內容簡介
近年來，第三代半導體材料，如SiC、GaN和Ga2O3，因其在高功率電子、射頻器件、數據存儲和光伏系統(tǒng)等領域的廣泛應用而備受關注。與傳統(tǒng)的基于硅基半導體相比，這些先進材料具有更寬的禁帶、更高的飽和漂移速度、優(yōu)越的熱導率和出色的抗輻射能力，使其非常適合在惡劣環(huán)境下工作。在這些材料中，SiC尤為突出，已被廣泛應用于電動汽車、光伏逆變器、軌道交通、電網和航空等領域。
隨著技術的進步，SiC MOSFET的器件結構變得日益復雜，給分析和評估這些結構帶來了挑戰(zhàn)。因此，迫切需要開發(fā)能夠準確評估SiC器件物理特性和預測其性能的檢測方法。SiC器件的關鍵信息包括了摻雜分布、載流子分布、電場分布和結深。盡管SEM是一種方便的獲取結構和摻雜分布信息的方法，但它無法提供定量分析。而動態(tài)二次離子質譜（SIMS）雖然能夠精確確定摻雜分布，但其在納米尺度上的應用受到限制。為應對這些挑戰(zhàn)，基于原子力顯微鏡（AFM）的納米尺度分析技術，如開爾文探針力顯微鏡（KPFM）和掃描電容顯微鏡（SCM），已被開發(fā)用于提取SiC器件中的電性分布。SCM基于局部微分電容（dC/dV）信號，對摻雜分布進行半定量評估，而KPFM通過測量樣品與探針之間的功函數差異來分析表面電勢，能夠提供器件截面的高分辨率電勢分布圖像。
近日，九峰山實驗室Mingsheng Fang等研究人員，采用Bruker Dimension Icon原子力顯微鏡，利用KPFM和SCM技術，詳細分析了SiC MOSFET在不同外部偏壓下的局部電勢分布，為器件的設計和性能優(yōu)化提供了重要指導。相關成果Anatomy of internal electric field profile in operating SiC power MOSFETs with local contact potential probing于2025年4月發(fā)表于Applied Physics Letters上。
該工作使用的樣品為商用平面型SiC MOSFET（SCTWA20N120），其標稱耐壓為1200V，最大電流容量為20A。為了進行表面電學的分析，對器件的截面進行了切割和拋光處理，以露出截面區(qū)域，同時保留了柵極(G)、漏極(D)和源極(S)三個電極的電連接。該工作測量了不同外部偏置(VGS=VDS=0V、2V、4V)下的CPD分布，以研究外部電壓對器件內部電勢分布的影響。
圖1. (a) SiC MOSFET器件的截面照片；(b) 器件區(qū)域截面的SEM圖像；(c) SiC MOSFET在樣品制備前后的轉移曲線；(d) SiC MOSFET在樣品制備前后的輸出曲線。
圖1展示了SiC MOSFET樣品的制備和基本電學特性。1(a)為經過切割和拋光處理的SiC器件的截面。圖1(b)為SiC MOSFET截面的SEM圖像，顯示了樣品的表面形貌，表明經過拋光處理后表面光滑且沒有明顯劃痕。圖1(c)顯示柵極-源極電壓(VGS)與漏極電流(ID)的關系。轉移曲線表明器件在制備前后保持了良好的晶體管特性。而圖1(d)顯示了漏極-源極電壓(VDS)與漏極電流(ID)的關系，輸出曲線表明樣品在制備后仍然具有典型的功率MOSFET特性。
圖2. (a) SiC MOSFET器件的截面照片；(b) SiC MOSFET在KPFM樣品臺上的實驗設置；(c) AFM-KPFM系統(tǒng)示意圖。
圖2展示了SiC MOSFET樣品的制備和KPFM測量的實驗裝置。圖2(b)為SiC MOSFET在原子力顯微鏡(AFM)上的實驗設置。SiC MOSFET被安裝在抗震腔體內，通過金絲鍵合將柵極G、漏極D和源極S電極連接到源表。這種方式確保了在測量過程中樣品的穩(wěn)定性，并允許施加外部電壓以研究其對器件電學特性的影響。
