HfAlO/4H-SiC MOSFETs功率器件研究

《HfAlO/4H-SiC MOSFETs功率器件研究》是依託西安電子科技大學，由張玉明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：HfAlO/4H-SiC MOSFETs功率器件研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張玉明
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

高功率SiC基器件的普及，能有效降低能量損失，促進能源節約型社會的建設。為適應高功率SiC MOSFETs器件發展，用高介電常數材料來替代現有的SiO2柵氧化層勢在必行。本項目在現有SiO2/SiC MOSFETs和high-k材料/SiC MOS電容的研究基礎上，採用理論和實驗相結合的方法，研究適合4H-SiC MOSFETs的HfAlO為柵的結構，揭示Hf、Al 、O組分變化與界面電學特性的變化規律，提出HfAlO/4H-SiC界面特性最佳化方法；建立HfAlO/4H-SiC MOSFETs二維器件模型，揭示器件的輸運特性和載流子的散射規律，得到器件的結構參數，研製出高電子遷移率的新型高功率HfAlO/4H-SiC MOSFETs原型。本項目從新的角度尋找適合SiC MOSFETs的柵介質材料並套用器件製備，有望促進4H-SiC高功率MOSFETs的發展，為克服瓶頸提供新的研究思路和方向

結題摘要

碳化矽由於其優越的電學特性（寬禁帶，高熱導率，高擊穿電場以及高飽和電子速率）一直以來成為研究的熱點。然而SiC MOSFET器件的整體效率受到柵絕緣層的質量和可靠性的影響。為了減少柵介質的電場，不同的高K材料被提出。我們採用原子層澱積技術製備三種不同絕緣層樣品，並利用Keithley4200半導體分析儀、XPS、AFM對其特性進行了測試。結果表明Al2O3薄膜表面均勻性較好，均方表面粗糙度小，澱積的Al和O元素已經形成了穩定的Al-O結構。對I-V分析結果表明SiO2中間層有效的提高了4H-SiC與柵介質之間的勢壘高度，減小漏電流。C-V處理結果表明高溫條件下熱電子發射加劇，柵介質層漏電增強，且隨著溫度的升高，存在於Al2O3和SiO2層中俘獲電子的受主型陷阱受熱激發而脫離陷阱，提取的勢壘高度遠大於Al2O3/4H-SiC的勢壘高度，可知該受主型陷阱主要是分布在SiO2層中，陷阱輔助的熱電子發射機制起著主導作用，同時也存在占總漏電的比重不大的熱電子發射。對不同組分的HfAlO/SiC 結構研究得出，絕緣層與SiC的晶格失配較大，懸掛鍵較多，成為HfO2比Al2O3界面態密度大的主要原因。HfO2的邊界陷阱密度最小，Al2O3的最大，並且HfAlO隨著Hf的含量減少，其邊界陷阱密度減少。通過退火工藝可以改進介質層質量，減少表明粗糙度，增加材料的緻密性，但樣品表面的缺陷數目並沒有減少。還會使材料原子的活動性增強，導致不同位置處的組分發生變化，退火後界面處Al的含量升高，這是由於界面處的Al Hf是由介質層游離過來的。退火還能改進HfO2與SiC之間的導帶帶偏，使HfO2與SiC導帶頂的距離增大，增大勢壘高度，減少直接隧穿和F-N隧穿，從而減少漏電流。對不同厚度SiO2的HfAlO/SiO2/4H-SiC結構特性研究表明其主要漏電機制肖特基發射和F-P發射，其作用的電場範圍與SiO2厚度密切相關，SiO2厚度越薄，其阻礙電子隧穿的能力越差。最後，提出了一種新型高K/4H-SiC MOSFET模型,採用深刻蝕U槽柵技術，提高了擊穿電壓減小導通電阻。