改进的霍尔迁移率测量方法区分4H-SiC反型沟道中的界面俘获效应

标题

Improved Hall Mobility Measurement Distinguishing Interface Capturing Effect in 4H-SiC Inversion Channel

文章的研究内容

本文的研究内容是提出一种改进的霍尔迁移率（μHall）测量方法，用于区分4H-SiC反型通道中界面陷阱对电子迁移率的影响，并准确提取反型通道中可移动电子的迁移率。以下是文章的核心研究内容和主要发现：

1. 研究背景
   4H-SiC（碳化硅）作为一种宽禁带半导体材料，因其在高效率、高功率和高温电子应用中的优势而受到广泛关注。然而，4H-SiC MOSFET的特定电阻受到反型通道电子迁移率的严重限制。目前，商业4H-SiC MOSFET产品的反型通道电子迁移率通常较低（15 - 25 cm²/(V·s)），远低于4H-SiC材料的理想电子迁移率（约900 cm²/(V·s)）。因此，准确评估反型通道电子迁移率并提升其性能具有重要意义。
2. 研究目的
   传统的场效应迁移率（μFE）测量方法假设所有诱导的电子都是可移动的，但实际上，由于4H-SiC/SiO₂界面处的陷阱捕获效应，反型层中75% - 90%的电子被固定，导致μFE测量值偏低且不准确。本文旨在通过改进的霍尔迁移率测量方法，区分界面陷阱的影响，准确提取反型通道中可移动电子的迁移率（μHall）。
3. 研究方法
   （1）改进的霍尔迁移率测量方法
   文章设计了一种改进的霍尔迁移率测量方法，通过在4H-SiC LDMOSFET中施加正栅压（VGS）诱导反型通道电子，同时施加正漏压（VDS）使N⁺源区的可移动电子漂移到漏极。当施加垂直于电子电流平面的磁场（B）时，可移动电子会受到洛伦兹力（fL）的作用而偏转，并在通道下侧（端口3和4）积累，从而产生霍尔电压（VHall）。通过测量VHall，可以计算出μHall。
   （2）实验设计
   文章设计并制备了两种类型的SiC LDMOSFET：一种用于霍尔迁移率测量（通道宽度500 μm，长度100 μm，8个端口，包括4个霍尔探针），另一种用于场效应迁移率测量（通道宽度160 μm，长度740 μm）。实验中，通过改变VGS、IDS和B的值，研究μHall的变化规律。
   （3）测量平台
   文章构建了一个霍尔迁移率测量平台，能够提供最大1特斯拉的磁场，并测量低至1微伏的VHall。该平台允许测量低至10 cm²/(V·s)的μHall，测量误差小于0.1 cm²/(V·s)。
4. 实验结果与讨论
   （1）μHall与μFE的对比
   实验结果显示，μHall和μFE分别为92.3 cm²/(V·s)和20.6 cm²/(V·s)，μHall显著高于μFE。这表明，由于界面陷阱的存在，μFE低估了反型通道中可移动电子的真实迁移率。
   （2）μHall的影响因素
   VGS的影响：随着VGS的增加，μHall增加。这是因为更高的VGS可以释放被界面陷阱捕获的电子，减少库仑散射，从而提高迁移率。
   IDS的影响：随着IDS的增加，μHall降低。这是因为LDMOSFET进入夹断区，VDS在反型通道中非均匀分布，导致VChannel被高估，μHall被低估。
   B的影响：随着B的增加，μHall增加。这是因为较大的磁场会导致电子反向运动并最终离开通道，导致实际可移动电子数量被低估，从而μHall被高估。
   （3）电子密度的提取
   通过μHall和总反型电子密度（Qtotal），文章提取了可移动电子密度（Qmobile = 31.80 nC/cm²）和被界面陷阱捕获的电子密度（Qit = 109.28 nC/cm²）。结果表明，反型通道中77.46%的电子被界面陷阱捕获，只有22.54%的电子是可移动的。
5. 研究结论
   本文提出的改进霍尔迁移率测量方法能够有效区分4H-SiC/SiO₂界面陷阱的影响，并准确提取反型通道中可移动电子的迁移率。实验结果表明，μHall显著高于μFE，且大部分反型通道电子被界面陷阱捕获。这些发现为改进4H-SiC反型通道电子迁移率问题提供了重要的指导。
6. 研究意义
   本文的研究不仅提供了一种准确测量4H-SiC反型通道电子迁移率的新方法，还揭示了界面陷阱对电子迁移率的影响机制，为优化4H-SiC MOSFET的性能和提高其电子迁移率提供了理论依据和实验支持。

文章的研究方法

文章提出了一种改进的霍尔迁移率（μHall）测量方法，用于区分4H-SiC反型通道中界面陷阱对电子迁移率的影响，并准确提取反型通道中可移动电子的迁移率。以下是文章中详细描述的研究方法：

