HfAlO/4H-SiC MOSFETs功率器件研究

高功率SiC基器件的普及，能有效降低能量损失，促进能源节约型社会的建设。为适应高功率SiC MOSFETs器件发展，用高介电常数材料来替代现有的SiO2栅氧化层势在必行。本项目在现有SiO2/SiC MOSFETs和high-k材料/SiC MOS电容的研究基础上，采用理论和实验相结合的方法，研究适合4H-SiC MOSFETs的HfAlO为栅的结构，揭示Hf、Al 、O组分变化与界面电学特性的变化规律，提出HfAlO/4H-SiC界面特性优化方法；建立HfAlO/4H-SiC MOSFETs二维器件模型，揭示器件的输运特性和载流子的散射规律，得到器件的结构参数，研制出高电子迁移率的新型高功率HfAlO/4H-SiC MOSFETs原型。本项目从新的角度寻找适合SiC MOSFETs的栅介质材料并应用器件制备，有望促进4H-SiC高功率MOSFETs的发展，为克服瓶颈提供新的研究思路和方向

碳化硅由于其优越的电学特性（宽禁带，高热导率，高击穿电场以及高饱和电子速率）一直以来成为研究的热点。然而SiC MOSFET器件的整体效率受到栅绝缘层的质量和可靠性的影响。为了减少栅介质的电场，不同的高K材料被提出。我们采用原子层淀积技术制备三种不同绝缘层样品，并利用Keithley4200半导体分析仪、XPS、AFM对其特性进行了测试。结果表明Al2O3薄膜表面均匀性较好，均方表面粗糙度小，淀积的Al和O元素已经形成了稳定的Al-O结构。对I-V分析结果表明SiO2中间层有效的提高了4H-SiC与栅介质之间的势垒高度，减小漏电流。C-V处理结果表明高温条件下热电子发射加剧，栅介质层漏电增强，且随着温度的升高，存在于Al2O3和SiO2层中俘获电子的受主型陷阱受热激发而脱离陷阱，提取的势垒高度远大于Al2O3/4H-SiC的势垒高度，可知该受主型陷阱主要是分布在SiO2层中，陷阱辅助的热电子发射机制起着主导作用，同时也存在占总漏电的比重不大的热电子发射。对不同组分的HfAlO/SiC 结构研究得出，绝缘层与SiC的晶格失配较大，悬挂键较多，成为HfO2比Al2O3界面态密度大的主要原因。HfO2的边界陷阱密度最小，Al2O3的最大，并且HfAlO随着Hf的含量减少，其边界陷阱密度减少。通过退火工艺可以改进介质层质量，减少表明粗糙度，增加材料的致密性，但样品表面的缺陷数目并没有减少。还会使材料原子的活动性增强，导致不同位置处的组分发生变化，退火后界面处Al的含量升高，这是由于界面处的Al Hf是由介质层游离过来的。退火还能改进HfO2与SiC之间的导带带偏，使HfO2与SiC导带顶的距离增大，增大势垒高度，减少直接隧穿和F-N隧穿，从而减少漏电流。对不同厚度SiO2的HfAlO/SiO2/4H-SiC结构特性研究表明其主要漏电机制肖特基发射和F-P发射，其作用的电场范围与SiO2厚度密切相关，SiO2厚度越薄，其阻碍电子隧穿的能力越差。最后，提出了一种新型高K/4H-SiC MOSFET模型,采用深刻蚀U槽栅技术，提高了击穿电压减小导通电阻。