圖3. (a) SiC MOSFET截面的1 kV SEM-PVC圖像；(b) SiC MOSFET截面的AFM表面形貌圖；(c) SiC MOSFET截面的SCM數據，標有摻雜區(qū)域；(d) SiC MOSFET結構示意圖。
作者隨后對SiC MOSFET的結構和摻雜特性進行了詳細的測量和分析。圖3(a)展示了SiC MOSFET截面的SEM圖像。在PVC模式下，P型摻雜區(qū)域呈現(xiàn)高亮色，而N型摻雜區(qū)域則表現(xiàn)為暗色。圖中亮的半月形輪廓表明P阱的尺寸約為8.1μm長，400nm高。此外，在P阱上方還觀測到一個狹窄的N+摻雜區(qū)，高度約為310nm。圖3(b)顯示了SiC MOSFET截面的原子力顯微鏡(AFM)表面形貌。圖像表明截面表面較為光滑，幾乎沒有劃痕。圖3(c)呈現(xiàn)了SiC MOSFET截面的SCM測量結果，圖中標注了不同的摻雜區(qū)域。SCM結果與PVC分析相互印證，進一步證實了P阱頂部和狹窄N摻雜區(qū)的高摻雜。通過SCM的dC/dV信號，可以清晰地區(qū)分P型和N型摻雜層，并且能夠對器件的溝道區(qū)域進行成像。這為理解器件在不同偏置條件下的載流子分布和電學行為提供了重要信息。圖3(d)基于圖3(a)-(c)的分析結果，構建了1200 V SiC MOSFET的器件結構示意圖。該示意圖詳細展示了器件的各個關鍵區(qū)域，包括P阱、N?漂移層、N+襯底以及源極金屬等。它為后續(xù)分析SiC MOSFET在外部偏置下的表面電子態(tài)演變提供了一個清晰的結構框架，有助于更好地理解KPFM測量中觀察到的電勢分布和電場強度變化。
圖4. (a) SiC MOSFET器件區(qū)域的TEM圖像；(b) 在VDS = VGS = 0V時，利用KPFM測量的SiC MOSFET截面的CPD圖像；(c) 在VDS = VGS = 2V時的CPD圖像；(d) 在VDS = VGS = 4V時的CPD圖像；(e) 在不同VDS和VGS條件下，沿A-B線的SiC MOSFET的RCPD線輪廓；(f) 在不同VDS和VGS條件下，沿C-D線的SiC MOSFET的RCPD線輪廓。
圖4展示了在不同外部偏置條件下，利用KPFM對器件截面的接觸電勢差(CPD)進行測量的結果。圖4(a)為器件區(qū)域的TEM圖像。圖像展示了SiC MOSFET的平面結構，顯示出大約10.8μm的單元間距。圖4(b)-(d)為在不同外部電壓(VGS=VDS=0V、2V、4V)下，SiC MOSFET截面的CPD分布圖像。圖4(b)（0V）顯示，當所有電極(柵極G、漏極D和源極S)均接地時，CPD信號反映了不同材料層的功函數差異。整個區(qū)域的CPD信號變化小于0.5V。N+襯底層顯示出最高的CPD值(約-200mV)，而源極金屬層與N?外延層的CPD值相同。圖4(c)(2V)和圖4(d)(4V)顯示，當源極S接地，柵極G和漏極D施加外部電壓時，CPD信號顯著變化，變化幅度接近4.0V。CPD值從源極金屬層向N+襯底層逐漸減小。隨著電壓增加，P阱與N?外延層邊界的CPD信號輪廓進一步擴展。圖4(e) 和 4(f) 展示了在不同外部電壓下，沿A-B線(垂直方向)和C-D線(水平方向)的相對接觸電勢差(RCPD)線輪廓。圖4(e)(A-B方向)顯示，在無偏置條件下，RCPD值隨掃描距離變化相對穩(wěn)定。隨著外部電壓增加，RCPD值從掃描距離11.5μm到0.0μm逐漸減小。在P阱與N?外延層界面處的RCPD降幅從0.17V增加到1.54V，再增加到2.94V，而在N?外延層與N+襯底界面處的RCPD降幅在-0.38V到0.74V之間波動。圖4(f)(C-D方向)顯示，在P阱到N?外延層的掃描過程中，RCPD值逐漸減小。隨著VGS=VDS從0V增加到4V，RCPD降幅從0.14V增加到1.33V，最終達到2.41V。