1. 改进的霍尔迁移率测量方法
   文章的核心是通过霍尔效应测量来区分界面陷阱的影响，并提取反型通道中可移动电子的迁移率（μHall）。具体步骤如下：
   （1）实验设计
   器件结构：设计并制备了两种类型的SiC LDMOSFET器件：
   霍尔迁移率测量器件：通道宽度为500 μm，长度为100 μm，包含8个端口（4个霍尔探针）。这种结构用于测量μHall。
   场效应迁移率测量器件：通道宽度为160 μm，长度为740 μm，用于测量传统的场效应迁移率（μFE）。
   器件参数：两种器件的氧化层厚度均为40 nm，P-well浓度为1×10¹⁸ cm⁻³。
   （2）测量原理
   当施加正栅压（VGS）时，4H-SiC反型通道中诱导出电子。
   施加正漏压（VDS）使N⁺源区的可移动电子漂移到漏极。
   施加垂直于电子电流平面的磁场（B），可移动电子在洛伦兹力（fL）作用下偏转，并在通道下侧（端口3和4）积累，形成霍尔电压（VHall）。
   通过测量VHall，根据公式计算μHall：
   
   
   μHall​=B⋅VChannel​⋅L12​VHall​⋅W​
   其中，W为通道宽度，VChannel为端口1和2之间的电压，L12为端口1和2之间的距离。
   （3）测量平台
   构建了一个霍尔迁移率测量平台，能够提供最大1特斯拉的磁场，并测量低至1微伏的VHall。
   平台包括：
   高斯计：用于监测磁场强度。
   微伏表：用于监测VChannel。
   微伏源表：用于提供VDS并监测VHall。
   毫伏源表：用于提供VGS。
   该平台允许测量低至10 cm²/(V·s)的μHall，测量误差小于0.1 cm²/(V·s)。
2. 实验过程
   （1）测量条件
   在不同VGS（栅源电压）、IDS（漏源电流）和B（磁场强度）条件下测量μHall。
   实验中，VGS范围为10 V到20 V，IDS范围为0.1 μA到5 μA，B范围为377 mT到573 mT。
   （2）数据采集
   通过改变VGS、IDS和B的值，记录不同条件下的VHall。
   根据公式计算μHall，并分析其随VGS、IDS和B的变化规律。
3. 对比方法
   文章还对比了传统的场效应迁移率（μFE）测量方法。μFE通过测量器件的转移特性计算得出，公式如下：
   μFE​=W⋅Cox​⋅VDS​L​⋅dVGS​dIDS​​
   其中，L和W分别为通道长度和宽度，Cox为氧化层电容，VDS为漏源电压。
4. 关键改进点
   （1）几何结构优化
   为了提高VHall的测量精度，文章优化了器件的几何结构。选择通道宽度为500 μm、长度为100 μm的LDMOSFET，以在VHall的幅度和稳定性之间取得平衡。
   在小IDS（如0.1 μA）条件下，VHall可达到0.1 mV以上，且波动小于几微伏，便于精确测量。
   （2）磁场影响分析
   文章首次详细分析了磁场强度（B）对μHall的影响。实验发现，随着B的增加，μHall增加，这是由于磁场导致电子反向运动并最终离开通道，导致实际可移动电子数量被低估，从而μHall被高估。
   （3）电子密度提取
   通过μHall和总反型电子密度（Qtotal），提取了可移动电子密度（Qmobile）和被界面陷阱捕获的电子密度（Qit）：
   Qmobile​=μHall​σ​Qit​=Qtotal​−Qmobile​
   其中，σ为反型通道电导率。
5. 研究方法总结
   文章通过改进的霍尔迁移率测量方法，结合优化的器件结构和高精度测量平台，成功区分了4H-SiC反型通道中界面陷阱对电子迁移率的影响，并准确提取了可移动电子的迁移率（μHall）。这种方法克服了传统场效应迁移率测量方法的局限性，为研究和改进4H-SiC器件的反型通道电子迁移率提供了新的技术手段。

