电子技术Electronic Technology
电子技术与软件工程
Electronic Technology & Software Engineering 4H-SiC M O SFET交流特性的仿真和研究
李国鑫
(上海电力大学上海市200090 )
摘要：本文通过二维数值模拟，从碳化硅M OSFET的结构中分离出P型和N型结构，同时考虑界面陷阱的影响，研究了 Si02/SiC界 面态密度对C/V曲线的影响。
关键词：4H-SiCM0SFET；态密度；施主陷阱受主陷阱电容
1引言
碳化硅（SiC)材料作为一种很有前途的材料，在过去的几年里 引起了广泛的关注，它经常用于制造高温和恶劣环境下的动力装置，即在高辐射和高功率的环境中有较为广泛的应用。~传统半导体相 比，碳化硅有较宽的带隙，这对于陷阱的形成具有更大的电阻性。由于Si02/SiC存在较高的界面态密度而导致了碳化硅
器件的使用存 在一定的可靠性隐患，这极大阻碍了碳化硅功率器件的的广泛应用 m。当设备运行时，由于陷阱和界面电荷的存在，当碳化硅基设备 处于辐射条件下时，存在被降解的风险。为了利用碳化硅生产可靠 的功率器件，必须要研究无缺陷材料的可用性。尽管这种材料的的 物理性质是未知的，但它对精确的器件模拟极为重要。因此陷阱的 行为及其对设备性能和可靠性的影响依旧处于研宂中m。此外，在 SiC材料中可以观察到器件物理的一些独特特性与宽禁带特性有关，但这些特性在S i中没有显示出来[31。本文通过计算机辅助模拟技术，深入研究；了氮掺杂和铝掺杂MOS结构在不同界面态对交流特性的 影响。最后解释/器件中栅偏置的长期存在的电不稳定性是陷阱与 界面电荷等其他因素导致的。
S o u rc e
4H sic
D ra in
图1：碳化硅M O S结构
2 4H-SiC M O S F E T器件结构
为了深入理解4H-SiC MOSFET所涉及的基本现象，本文建立 了一个碳化硅功率器件，在此器件的基础上可以将器件分解为两种 不同的结构并且分别研究它们的交流特性，为了验证模型的是否正 确建立，
首先仿真了碳化硅功率器件的阈值电压和转移特性，结构
的发热功率P =p f i。在fieldcalculator中依次点击Q u a n ti ty J: Mag;Quantity—E;Mag;*;Geometry—►Volume—►被积体积；
Add，即可添加一个计算发热功率的函数。电磁场的能量密度公 式为w= 故可以按照同样的方法计算。添加完毕后可以在Createfieldplot窗口的calculator菜单栏中选择己添加的函数，计 算后的值会自动显示在窗口的左侧。通过仿真计算可以看出绝缘介 质漏电阻的热损耗大约在K T9数量级，故该损耗可以忽略不计。结 合以上分析知：根据能量传递 方程列出的能量流程图如图4所示。
4数据处理
完成仿真后，将参考平面选择为X Z平面，建立一个非模型的 参考平面。选择此平面显示其磁感应强度的大小如图5所示。
可以看出熔融铜两侧的磁感线比较密集，即磁场主要存在于坩 埚壁内。由于涡流的去磁效应，熔融铜内部越接近几何中心，磁感 应强度越小。受陶瓷材料几何形状的影响，基座处出现了磁感应强 度为零的区域。熔融铜上下表面的磁场大小近似对称分布，磁场同 时沿Z轴（图中垂直方向）对称。为了验证漏磁通很小这一结论，在参考平面上显示矢量B的分布如图6所示。可以看出由于设置了 边界条件，磁感线的分布比较规则。
由建立的能量流程图可以推导出中频感应炉的效率计算公式
%融铜发热童+P总臟+1"电磁_•丨。设计时常常需要确定交流感应炉工作的最佳频率。利用Ansoft Maxwell H j■以绘制出各项 损耗和效率的频率特性曲线。在Maxwell 3D菜单朽中的Result选 项中可以绘制中频感应炉工作在不同频率下的效率。为了绘制曲 线，需添加一个新的求解方案，在频率扫描菜单栏中选择扫描频率为150—3000Hz，扫描步长设置为50Hz，最大仿真次数设置为3。仿真完成后可以生成图7、图8所示曲线。
从仿真结果可以看出，效率特性曲线的拐点大约在lkH z处，即当频率大于1kH z时，各项损耗、金属液发热量和效率随工作频 率的变化不大，当频率小于1kH z时，铜损变化不明显而效率下降 地较快。故该交流感应炉的最佳工作频率应选在1kH z左右。
