碳化硅功率器件的發展與數值建模

摘" 要：近年來，碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體材料的發展引起了人們的廣泛關注。憑借其高導熱性、高擊穿電場和可生長天然氧化物的能力，在航天航空及通信等領域得到了廣泛應用。然而，碳化硅功率器件在開發中也有一定的局限性，碳化硅功率器件的高界面態成為制約器件性能的主要因素。因此，碳化硅器件還需要更加深入地了解與應用。文章比較了第三代半導體材料碳化硅與第一代元素半導體硅材料的物理特性，并提出了研究碳化硅材料數值分析所需的模型，為今后碳化硅功率器件的研究打下基礎。

關鍵詞：碳化硅;功率器件;寬禁帶;物理特性

中圖分類號：TN303" " " "文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0067-03

Abstract： In recent years， the development of silicon carbide， gallium nitride and other wide band gap semiconductor materials has attracted extensive attention. Because of its high thermal conductivity， high breakdown electric field and the ability to grow natural oxides， it has been widely used in aerospace， communication and other fields. However， there are some limitations in the development of silicon carbide power devices. The high interface state of silicon carbide power devices has become the main factor restricting the performance of devices. Therefore， silicon carbide devices need more in-depth understanding and application. In this paper， the physical properties of the third-generation silicon carbide and the first-generation element silicon carbide are compared， and the model for the numerical analysis of silicon carbide is established， which lays a foundation for the future research of silicon carbide power devices.

Keywords： silicon carbide; power devices; wide band gap; physical properties

1 碳化硅材料的發展

隨著集成電路與微電子的發展，傳統的半導體材料由于自身的結構和局限性，在高導熱、高電場的工作環境下已難堪大任，碳化硅材料以其卓越的物理特性引起了人們的關注，并成為了繼第一代元素半導體硅和第二代化合物半導體磷化鎵等之后發展迅速的第三代半導體材料[1-2]。碳化硅電子器件的發展已有多年，在1907年首次觀察到碳化硅的電致發光現象，且于1923年利用碳化硅制成了第一種LED。但早期大多數關于碳化硅的研究是通過升華法生產的，目前最常用的方法是物理氣相輸運法（Physical Vapor Transport，PVT）。表1比較了碳化硅材料和硅材料的基本物理特性。不難得出，與普通的硅材料相比，碳化硅材料具有更加優良的物理特性。包括其更加寬泛的禁帶、更高的擊穿場強、熱導率及擊穿場強[3-4]。因此，深入研究碳化硅結構并解決其高界面態是推動碳化硅功率器件發展的必經之路。

2 4H-SiC MOSFET器件結構

半導體功率器件一般可分為兩種，即MOS器件與雙極結型器件。圖1中展示了一種基本的碳化硅MOS器件的結構，該結構具有工頻高，柵壓可控的優點。然而，在SiO2/SiC存在的高界面態卻阻礙了碳化硅MOS在航天航空及通信等領域的廣泛應用。

3 數值分析物理模型

隨著半導體器件的發展，其器件結構日益復雜，功能日益強大。為了節省實驗時間和成本，器件及工藝的數值計算法被大力推廣。目前，最常用的半導體仿真軟件有Sentaurus、Silvaco等，為了仿真的精確及可靠，必須建立正確的物理模型及設置必要的材料參數碳化硅功率。

3.1 各向異性模型

碳化硅內部的遷移行為在本質上是各向異性的，這極大地改變了器件的電氣性能。在半導體仿真軟件中可以通過各向異性模型來正確地模擬這種行為。首先，要采用標準的各向同性流度模型，定義一個lt;1100gt;平面的碳化硅流度系數，這個平面是高流度平面。其次，用標準的各向同性流度模型，再定義一個小于lt;1000gt;平面的碳化硅流度系數，這個平面是低流度平面。最后，采用各向異性流度模型，定義了lt;1100gt;和lt;1000gt;平面的碳化硅流度系數。同時，須設置碳化硅電子和空穴的飽和速度[5]。

根據Lindefelt[6]和Lades[7]的思路，漂移擴散方程中的遷移率被賦予了張量性質。因此，流動性變成：

μ1代表lt;1100gt;方向的流動系數，μ2代表lt;0001gt;方向的流動系數。凈加權遷移率是通過馬修斯規則的加權應用來計算的：

權重ω1、ω2為當前的方向向量的點積與指定的角參數相關的參數和模型[7]。

3.2 FNORD模型

SiO2/SiC界面的陷阱不僅會影響通道的流動性，諾德海姆隧道的屏障高度，所以精確的仿真柵極界面的物理現象也是仿真成功的一個重要因素。因此，必須將氧化層置于柵接觸和半導體的中間。基于這個因素，在計算機仿真中必須引入福勒-諾德海姆模型，同時為了模型的精確性，還須引入帶帶隧穿模型。如果絕緣體上的電場足夠高，那么它可能導致電子從半導體（或金屬）費米能級進入絕緣體傳導帶的隧穿。這一過程強烈地依賴于外加電場，但與環境溫度無關[8]。