文章的创新点

1. 改进的霍尔迁移率测量方法
   文章提出了一种新的霍尔迁移率（μHall）测量方法，专门用于区分4H-SiC反型通道中界面陷阱对电子迁移率的影响。这种方法能够准确提取反型通道中可移动电子的迁移率，而传统方法（如场效应迁移率μFE）由于界面陷阱的存在而无法准确测量。
   创新点：
   传统方法假设所有诱导的电子都是可移动的，但实际上大部分电子被界面陷阱捕获。本文通过霍尔效应测量，成功区分了可移动电子和被捕获电子的贡献。
   提出了一种新的测量平台和方法，能够测量低至10 cm²/(V·s)的μHall，测量误差小于0.1 cm²/(V·s)，精度远高于传统方法。
2. 磁场对霍尔迁移率影响的详细分析
   文章首次详细研究了磁场强度（B）对μHall的影响，并揭示了其物理机制。实验发现，随着磁场强度的增加，μHall显著增加，这是由于磁场导致电子的反向运动，最终使部分电子离开通道，从而导致可移动电子数量被低估。
   创新点：
   以往研究中，磁场对μHall的影响未被充分探讨。本文通过实验和理论分析，揭示了磁场强度对μHall的定量影响，为准确测量μHall提供了新的指导。
   提出了在小磁场和小漏源电流（IDS）条件下测量μHall的建议，以获得更准确的结果。
3. 器件结构和测量平台的优化
   文章设计并制备了专门用于霍尔迁移率测量的SiC LDMOSFET器件，并构建了一个高精度的测量平台。通过优化器件的几何结构，成功提高了霍尔电压（VHall）的测量精度和稳定性。
   创新点：
   设计了一种具有500 μm通道宽度和100 μm通道长度的LDMOSFET，包含8个端口（4个霍尔探针）。这种结构在VHall的幅度和稳定性之间取得了良好平衡。
   构建了一个能够提供最大1特斯拉磁场的测量平台，能够测量低至1微伏的VHall，显著提高了测量精度。
4. 界面陷阱电子密度的定量提取
   通过对比μHall和μFE，文章成功提取了反型通道中可移动电子密度（Qmobile）和被界面陷阱捕获的电子密度（Qit）。实验结果表明，反型通道中77.46%的电子被界面陷阱捕获，只有22.54%的电子是可移动的。
   创新点：
   通过改进的霍尔迁移率测量方法，定量分析了界面陷阱对反型通道电子迁移率的影响，为理解4H-SiC/SiO₂界面特性提供了新的视角。
   提供了一种定量评估界面陷阱密度的方法，有助于指导4H-SiC器件的界面工程和性能优化。
5. 对4H-SiC器件性能优化的指导意义
   本文的研究结果为改进4H-SiC反型通道电子迁移率问题提供了重要的指导。通过揭示界面陷阱对电子迁移率的影响机制，文章为优化4H-SiC MOSFET的性能和提高其电子迁移率提供了理论依据和实验支持。
   创新点：
   提供了一种新的技术手段，用于评估和改进4H-SiC器件的界面质量。
   为未来4H-SiC功率器件的设计和制造提供了有价值的参考，特别是在提高器件效率和降低导通电阻方面。
   总结
   本文的创新点在于提出了一种改进的霍尔迁移率测量方法，能够准确区分界面陷阱的影响，并提取反型通道中可移动电子的迁移率。通过优化器件结构和测量平台，文章不仅提高了测量精度，还揭示了磁场对μHall的影响机制，并定量分析了界面陷阱对电子迁移率的影响。这些创新为4H-SiC器件的性能优化提供了重要的理论和实验基础。

文章的结论

文章的结论部分总结了改进的霍尔迁移率（μHall）测量方法的主要成果和意义，以下是其核心内容：
结论
本文提出了一种改进的霍尔迁移率测量方法，用于区分4H-SiC/SiO₂界面处陷阱对反型通道电子迁移率的影响。通过设计和制备两种类型的SiC LDMOSFET器件（一种用于测量μHall，另一种用于测量传统的场效应迁移率μFE），并基于自建的测量平台，得到了以下关键结论：
μHall与μFE的差异
实验测得的反型电子的μHall为92.3 cm²/(V·s)，而μFE仅为20.6 cm²/(V·s)。这表明，由于界面陷阱的存在，μFE显著低估了反型通道中可移动电子的真实迁移率。μHall的测量结果揭示了更高的电子迁移率，反映了界面陷阱对电子迁移率的显著影响。
界面陷阱的影响
通过提取反型通道中的可移动电子密度（Qmobile = 31.80 nC/cm²）和总反型电子密度（Qtotal = 141.08 nC/cm²），计算出被界面陷阱捕获的电子密度（Qit = 109.28 nC/cm²）。结果表明，反型通道中77.46%的电子被界面陷阱捕获，只有22.54%的电子是可移动的。这一发现解释了μFE的低值及其正温度系数现象，即温度升高时，被捕获的电子释放进入导带，导致μFE增加。
测量方法的指导意义
本文的μHall测量方法能够准确反映4H-SiC/SiO₂界面的质量，并为改进反型通道电子迁移率问题提供了重要指导。通过优化器件结构和测量条件（如小磁场和小漏源电流下测量μHall），可以更准确地评估反型通道的电子迁移率。
对器件性能优化的启示
研究结果表明，界面陷阱是限制4H-SiC MOSFET性能的关键因素之一。通过减少界面陷阱密度，有望显著提高反型通道电子迁移率，从而降低器件的导通电阻，提升其在高功率和高温应用中的性能。
总结
本文提出的改进霍尔迁移率测量方法为准确评估4H-SiC反型通道电子迁移率提供了一种新的技术手段。通过揭示界面陷阱对电子迁移率的影响机制，本文为优化4H-SiC MOSFET的界面质量和提升器件性能提供了重要的理论依据和实验支持。