5结论
随着坩锅铸造技术的改进和电力电子开关技术的发展。交流感 应炉的耐火性和工作频率都得到了提高。现制成感应炉的工作频率 可达1MHz，工作安全可靠。随着感应炉工作频率的提高，其集成 度和效率也越好。在设计时要在兼顾成本与技术要求的前提下尽可 能提高感应炉的工作频率。利用Ansoft Maxwel丨辅助分析法可以分 析在不同材料下交流感应炉的技术指标与工作特性，因而为交流感 应炉的合理选材与外形设计提供了方案依据，并可以得到理想工况 下交流感应炉的工作模型。这对工程设计是大有裨
益的。
参考文献
[1] 卢秋朋，张清鹏，秦润杰.传输线中趋肤效应的介绍及仿真[M].
中国学术期刊电子出版社，2014.
[2] 胡晓轩.中频感应电炉的调试[M].中国学术期刊电子出版
社，2018.
[3] 冯慈璋，马西奎.工程电磁场导论[M].高等教育出版社，2018.
作者简介
吴浚哲，男，大学本科学历，研究方向为电气工程及其自动化术。
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G a te
Sio2
4H sic n-D oped S ubstrate p -doping
4H sic
n-Doped
S ubstrate
表1：两种不同态密度的参数设置
参数态密度i态密度2单位
NTA  1.5*10121*1014cm'3/eV
NTD  1.5*10121*1014cm'3/eV
NGA  5.0*10172*10u cm'3/eV
NGD  1.5*10182*1〇"cm'3/eV
EGA0.40.805eV
EGD0.40.805eV
WTA0.330.1eV
WTD0.330.1eV
WGA0.11eV
WGD0.11eV
图4:N型结构图5:P型结构图7：缺陷态密度2 (D O S)依赖于能隙如图1所示，仿真结果如图2和图3，可以发现模拟结果与实际理 3不同界面态的比较
论较为一致，所以可判定碳化硅功率器件模型的正确建立。
为了研究碳化硅功率器件的界面态对交流特性的影响，从碳化 硅功率器件的结构中分离出两种结构，分别研究界面态对C/V特性 的影响。
N型结构如图4，顶部有一个栅极触点，底部有一个触点（图1)，有一个施主掺杂。P型结构考虑了P掺杂的贡献，所以栅极和源接 触都定义在顶部，也就是P型掺杂所在的位置（图5)。
交流小信号特性的分析有两种仿真类型，一种是频率不变只改 变直流偏置，另一种是改变频率而直流偏
置不变。本文采取了频率 不变，变交流偏置，得到了特定频率下的C/V特性曲线。N型结构 的栅极电压从负偏压15V扫描到正偏压15V，而P型结构的栅极 电压从正15V扫描到负偏压15V，频率为恒定的1KHZ。分别进行 了器件仿真和工艺仿真[4,5]。由于掺杂剂在碳化硅中的扩散常数极 小，所以用扩散法掺入杂质是行不通的，因此对于N型结构的掺杂，要利用外延生长来实现。而对于P型植入区域，则建立了基于二元 碰撞近似(BCA)技术的二维蒙特卡洛植入。
在器件模拟中，求解了电子和空穴的泊松方程和连续方程，并 采用漂移扩散模型求解了输运方程。
假设总态密度（DOS)由四个带组成：两个尾部带（一个类似供 体价带和一个类似受体导带）和两个深能级带（一个类似受体和一 个类似供体），用高斯分布建模[6’7]。
g(E) =S t a(E)+^t d(^) +S g a(^) +S gd^(3)
其中，E为陷阱能，Ee为导能带能，E V为价能带能，下标 (T,A，G,D)分别表示尾态、高斯态（深能级）态、受体态和施主态。
g rA(E) = NTAexp
gm(E) = NTDexp
g G A( E)=NGAexp -1
ga〇(,E) = NGDexp-
E-E c
WTA _
Ev-E~
WTD _
E G A-E^i
F G d」
E-E G D\
FGD J
(4)
(5)
(6)
(7)
对于指数尾分布，DOS可用其导带和价带边截距密度（NTA 和NTD)以及特征衰变能量（WTA和WTD)来描述。对于高斯 分布，D O S由其总态密度（NGA和NGD)、特征衰变能（WGA 和WGD)和峰值能量分布（EGA和EGD)来描述[7]〇本文分别比
