Parametry dostępnych na rynku tranzystorów MOSFET SiC

Nr wniosku: 204114, nr raportu: 12996. Kierownik (z rap.): prof. dr hab. inż. Jan Franciszek Szmidt
Parametry dostępnych na rynku tranzystorów MOSFET SiC odbiegają w sposób istotny od teoretycznych,
potencjalnych możliwości tego typu przyrządów półprzewodnikowych przede wszystkim z powodu
wysokiej rezystancji tranzystora w stanie przewodzenia, co w poważny sposób ogranicza ich dynamiczny
rozwój na tle najnowszej generacji tranzystorów krzemowych. Drugim ważnym czynnikiem jest
długoterminowa stabilność parametrów elektrycznych. Oba wymienione czynniki są ściśle powiązane z
jakością i właściwościami elektro-fizycznymi obszaru przejściowego dielektryk/półprzewodnik (w
przypadku tranzystorów dostępnych komercyjnie jest to obszar przejściowy pomiędzy dwutlenkiem krzemu
a węglikiem krzemu – SiO2/SiC).
Warstwa SiO2 jest podobnie jak w przypadku technologii krzemowej wytwarzana w procesie termicznego
utleniania węglika krzemu. Elementem odróżniającym obie opisywane technologie jest obecność węgla,
który teoretycznie w procesie utleniania termicznego węglika krzemu powinien być usuwany z obszaru
przejściowego SiO2/SiC w wyniku dyfuzji związków węgla w postaci gazowej (CO, CO2) przez warstwę
wzrastającego SiO2 do otaczającej atmosfery. W praktyce, w zależności od parametrów procesu utleniania
termicznego, część atomów węgla pozostaje w otoczeniu obszaru przejściowego SiO2/SiC, tworząc całą
gamę różnego rodzaju wiązań złożonych z krzemem i tlenem, ale także w postaci łańcuchów węglowych o
różnej długości. Rozbicie podstawowego wiązania Si-C w trakcie procesu utleniania termicznego pozostawia
też określoną liczbę zerwanych wiązań krzemowych w różnych konfiguracjach energetycznych. Zarówno
pozostający w obszarze przejściowym węgiel, jak również zerwane wiązania krzemowe są odpowiedzialne
za ograniczenie ruchliwości nośników w kanale tranzystora MOSFET SiC, przekładające się na wzrost
rezystancji tranzystora w stanie włączenia, ale nie pozostają one także bez wpływu na stabilność
długoterminową parametrów elektrycznych, a w efekcie także na niezawodność.
Opracowywana w ramach realizowanego projektu technika pomiaru prądu wzbudzanego termicznie (ang.
Thermally-Stimulated Current) umożliwia analizę stanów pułapkujących ładunek elektryczny, które to stany
są efektem istnienia defektów w obszarze przejściowym SiO2/SiC i jego najbliższym otoczeniu. Metoda TSC
pozwala analizować stany pułapkowe najbardziej krytyczne z punktu widzenia parametrów elektrycznych
tranzystorów MOSFET SiC, których praktycznie nie można scharakteryzować przy użyciu powszechnie
stosowanych w tym celu w technologii krzemowej metod pomiaru wysokoczęstotliwościowych
charakterystyk pojemnościowo-napięciowych. Wykorzystując metodę TSC można określić położenie
energetyczne takiej pułapki w przerwie energetycznej półprzewodnika, a na podstawie dodatkowych
parametrów metody TSC można wnioskować na temat przestrzennej lokalizacji pułapki względem obszaru
przejściowego SiO2/SiC. Od odległości tej zależy efektywność wymiany ładunku elektrycznego pomiędzy
warstwą dielektryka a półprzewodnikiem, która jest w zasadzie kluczowa przy określaniu wpływu danej
pułapki (a w rezultacie określonego defektu strukturalnego warstwy przejściowej) na parametry elektryczne
tranzystorów MOSFET SiC. Przy zastosowaniu tej metody można separować pułapki pod kątem położenia
energetycznego w przerwie zabronionej węglika krzemu w przypadku stanów energetycznych położonych
bardzo blisko krawędzi pasma przewodnictwa tego materiału.
Pułapki tego typu, ze względu na bardzo dużą gęstość oraz znaczącą efektywność wymiany ładunku z
półprzewodnikiem, są rzeczywistym ograniczeniem rozwoju technologii tranzystorów MOSFET SiC, a
jednocześnie uzyskanie informacji o tego typu defektach bez zastosowania bardzo niskich temperatur w
trakcie pomiaru (na poziomie 10 K) oraz kontrolowanego profilu temperatury w trakcie pomiaru jest w
zasadzie niemożliwe. W projekcie udało się potwierdzić istnienie opisywanych w literaturze defektów
interfejsu SiO2/SiC, ale także udało się opisać parametry pułapek w bardziej złożonych strukturach
wykorzystujących dwuwarstwowy dielektryk bramkowy. Drugą warstwę dielektryka bramkowego stanowią
w tym przypadku warstwy dielektryczne o przenikalności elektrycznej wyższej niż przenikalność
podkładowej warstwy SiO2. Dielektryki dwuwarstwowe są badane przede wszystkim z myślą o
podwyższeniu niezawodności tranzystorów MOSFET SiC, ponieważ wzrost efektywnej przenikalności
elektrycznej warstwy dielektryka bramkowego w istotny sposób zmniejsza natężenie pola elektrycznego w
półprzewodniku. Do przebicia tranzystorów MOSFET dochodzi typowo na granicy tych dwóch materiałów,
więc ograniczenie pola elektrycznego w znaczący sposób wpływa na niezawodność tego typu tranzystorów.
Skuteczna metoda charakteryzacji struktur MOS wytwarzanych na podłożach z półprzewodników
szerokopasmowych, opracowana w Instytucie Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej,
jest zgodnie z wiedzą autorów projektu unikalna w skali krajowej. Opracowane, autorskie metody analizy
wyników pomiarowych pozwoliły w sposób znaczący podnieść wiarygodność uzyskiwanych wyników
poprzez ograniczenie błędów będących wynikiem stosowanych w wielu pracach nieodpowiednich dla
techniki TSC metod numerycznych.