F-N隧道電流模型的一般表達式為：

式中，J為絕緣層的電流密度，E為絕緣層的電場強度，q為單位電荷電量，h為玻爾茲曼常數，h為h/2π，ms為SiC中的電子有效質量，m0為真空中的電子質量，фb為SiC到SiO2的勢壘高度。

4 4H-SiC MOSFET反型層遷移率的研究

4H-SiC MOSFET的一個重要缺點就是其遷移率太低，因此在碳化硅功率器件的研究中，遷移率也是一個重要的參數。為此，本文采用上述建立的4H-SiC MOSFET模型，進行了4H-SiC的反轉層遷移率模型的相關仿真。

4H-SiC MOSFET的散射機制通常分為體內散射機制和表面散射機制。隨著物理條件的變化，兩者對載流子的影響也隨之發生變化。因此，可以將散射機制分開討論。

體內散射機制結合了體內電離雜質散射和晶格散射的影響。電離雜質散射是一種彈性散射，即這種方式的散射不會消耗能量。且散射的方式為各向異性散射。晶格散射是溫度一定時，原子在平衡位置做晶格熱運動。晶格散射的本質是載流子和聲子的碰撞。晶格中低頻率的聲子會使晶格勢場發生畸變，從而改變了禁帶寬度。

4H-SiC MOSFET的表面散射機制對電子遷移率的影響同樣不可忽略。在各種場強下，散射機制也不盡相同。低電場條件下，界面庫倫散射發揮主要作用。高電場條件下，界面粗糙散射是主要考慮的因素。當溫度較高時，表面聲子分量又成為4H-SiC MOSFET中界面散射機制的主要限制因素。

本文驗證了遷移率分量對總反轉層遷移率的影響。仿真繪制了模擬的4H-SiC MOSFET的2D凈摻雜分布圖（如圖2）以及定義的界面態密度分布圖（如圖3）。

仿真結果表明，在低電場區，界面電荷處的庫侖散射對總的反型層遷移率有顯著影響，而在中等電場區，庫侖散射則會對表面聲子散射產生影響。在高電場下，表面粗糙度散射對電子的總反轉層遷移率有主要影響。

5 結束語

碳化硅材料是一種極有前途的寬帶隙半導體。目前，碳化硅已經用來制造肖特基勢壘二極管（SBD）、PiN二極管、雙注入MOSFET（DIMOSFET）、溝槽MOSFET、結型FET（JFET），雙極結型晶體管（BJT）、晶閘管、n道絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。這表明碳化硅具有廣闊的生產前景。然而，目前對碳化硅材料和器件物理的基本理解仍然不夠到位。碳化硅高界面態的局限性也未得到解決。本文簡要介紹了碳化硅材料的發展和現狀，并比較了碳化硅材料和硅材料的一些基本物理特性，提出了在碳化硅器件的數值分析中需引入的兩種物理模型，并針對其遷移率太低的缺點，研究了4H-SiC MOSFET反轉層遷移率模型，為今后研究碳化硅高界面態進行數值分析時打下了基礎。

參考文獻：

[1]CHOYKE W J，PENSL.Physical properties of SiC[J].MRS Bulletin，1997：22-25.

[2]R Siergiej，C R Clark， S Sriram.Advances in SiC materials and devicesan industrial point of view[J].Material Science and Engineering B，1999（61）：9-17.

[3]Kimoto Tsunenobu.Material science and device physics in SiC technology for high voltage power devices[J].Jpn. J. Appl. Phys， 2015，54（4）：40103.1.

[4]Liangchun C. Yu，Greg T. Dunne， Kevin S. Matocha，et al.Reliability issues of SiC MOSFETs： a technology for high temperature environments[J].IEEE Trans. Device Mater. Rel，2010，10（4）：418-426.

[5]SILVACO， ATLAS User’ s Manual， USA， Santa Clara[Z].2018.

[6]Lindefelt U. Equations for Electrical and Electrothermal Simulation of AnisotropicSemiconductors [J].J. Appl. Phys，1994（76）：4164-4167.

[7]LadesM. and G.Wachutka. Extended Anisotropic Mobility Model Applied to 4H/6H-SiC Devices[J]. Proc. IEEE SISPAD，1997：169-171.

[8]KeeneyS，FPiccini， M. Morelli， et al. Complete TransientSimulation of Flash EEPROM Devices[J].IEDM Technical Digest，1990：201-204.