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G a te  V olta ge  (V )
图9：不同界面态的C /V 曲线的比较
较了无缺陷，以及加入两种不同态密度对交流小信号特性的影响（如 图6与图7)。4结果4. 1 N 型结构
如前所述，SiC  MOSFET 的N 型掺杂是通过外延生长形成的（见 图4)。在仿真后，观察到模拟的C /V 曲线和电容器的C /V 曲线有 较为相似的趋势（见图8)。
为了研究Si 02/S iC 界面陷阱对C /V 曲线的影响，本文仿真了 三种条件下的曲线，分别是在氧化物/4H -SiC 界面不引入陷阱，和 分别加入两种不同的界面态的陷阱的仿真。图中是三种条件下栅源 电容随栅压变化的关系曲线。可以看出，当添加了陷阱之后，C/V 曲线都表现出明显的迟滞现象。当电压从负偏压扫描到正偏压时， 陷阱依然存在大量的正电荷，所以C /V 曲线表现为上升。当栅极的 电压逐渐增大后，栅极正的偏压会形成一定的电场，最终使得陷讲 被电子填充，显示出一定的负电性。而当栅偏压由正到负时，陷讲 中的电子无法及时释放，所以使C /V 曲线向正电压方向平移。
ATLAS 还可以指定缺陷态密度p 〇S )作为指数衰减带尾状态 和中间隙状态的高斯分布的组合[8]，或者可以定义一个函数来描述 陷阱密度作为能量的函数。这样利用连续的态密度对带隙内含有大 量缺陷态的无序材料进行建模。本文在绝缘体/半导体界面添加了 类似受体的陷阱。
在该结构下，界面态添加了类受主型陷阱（空时为中性，填充 电子时为负），类受体阱通常位于导带附近。经过适当的校准，最 终的陷阱DOS 如图6和7中。根据这种陷阱分布，模拟的C /V 曲 线很好地再现了栅偏置大于0V (Vgate >0V )时的实验电容，如图8 所示。最终的DOS 配置文件如表1，并确定在N 型
区域内存在类 似于受体的接口陷阱。4. 2 P 型结构
对P 型结构的研究采用类似的方法。设备结构如图5，此外，
electronic去掉ic是什么Gale Voltage (V)
图8：不同界面态的C /V 曲线的比较
2x
可以清楚地看到模拟出来的C /V 曲线沿Vgate 轴会有一定的平移。 这些差异性表示并不是所有的物理现象都会被明确定义。因此，在 进一步研究Si 02/4H-SiC 界面模型时，在绝缘体/半导体界面引入 了类供体陷阱。并定义了函数来描述带隙中的缺陷状态。同时应用 了指数函数和电子和空穴的俘获截面[9]。
P 型结构的界面陷阱设为施主型（能级为空时呈正电性，能级 被电子占据时呈中性）。陷阱的影响可以更好地再现电容增量，但 它不影响C/V 沿X 轴的曲线位置。
所以，导致C /V 曲线刚性平移可以归结为由于两种因素的：界 面陷阱（Dit )和固定电荷。固定电荷的影响在这里并没有做深入研 究。半导体材料在Si 02界面上的行为需要进一步的研究和实验[H \ 如图9所示。
5结论
在N 型和P 型4H-SiC 上制备的MOSFET 中的陷阱得到了深 入研究。由于模拟的C /V 曲线很好地与经验曲线相吻合，可以肯定 SiC  MOSFET 的界面陷阱模型与碳化硅材料较为准确的被定义。这 里仍然存在几个起源尚不清楚的界面陷阱。因此，需要做进一步的 综合分析。从实验的角度来看，需要像电致发光等研究来精确地确 定产生这些界面陷阱的缺陷是什么。TCAD 模拟是预测分析和表征 相关陷阱状态的宝贵工具。进行二维模拟是理解载流子输运过程中 各种物理现象的作用以及这些现象如何影响4H-SiC  MOSFET 电性 能的关键。
参考文献[1] S . Harada , R . Kosugi , J . Senzaki , W . J . Cho , K . Fukuda , K .
Arai , S . Suzuki , J . Appl . Phys . 91, 1568 (2002)[2] Kimoto  Tsunenobu , Material  science  and  device  physics
