)与陷阱密度(Dt(Et))的函数关系。最后，在本文的实验研究部分，对N沟道增强型4H-SiC功率MOSFETs进行了电学I-V特性测量和低频噪声测量。连续多次的转移特性测量引起了器件阈值电压的升高，主要是由于测量过程中 SiC-SiO2界面附近积累了负的陷阱电荷。器件在线性模式下工作时，漏压噪声功率谱密度 S Vd正比于Vdβ/(Vg-VT)γ，SVd漏压依赖性与Si MOSFETs的典型结果差异较小，但栅压依赖性明显与Si MOSFETs的不同，这也说明了SiC-SiO2界面态密度比Si-SiO2的大，以及4H-SiC MOSFETs的低频噪声主要与界面态有关。此外，不同型号的4H-SiC MOSFETs的S Vd栅压依赖性也出现了明显差异。计算了标准化1/f噪声值K后发现，导通电阻低、跨导高的型号的K随栅压升高而升高。给定栅压下，K与陷阱密度有关，K的升高主要是因为栅压升高时界面态密度增加了，这与普遍认可的观点一致。而导通电阻高、跨导低的型号的K在强反型区随栅压升高而减小。对此的理解为，该型号器件的界面态数量总体高于另一种型号，沟道强反型且栅压升高时，一方面 SiC-SiO2界面态的辅助遂穿发生频繁，使负电界面态数量减少，载流子数涨落减弱，K减小；另一方面，K的减小也可能与迁移率涨落的减弱有关。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文结构

第二章SiC MOSFET中缺陷陷阱及其对器件性能的影响

2.1SiC MOSFET氧化层陷阱及其对器件性能的影响

2.2SiC MOSFET界面态及其对器件性能的影响

2.3 小结

第三章SiC MOSFET界面特性的电学表征方法与噪声表征方法

3.1SiC MOSFET界面特性的电学表征方法

3.2 MOSFEF界面特性的噪声表征方法

3.3基于1/f噪声的SiC MOSFET中SiC-SiO2界面附近陷阱密度表征方法

3.4 小结

第四章4H-SiC MOSFET界面态密度与器件低频1/f噪声相关性研究

4.1 电流-电压（I-V）特性和低频噪声特性测试实验

4.2 I-V特性测试结果与VT提取结果分析

4.3 低频噪声特性测试分析

4.4 小结

第五章 总结与展望

5.1 主要研究工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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