关于碳化硅SiC栅氧（Gate Oxide）以及NO 退火

LU XIAN 5220 阅读 0 评论 149 点赞

1. Introduction

我们生活在一个能源匮乏的世界，在这个世界上，工业化和全球化已经成为一种趋势加速了对资源的需求，现在大约每40年翻一番。今天，我们消耗约18太瓦（18×1012瓦），相当于970亿桶原油每年加油。而可再生能源提供了一种环保的替代能源化石燃料仅占总量的10%左右[64]。伴随着清洁能源，必须努力抑制消费，这在一定程度上可以通过提高系统效率。在本节中，我们将从这样的角度讨论运输、发电和配电等部门可以从中受益碳化硅基电子学。

首先，应当认识到，采用新技术的主要动力是组件成本和最终用户利益。碳化硅电子也不例外如果它能在这些方面发挥作用，那就有意义了。一个很好的例子是最近引入的更昂贵的荧光光源，从长远来看是有经济意义的，因为它们事实证明，这只消耗了白炽灯泡的一小部分能量，而且寿命延长了20倍这种效率和可靠性可以证明投资的合理性。那么，关键参数是什么影响SiC器件的成本和效率？成本-基板尺寸和可用性已受益于LED需求的繁荣，因为在SiC衬底上可以制备III族氮化物蓝二极管。事实上，直径从两英寸（50毫米）晶圆的释放开始，可用的基板稳步增加1997年9月至2012年8月6英寸（150毫米）晶圆的最新发布由Cree，inc.提出，与Si演进相比，这是一个非常快的步伐[100]。而且，质量非常好在提高加工速度和均匀性的同时，也取得了一些改进。一个碳化硅生产所面临的许多挑战之一是减少扩展缺陷，如作为微管[29，49]。今天，基板基本上没有这种缺陷，优化了设备的产量。因此，需求和生产成本逐步压低了产品的价格这种材料已经转化为更便宜、更高质量的光电元件以及高功率应用。

图1。在给定的阻断电压下，SiC基fet相对于Si器件的直流效率。在商用时不使用退火热栅氧化物的开关提高了效率，建议使用沉积氧化物达到最佳性能[109]。

效率——虽然投资成本已经降低，但基于碳化硅的设备仍然更具吸引力比他们的Si同行贵。他们的效率是他们吸引人的原因从长远来看。如图1所示，金属氧化物的能量消耗当使用硅时，场效应晶体管（mosfet）可以低几个数量级用碳化物作为衬底来控制高阻断电压。将从中受益的行业这些部件的广泛应用包括运输、配电、电网耦合、高性能计算等。事实上，汽车制造商在SiC研究，针对混合动力汽车中基于SiC的逆变器的实现。得到关于单个设备的消耗如何转化为系统效率的想法，让我们来看看光伏（PV）电源转换器的例子。光伏逆变器用于转换从太阳能到交流电网的直流电流。它们是由功率二极管制成的和开关。一个典型的住宅系统在400伏交流电下的额定功率为5千瓦。这种硅基转换器的工作效率可以达到95%以上，但可以通过市售的SiC肖特基二极管和功率MOSFET可将损耗降低约50%，每户每年可节省约100美元[22，23]。而且，他们可以在更高的温度下运行，这样有利于有限的冷却和体积要求系统的价格，这确实可以证明有利于消费者多年来的选择采用新技术。

SiC器件效率的进一步提高将使这种情况更加明显。在…之间设备级的关键构建块是氧化物/半导体接口。图1强调它如何影响消费，特别是在低偏差。在本章中，我们将导出从物理特性定义SiC器件的重要参数，并讨论其作用形成氧化物/半导体界面，覆盖热氧化物，后氧化退火和沉积电介质。

2. Breakdown field and device efficiency （场击穿与器件效率）

让我们比较一下垂直双注入MOSFET（DMOSFET）设计来控制相同的偏压，一个Si基，另一个SiC基，如图2（b）所示，使用图2（a）。这两种材料之间的主要区别可以追溯到硅键以及Si-C键。硅与碳原子之间的强相互作用与Si的2.35Å相比，1.89Å的较短键长证明了这一点。这个碳化硅中原子的接近产生了更明显的键合和反键分裂在周期性晶体结构中转换成更宽的带隙。这个碳化硅的双原子基也解释了材料更好的导热性因为它的振动模式，即声子，平均能量更大，这反映在德拜温度。最终，是声子分布解释了更高的临界温度碳化硅领域，ξc，可用于导出关键参数冲击装置在高效率的大功率电子器件中，漂移分量的导通电阻比。

材料的击穿场确实与其带隙没有直接关系，例如，为了达到一级，自由载流子需要达到至少3/2eg的动能才能诱导层叠碰撞电离现象，称为雪崩，乘以由于载流子和导电性的不同，体中的限制因素是声子耦合[84, 86]. 如果载流子的净速度v′与电流成正比，小于或等于热速度，电子-声子系统处于平衡状态，因为声子使载流子热化的能力。在这种情况下，声子散射阻尼自由载流子的能量增益，其在能带中的分布可视为费米球体在电场的方向上有轻微的移动。但是，如果磁场增加达到ξc时，载流子获得能量的速率变得太高，不允许平衡晶格振动。热载流子则实现声子逃逸。他们的动议是否定的阻尼更长，可从vth自由加速到临界转速让雪崩过程开始。值得注意的是，在薄膜中约束来自于载流子加速到vc所需的时间，使得ξc可以变成大于体积值，如图3（a）所示。