in  SiC  technology  for  highvoltage  power  devices , Jpn . J . Appl . Phys . 54 (2015) 040103.[3] Liangchun  C . Yu , Greg  T . Dunne , Kevin  S . Matocha , Kin Cheung , R e lia b ility  issues  of  SiC  MOSFETs : a  technology for  high  temperature  environments , IEEE  Trans . Device  Mater . Rel . 10(4) (2010)418-^26.[4] SILVAC 0，A T H E N A  User ’ s  Manual , U SA , Santa  C lara ,
2018.
[5] SILV A C 0， A T L A S  User ’ s  Manual , U S A , Santa  Clara , 2018.[6] Keeney , S ., F . P ic c in i , M . M orelli , A . Mathewson  e t .
a  1. , “Complete  T ransientSim ulation  of  Flash  EEPR 0M  DevicesM  , IE D M  Technical  Digest  (1990): 201-204.[7] Mathieu  Kem p , Michel  A . Meunier , Charbel  G . Tannous ,
Simulations  of  the  amor-phous  silico n  s ta tic  induction tra n s is to r , S olid-State  E lect . 32 (2) (1989) 149-157.[8] MikeB . Hack , JohnG . Shaw , Numerical  sim ulations  of amorphous  and  p o ly c r y s t a ll in e  s i l i c o n  th in -f ilm  tra n s is to rs , in : Proceedings  of  the  Extended  A bstracts 22ndlnternational  Conference  on  S olid-State  Devices  and M aterials , Sendai , Japan , 1990, pp . 999-1002.[9] Carl  Hemmingsson , Nguyen  Tien  Son , Olof  Kordina , Erik Janz  6 n , Jan  L . Linds  t  r 〇m , Capture  cross  sect  ions  of e le c tro n  irra d ia tio n  induced  d efe cts  in  6H -SiC , J . Appl . Phys . 84 (2) (1998) 704-708.[10] Siddharth  Potbhare , NeiIGoldsman , and  Gary  Pennington ,
Numerical  and  experim ental  of  4H-s  i 1 icon  ca r bi de l a t e r a l  me t a l -o x  i  de  s e mi c onduct or  f i e l d -e f f e c t  transistor,JOURNAL  O F  APPLIED  PH YSICS  100, 044515 2006.作者简介李国鑫（1996-)，男，山西省朔州市人。硕士学位，研究生。研 究方向为半导体器件的仿真与设计.
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