這些結果表明，外部電壓偏置顯著影響了SiC MOSFET內部的電勢分布，特別是在P-N結區(qū)域的電荷注入和能帶彎曲方面。通過這些詳細的CPD和RCPD測量，揭示了SiC MOSFET在不同偏置條件下的內部電場分布。
圖5. (a) A-B方向的器件結構示意圖；(b) C-D方向的器件結構示意圖；(c) 無外部電壓偏置時A-B方向的能帶圖演變；(d) 無外部電壓偏置時C-D方向的能帶圖演變；(e) 有外部電壓偏置時A-B方向的能帶圖演變；(f) 有外部電壓偏置時C-D方向的能帶圖演變。
作者進一步進行了機理分析。圖5展示了SiC MOSFET在不同偏置條件下的器件結構和能帶圖。圖5(a)(A-B方向)從漏極D到源極S的方向，展示了器件的垂直結構。N+襯底位于源極金屬層下方，形成歐姆接觸。P阱和N?外延層形成P-N結，是電場分布的關鍵區(qū)域。圖5(b)(C-D方向)展示了源極接觸區(qū)附近的水平結構。電流從N?外延層流向源極S，電子從N+層遷移到P阱，再到N?外延層，最終流向漏極D。圖5(c)-(d)(無偏置條件)顯示，在A-B和C-D方向上，P-N結處存在自然的能帶彎曲。由于P阱的功函數高于N?外延層，導致P-N結處出現(xiàn)RCPD降幅。在N?外延層與N+襯底界面處，由于過渡摻雜態(tài)和電荷積累，出現(xiàn)負的RCPD降幅。圖5(e)-(f)(有偏置條件)顯示，當施加外部電壓時，電荷注入增強了P-N結和N?/N+界面處的能帶彎曲。隨著VGS =VDS從2V增加到4V，P-N結處的電荷注入障礙增加，導致RCPD降幅增大。在C-D方向上，類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)，電荷注入進一步增強了P-N結的能帶彎曲，導致RCPD降幅增大。
通過器件結構和能帶圖的結合，該研究揭示了SiC MOSFET在不同偏置條件下的內部電場分布和載流子輸運機制。這些分析結果與KPFM測量的RCPD數據相互印證，表明外部電壓偏置顯著影響了P-N結區(qū)域的電荷注入和能帶彎曲。這些發(fā)現(xiàn)對于理解SiC MOSFET的運行機制和優(yōu)化其性能具有重要意義。
本研究采用Bruker Dimension Icon型原子力顯微鏡，利用KPFM和SCM技術，對商用1200V SiC MOSFET在不同外部偏置下的局部接觸電勢分布進行了詳細分析。通過KPFM測量的CPD和RCPD數據，結合SEM、TEM和EDS等表征技術，揭示了SiC MOSFET內部的電場分布和載流子輸運機制。研究發(fā)現(xiàn)，外部電壓偏置顯著影響了P-N結區(qū)域的電荷注入和能帶彎曲，導致RCPD降幅的變化。這些發(fā)現(xiàn)為SiC MOSFET的設計和性能優(yōu)化提供了重要的指導，有助于推動SiC基功率器件的發(fā)展。
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https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/126/17/173504/3345399/Anatomy-of-internal-electric-field-profile-in?redirectedFrom=fulltext
Dimension Icon原子力顯微鏡簡介：
https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/dimension-icon-afm.html