基于C-V曲线的SiC IGBT全区域损伤提取方法

标题

All-Regions Damage Extraction Method for SiC IGBTs Based on C-V Curves（TDMR 24年）

文章的研究内容

这篇研究文章提出了一种基于电容-电压（C-V）曲线的硅碳（SiC）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）所有区域损伤提取方法。SiC IGBT因其高击穿电压和大电流导通能力，在电力传输领域具有重要应用前景，但其可靠性可能受到门极应力、辐射和双极导通等因素的影响，从而导致器件的退化。

该研究探讨了这些应力对SiC IGBT的门极氧化层和外延层的影响，这些影响会导致器件电容的变化。文章提出的损伤提取方法将C-V曲线划分为六个部分，曲线中这些部分的偏移分别与门极氧化层和外延层的损伤对应。此外，研究还提出了一种通过分析C-V曲线的漂移来确定损伤的极性和程度的技术。

该方法还利用栅极-集电极（Gate-Collector）曲线和1/C²曲线，能够更准确地提取外延层中缺陷的密度和位置，提供了一种全面评估SiC IGBT可靠性和退化机制的方法。

文章的研究方法

1. SiC IGBT电容成分分析：

   • 研究首先分析了SiC IGBT的电容成分，重点关注门极氧化层和外延层的损伤对电容的影响。通过对SiC IGBT的电容变化进行分析，确定了损伤引起的电容变化在C-V曲线上的表现。

2. C-V曲线分段：

   • 研究通过模拟和实验，提取了SiC IGBT的C-V曲线，并将其划分为六个部分。每个部分的电容变化反映了不同区域的损伤，特别是门极氧化层和外延层。
   • 这些部分包括：
     • 部分I：在大负门极偏置下，通道区域处于强积累状态，而JFET区域处于强耗尽状态，导致电容的变化。
     • 部分II：随着负门电压的减小，JFET区域由反转转为耗尽状态，导致电容的显著下降。
     • 部分III：当门电压由负转为正时，通道区域保持在积累状态，JFET区域逐渐过渡到电子积累状态，电容增加。
     • 部分IV：仅在IGBT的C-V曲线中出现，电容平台现象由基片PN结的反向偏置引起，导致电容的平稳变化。
     • 部分V：随着门电压进一步增加，通道区域进入耗尽阶段，电容表现出特定的变化。
     • 部分VI：类似于部分I，电容稳定在一个常数值。

3. 栅极氧化层损伤提取：

   • 研究通过在门极氧化层中加入正负固定电荷，模拟电荷捕获效应。通过分析C-V曲线的漂移，验证了不同区域损伤对电容曲线的影响。
   • 正电荷会导致曲线沿VG轴向负方向漂移，而负电荷则会导致曲线向正方向漂移。电荷密度越高，漂移幅度越大。

4. 外延层损伤提取：

   • 为了验证基片PN结的电容Csub对C-V曲线的影响，研究应用了集电极-发射极偏置（VCE）电压，导致Csub电容的变化。通过分析C-V曲线的变化，研究揭示了外延层损伤的影响。
   • 采用C-GC-VCE曲线和1/C²GC-VCE曲线来表征外延层的损伤，并通过这些曲线分析缺陷的极性、密度以及损伤区域的局部化。

5. 电容变化与缺陷密度计算：

   • 通过计算1/C²GC-VCE曲线的斜率，研究能够提取外延层中缺陷的密度和极性。
   • 研究使用了VCE电压扫描的方法，以准确评估外延层中的缺陷区域和局部化程度。

通过这些方法，研究能够有效提取SiC IGBT在不同应力条件下的损伤信息，并为器件的可靠性评估提供新的思路。

文章的创新点

1. 全区域损伤提取方法：

   • 本研究提出了一种全新的损伤提取方法，基于SiC IGBT的C-V曲线（电容-电压曲线）来评估器件不同区域的损伤。这种方法首次将C-V曲线分为六个部分，并分析这些部分的变化来反映门极氧化层和外延层的损伤。这种分段分析方法提供了比传统方法更详细的损伤评估。

2. 栅极氧化层和外延层损伤的区分：

   • 通过对SiC IGBT的C-V曲线进行细致的分段，研究能够分别提取门极氧化层和外延层的损伤。以往的研究较少单独分析这两部分的损伤，而该方法能够精确地区分并提取各个区域的损伤信息，尤其是对外延层的损伤提取提供了新的视角。

3. 利用C-GC-VCE和1/C²GC-VCE曲线分析外延层损伤：

   • 本文创新性地引入了C-GC-VCE曲线和1/C²GC-VCE曲线来分析外延层的损伤。这些曲线的分析能够准确地提取外延层中的缺陷密度、极性以及缺陷区域的局部化程度。这为研究SiC IGBT外延层的退化机制提供了新的定量方法。

4. 基于VCE电压扫描的外延层损伤局部化：

   • 本研究还提出通过VCE电压扫描来局部化外延层的损伤区域。通过分析不同电压条件下C-V曲线的变化，能够精确定位缺陷在外延层中的分布，并计算出缺陷的密度。这一方法在SiC IGBT损伤研究中具有很高的创新性和准确性。

5. 缺陷密度和极性提取的定量化：

   • 研究通过C-GC-VCE曲线的变化提取外延层缺陷的密度和极性，进一步通过1/C²GC-VCE曲线的斜率计算缺陷密度。这为缺陷评估提供了更加精确的定量方法，突破了以往只能定性分析的局限。

文章的结论

1. SiC IGBT的潜在损伤区域：

   • 研究确认，SiC IGBT的门极氧化层和外延层是其最容易受到损伤的区域，主要由于门极应力、辐射和双极导电等因素的影响。损伤会导致器件的电容变化，并最终影响器件的可靠性和性能。

2. 提出的损伤提取方法的有效性：

   • 研究首次提出了一种基于C-V曲线的全区域损伤提取方法，并通过将C-V曲线分为六个部分，分析每个部分的电容变化，成功地提取了门极氧化层和外延层的损伤。这种方法能够准确反映不同损伤类型（如门极氧化层和外延层的损伤）的位置和程度。

3. 外延层损伤的定量化分析：

   • 通过引入C-GC-VCE曲线和1/C²GC-VCE曲线的分析，研究不仅能够提取外延层的损伤信息，还能够定量计算外延层缺陷的密度和极性，并局部化损伤区域。该方法提供了一种精确评估SiC IGBT外延层损伤的全新途径。

4. 对SiC IGBT器件可靠性研究的贡献：

   • 提出的损伤提取方法为研究SiC IGBT的损伤机制提供了新的思路，能够深入理解在不同应力条件下器件损伤的表现和机理。这对SiC IGBT器件的结构设计、工艺改进以及可靠性评估具有重要意义。

5. 为未来研究提供了新方向：

   • 该方法为SiC IGBT的损伤分析提供了新的技术手段，可以帮助研究人员更好地理解SiC IGBT在实际工作环境中的可靠性，尤其是在高应力、辐射和高功率密度应用中的行为。研究成果有助于进一步优化SiC IGBT的设计与工艺，提升其可靠性和性能。