缺陷与SiC功率器件间的可行性之间关系

　　赢得2021 年IRPS（IEEE 国际可靠性物理研讨会）最佳论文奖需要什么？每年有数十万篇科学论文出现在电气和电子工程专业的出版物中。然而，是什么让他们中的一个人值得称赞？为什么一篇关于MOSFET 击穿和 4H-SiC 外延缺陷之间相关性的论文脱颖而出？这篇论文甚至会在今年获得认可。随着IRPS 2022于 3 月 27 日开幕，其贡献得到了研讨会组织者的进一步认可。找出为什么 ST 博客与该论文的主要作者 Patrick Fiorenza 以及他的一些合著者 Santi Alessandrino、Fabrizio Roccaforte 和 Alfio Russo 坐下来。

　　简而言之，该研究揭示了新发现的某些缺陷与碳化硅功率器件的可行性之间的关系。它是 ST 与意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所 （Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto per la Microelettronica e Microsistemi 或 CNR-IMM） 共同努力的产物。两个团队在意法半导体位于意大利卡塔尼亚的场地共享一个空间，在那里他们研究碳化硅、氮化镓等。因此，让我们来探讨一下他们是如何提出这篇获奖论文的，以及它如何影响下一代ST 目前正在开发 SiC 功率器件。

　　非功能性 4H-SiC 模具

　　为什么要谈论 4H-SiC？

　　研究论文指出了两类缺陷：短期和长期。其中，最严重的是

类型，因为它从一开始就不起作用。这篇论文是独一无二的，因为它首次揭示了晶体缺陷和故障率之间的直接关系。

4H-SiC。正如我们在关于汽车碳化硅的博客文章中看到的那样，4H-SiC 因其物理特性而备受青睐。它在 947 cm 2 /Vs时提供比 6H-SiC 更好的电子迁移率，但由于其六方晶格中的四个双层原子结构，它比 3C-SiC 更容易制造。

　　是什么导致了这一发现？

　　作者解释了他们如何使用原子力显微镜和使用扫描电子显微镜的横截面来观察

. 他们发现存在结晶沉淀物，或者通俗地说，外延层底部看起来像“岩石”的结构，高度约为 1.90 µm。简而言之，作者试图理解为什么这些设备“一到就死”，这使他们更深入地研究并发现了结晶沉淀物与缺陷率之间的新关系。因此，ST 和 CNR-IMM 的论文获得了该奖项，因为它以一种新的方式探索了 SiC 芯片。

　　这样的发现实现了什么？

　　自本文发表以来，ST 学会了优化我们的 4H-SiC 器件的外延反应室和制造工艺。因此，该研究展示了对理解 4H-SiC 器件背后物理原理的热情如何影响实际应用。事实上，由于这些发现，意法半导体可以提高产量，从而制造出更具成本效益和更耐用的设备。反过来，我们可以期待 4H-SiC 功率 MOSFET 渗透到更多的市场和应用，从而有助于提高能源效率。随着社会应对能源危机和环境挑战，积极影响产品能源消耗的能力仍然是一个关键目标。

　　对剩余的 4H-SiC 模具进行压力测试

　　揭示了哪些高温栅极偏置应力测试？

　　一旦研究人员筛选出

死后，他们将功能正常的产品放入一个包装中并对其进行压力测试。第一个挑战是高温栅极偏置应力，它提高了栅极氧化物处的电场。科学家们如此努力地推动这些设备的原因是为了监测正常和恶劣条件下的行为。有趣的是，他们注意到一些设备在 3 MV/cm 时已经表现出异常行为。为了了解为什么会发生这种情况，他们在原子力显微镜下检查了有问题的芯片，结果显示栅极氧化物上存在 20 nm 到 30 nm 之间的凸块。

　　这一发现是一项突破，因为它有助于对最初看起来工作正常但在生产过程中几乎无法发现的缺陷进行分类。该研究论文不仅解释了为什么这些器件具有异常的栅极传导，而且还展示了高温栅极偏置测试的重要性。因此，这些结果将有助于代工厂更好地监控其 SiC 器件的质量。

　　揭示了什么高温反向偏差？

　　在第一次压力测试之后，这些芯片进行了另一次试验：高温反向偏置。该基准持续了三个月，用于模拟几十年的正常使用。简而言之，它帮助作者确定所有设备在其整个生命周期内是否都能正常运行。虽然其中 98% 的人这样做了，但另外 2% 的人发现栅极电流异常，栅极电流是正常值的 7 倍。在现实世界的应用程序中，这种行为将代表严重的故障。挑战在于，这个被称为“无声杀手”的缺陷虽然一直存在，但只有在多年的正常使用后才会显现出来。

　　作者首先使用扫描电子显微镜了解出了什么问题，但没有发现任何异常。结果，他们改用透射电子显微镜，发现栅极绝缘体下方的半导体存在缺陷。为了进一步了解它是什么，作者使用了原子力显微镜，这使他们能够发现高度在 18 nm 和 30 nm 之间的三角形缺陷，具体取决于压力测试的持续时间。在这一点上，他们了解到从衬底到外延层存在螺纹位错。因此，他们使用扫描电容显微镜来显示对 MOSFET 器件的物理影响并解释其错误的电气行为。

　　只是因为科学家们使用了如此多的调查技术，他们才能够理解发生了什么。简而言之，穿透位错会影响 4H-SiC 器件的价带，从而有效地缩小其绷带。正如我们在博客上多次看到的那样，SiC 的宽绷带是该设备出色的电气特性的原因。因此，任何导致其收缩的因素都会对结构产生严重的负面影响。在这种情况下，价带增加了大约 0.8 eV 到 1 eV，这是很重要的。相比之下，SiC 的绷带在 2.3 eV 和 3.3 eV 之间变化，而 4H-SiC 则为 3.23 eV。

　　人类合作取得了什么成就以及为什么如此重要？

　　作者使用这么多调查工具的能力直接源于 ST 和 CNR-IMM 之间牢固而深入的合作。因此，除了科学成就之外，IRPS 2021 最佳论文奖还奖励了人类的壮举。多年的互动和为行业带来重大贡献的愿望使 ST 和 CNR-IMM 共享的不仅仅是办公空间。因此，我们希望与本文分享的经验是与研究机构、实验室等合作的重要性。靠近隔壁的大学。联系研究人员，看看有哪些合作是可能的。它可能会带来揭开新谜团的发现。

　　审核编辑：郭婷