研究计划书

研究计划书一、研究题目柔软性二、研究背景SiC材料具有优越的电学性能，包括宽禁带、高击穿电场、高饱和漂移速度和高热导率，这些特性可以使SiC器件工作在高温、高功率和高频特殊条件[1]。因此，SiC在功率器件中有广泛的应用，例如超高速肖特基二极管和MOSFET、IGBT等。SiC-MOSFET在电源应用领域是一个理想的选择，但是除了上述由于SiC材料特性带来的优势以外，目前SiC-MOSFET的发展也有许多技术难点，例如低MOS沟道迁移率和栅氧化层的低可靠性[2]。其中栅氧化层的低可靠性成为了一个日趋严重的难点。虽然SiC是能够直接通过热氧氧化生长SiO2的宽禁带半导体，但由于材料禁带较宽，Si-C键能大以及C元素的影响，SiC与Si相比在同等条件下的氧化速率远低于Si的热氧化速率，并且，相比于Si，SiC的氧化过程更为复杂。此外，除了MOSFET的栅氧化层在工艺设计中，会受到漏电流、导通电阻、功率损耗等参数的限制，导致MOSFET栅氧化层固有的脆弱性，SiC材料的宽禁带特性导致其与成熟的Si-MOSFET相比在驱动电路的匹配等方面有存在更加复杂的问题。在[3]的实验中表明，在较低的直流总线电压的情况下，进行短路能力的测试后发现，栅氧化层失效确实是器件失效的一个重要原因，因此提高栅氧化层的可靠性对改善MOSFET器件特性有非常重要的作用。目前，从理论角度分析发现，器件的可靠性会随着界面缺陷的减少而提高。因此，可考虑通过降低SiO2/SiC系统界面态密度的方法提高SiC-MOSFET器件栅氧化层的可靠性。一些研究指出可通过NO／N2O退火的方法来改善。比如Matocha等人[4]将4H-SiC材料置于N2O气氛下生长SiO2氧化层，氧化后在NO环境下退火，发现NO环境下退火对SiC-MOSFET电容的平均失效时间的延长起了至关重要的作用。但是这种方法也存在一些弊端，比如NO/N2O退火处理中的NO为有毒气体，且NO/N2O退火方式需要在1300℃高温条件下进行，増加了热预算，又会引入氧元素使其在高温情况下继续氧化，导致氧化层厚度不可控。除了之前提到的NO/N2O退火处理方法，H2退火处理工艺也同样可以有效降低SiO2/SiC界面的界面态密度。但该工艺需要在1000℃左右的高温环境下实施，难与之后的工艺衔接。为了解决这个问题，Losurdo等人[5,6]提出使用射频氢等离子体及射频氮等离子体钝化SiC表面的方法，该方法可在较低的温度下钝化SiC表面，但由于射频等离子体冲击力巨大会造成SiC表面损伤，且该处理方法对氧的去除效果不佳，也会造成SiC的表面重构。三、研究方向基于上文提到的背景与前人的研究，单纯通过热氧化方法制成的SiC-MOSFET栅氧化层的可靠性并不能满足实用要求，因此需要通过工艺条件的改善来制造可靠性良好的SiC-MOSFET器件。而我对氢等离子体及氮等离子体在较低温度下钝化SiC表面的方法比较感兴趣，想在这种方法的优化上做进一步的研究。四、参考文献[1]Levinshteĭn,M.E.(MikhailEfimovich),Rumyantsev,S.L,ShurM.Propertiesofadvancedsemiconductormaterials:GaN,AlN,InN,BN,SiC,SiGe[M].JohnWiley,2001.[2]WuJ.Designandfabricationof4HsiliconcarbideMOSFETs[J].Dissertations&Theses-Gradworks,2009.[3]NamaiM,AnJ,YanoH,etal.ExperimentalandnumericaldemonstrationandoptimizedmethodsforSiCtrenchMOSFETshort-circuitcapability[C]//InternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandIc's.IEEE,2017:363-366.[4]MatochaK,BeaupreR.Time-DependentDielectricBreakdownofThermalOxideson4H-SiC[J].MaterialsScienceForum,2007,556-557:675-678.[5]LosurdoM,BrunoG,BrownA,etal.Studyofthetemperature-dependentinteractionof4H–SiCand6H–SiCsurfaceswithatomichydrogen[J].AppliedPhysicsLetters,2004,84(20):4011-4013.[6]MariaLosurdo,MariaM.Giangregorio,GiovanniBruno,etal.Studyoftheinteractionof4H–SiCand6H–SiC(0001)Sisurfaceswithatomicnitrogen[J].AppliedPhysicsLetters,2004,85(18):4034-4036.