4H-SiC nMOSFETs的亚阈值漏电流扫描滞后特性

标题：On the Subthreshold Drain Current Sweep Hysteresis of 4H-SiC nMOSFETs

亚阈值滞后（Subthreshold hysteresis）是指在MOSFET等器件中，在从积累到反转和反之间进行栅极电压扫描时，漏电流与栅极电压之间的滞后现象。具体来说，当栅极电压从积累区向反转区移动时，漏电流并不是平滑地变化，而是存在一定的滞后，即漏电流的变化速度没有栅极电压的变化速度快。这种滞后现象可能会导致器件性能的不稳定，影响器件的可靠性和性能。

Si-face (0001)和a-face (1120)是指4H-SiC（4H-硅碳化物）晶体的两个不同的晶面。其中，Si-face (0001)晶面是指晶体表面平行于晶体中心的[0001]晶向的表面，而a-face (1120)晶面则是指晶体表面平行于[1120]晶向的表面。在SiC器件中，不同的晶面具有不同的电学特性和器件性能，因此需要对它们进行研究和比较，以优化器件设计和制备工艺。

研究了什么

摘要—我们研究了4H 碳化硅 (SiC) 的亚阈值漏极电流滞后 Si 面 (0001) 和 a 面 (1120) n 通道功率 MOSFET 在从积累到反转和反向的栅极电压扫描之间。取决于栅极电压扫描的方向，MOSFET 在相同的栅极电压下显示不同的亚阈值漏极电流。观察到的上扫描和下扫描之间的滞后可以表示为亚阈值电压的变化，可能达到几伏。我们表明，电压变化是由于在积累过程中在边界陷阱中捕获空穴引起的，并且与电荷泵信号直接成比例。电压变化可以通过在阈值电压以上施加栅极偏置来完全恢复，并且不会影响器件可靠性。

术语索引—4H-SiC、MOSFET、亚阈值滞后、边界态、Si 面、a 面

该文章研究了4H-SiC Si面（0001）和a面（1120）n型功率MOSFET的次阈值漏电流扫描滞后现象，包括从积累到反转和反之亦然的栅压扫描。研究表明，根据栅电压扫描的方向，MOSFET在相同的栅电压下显示不同的次阈值漏电流。观察到的上扫和下扫之间的滞后可以表示为次阈值电压漂移，可能达到几伏特。电压漂移是由于在积累过程中边界陷阱中的空穴俘获引起的，并且与电荷泵浦信号成正比。通过施加高于阈值电压的栅偏压，电压漂移是完全可恢复的，不会影响器件可靠性。

文章创新点

该文章的创新点包括：

• 研究了4H-SiC Si面（0001）和a面（1120）n型功率MOSFET的次阈值漏电流扫描滞后现象。
• 观察到在相同的栅电压下，根据栅电压扫描的方向，MOSFET显示不同的次阈值漏电流。
• 将观察到的上扫和下扫之间的滞后表达为次阈值电压漂移，可能达到几伏特。
• 确认了在积累过程中边界陷阱中的空穴俘获是电压漂移的原因。
• 电压漂移与电荷泵浦信号成正比。
• 通过施加高于阈值电压的栅偏压，电压漂移是完全可恢复的。
• 电压漂移对器件可靠性没有影响。

文章的研究方法

该文章的研究方法涉及对4H-SiC Si面（0001）和a面（1120）MOSFET进行栅电压上升和下降扫描时的次阈值漏电流滞后现象的研究。该研究使用光谱电荷泵浦技术来研究扫描滞后，因为它对界面和边界态敏感。还分析了恒定高电平和恒定基准电平电荷泵浦测量中每个周期泵送电荷数N_CP的温度依赖性。使用光谱电荷泵浦提取了界面/边界态密度D_it的能量分布。该研究还比较了Si面和a面器件获得的结果。

文章得出的结论

该文章得出的结论包括：

• 4H-SiC Si面（0001）和a面（1120）MOSFET的次阈值漏电流滞后现象与基于硅的功率器件有明显不同。
• 观察到的上扫和下扫之间的滞后可以表示为次阈值电压漂移，其与电荷泵浦信号成比例，并且在高于阈值电压的栅电压下消失。
• a面和Si面器件的次阈值电压漂移和迁移率的差异可以通过通过光谱电荷泵浦获得的边界态能量分布来解释。
• 由于在中间能隙附近存在更高的边界态密度，a面器件表现出更明显的滞后现象，但由于在4H-SiC导带边缘附近存在更低的边界态密度，a面器件也表现出更高的迁移率。
• 通过将器件偏置在或接近其阈值电压附近，可以完全恢复次阈值电压漂移。
• 尽管在次阈值区域存在滞后效应，但SiC-MOSFET的正常关断特性在任何开关情况下都得以保持。