Applied Physics Letters: 利用局部接触电势探测剖析工作中 SiC 功率 MOSFET 的内部电场分布
发布日期：2025-07-16 16:11:31
布鲁克纳米表面与量测部 殷豪博士

内容简介


近年来，第三代半导体材料，如SiC、GaN和Ga2O3，因其在高功率电子、射频器件、数据存储和光伏系统等领域的广泛应用而备受关注。与传统的基于硅基半导体相比，这些先进材料具有更宽的禁带、更高的饱和漂移速度、优越的热导率和出色的抗辐射能力，使其非常适合在恶劣环境下工作。在这些材料中，SiC尤为突出，已被广泛应用于电动汽车、光伏逆变器、轨道交通、电网和航空等领域。


随着技术的进步，SiC MOSFET的器件结构变得日益复杂，给分析和评估这些结构带来了挑战。因此，迫切需要开发能够准确评估SiC器件物理特性和预测其性能的检测方法。SiC器件的关键信息包括了掺杂分布、载流子分布、电场分布和结深。尽管SEM是一种方便的获取结构和掺杂分布信息的方法，但它无法提供定量分析。而动态二次离子质谱（SIMS）虽然能够精确确定掺杂分布，但其在纳米尺度上的应用受到限制。为应对这些挑战，基于原子力显微镜（AFM）的纳米尺度分析技术，如开尔文探针力显微镜（KPFM）和扫描电容显微镜（SCM），已被开发用于提取SiC器件中的电性分布。SCM基于局部微分电容（dC/dV）信号，对掺杂分布进行半定量评估，而KPFM通过测量样品与探针之间的功函数差异来分析表面电势，能够提供器件截面的高分辨率电势分布图像。


近日，九峰山实验室Mingsheng Fang等研究人员，采用Bruker Dimension Icon原子力显微镜，利用KPFM和SCM技术，详细分析了SiC MOSFET在不同外部偏压下的局部电势分布，为器件的设计和性能优化提供了重要指导。相关成果Anatomy of internal electric field profile in operating SiC power MOSFETs with local contact potential probing于2025年4月发表于Applied Physics Letters上。




研究结果和讨论

该工作使用的样品为商用平面型SiC MOSFET（SCTWA20N120），其标称耐压为1200V，最大电流容量为20A。为了进行表面电学的分析，对器件的截面进行了切割和抛光处理，以露出截面区域，同时保留了栅极(G)、漏极(D)和源极(S)三个电极的电连接。该工作测量了不同外部偏置(VGS=VDS=0V、2V、4V)下的CPD分布，以研究外部电压对器件内部电势分布的影响。

1.png

图1. (a) SiC MOSFET器件的截面照片；(b) 器件区域截面的SEM图像；(c) SiC MOSFET在样品制备前后的转移曲线；(d) SiC MOSFET在样品制备前后的输出曲线。



图1展示了SiC MOSFET样品的制备和基本电学特性。1(a)为经过切割和抛光处理的SiC器件的截面。图1(b)为SiC MOSFET截面的SEM图像，显示了样品的表面形貌，表明经过抛光处理后表面光滑且没有明显划痕。图1(c)显示栅极-源极电压(VGS)与漏极电流(ID)的关系。转移曲线表明器件在制备前后保持了良好的晶体管特性。而图1(d)显示了漏极-源极电压(VDS)与漏极电流(ID)的关系，输出曲线表明样品在制备后仍然具有典型的功率MOSFET特性。

2.png

图2. (a) SiC MOSFET器件的截面照片；(b) SiC MOSFET在KPFM样品台上的实验设置；(c) AFM-KPFM系统示意图。



图2展示了SiC MOSFET样品的制备和KPFM测量的实验装置。图2(b)为SiC MOSFET在原子力显微镜(AFM)上的实验设置。SiC MOSFET被安装在抗震腔体内，通过金丝键合将栅极G、漏极D和源极S电极连接到源表。这种方式确保了在测量过程中样品的稳定性，并允许施加外部电压以研究其对器件电学特性的影响。

3.png

图3. (a) SiC MOSFET截面的1 kV SEM-PVC图像；(b) SiC MOSFET截面的AFM表面形貌图；(c) SiC MOSFET截面的SCM数据，标有掺杂区域；(d) SiC MOSFET结构示意图。



作者随后对SiC MOSFET的结构和掺杂特性进行了详细的测量和分析。图3(a)展示了SiC MOSFET截面的SEM图像。在PVC模式下，P型掺杂区域呈现高亮色，而N型掺杂区域则表现为暗色。图中亮的半月形轮廓表明P阱的尺寸约为8.1µm长，400nm高。此外，在P阱上方还观测到一个狭窄的N+掺杂区，高度约为310nm。图3(b)显示了SiC MOSFET截面的原子力显微镜(AFM)表面形貌。图像表明截面表面较为光滑，几乎没有划痕。图3(c)呈现了SiC MOSFET截面的SCM测量结果，图中标注了不同的掺杂区域。SCM结果与PVC分析相互印证，进一步证实了P阱顶部和狭窄N掺杂区的高掺杂。通过SCM的dC/dV信号，可以清晰地区分P型和N型掺杂层，并且能够对器件的沟道区域进行成像。这为理解器件在不同偏置条件下的载流子分布和电学行为提供了重要信息。图3(d)基于图3(a)-(c)的分析结果，构建了1200 V SiC MOSFET的器件结构示意图。该示意图详细展示了器件的各个关键区域，包括P阱、N−漂移层、N+衬底以及源极金属等。它为后续分析SiC MOSFET在外部偏置下的表面电子态演变提供了一个清晰的结构框架，有助于更好地理解KPFM测量中观察到的电势分布和电场强度变化。

4.png

图4. (a) SiC MOSFET器件区域的TEM图像；(b) 在VDS = VGS = 0V时，利用KPFM测量的SiC MOSFET截面的CPD图像；(c) 在VDS = VGS = 2V时的CPD图像；(d) 在VDS = VGS = 4V时的CPD图像；(e) 在不同VDS和VGS条件下，沿A-B线的SiC MOSFET的RCPD线轮廓；(f) 在不同VDS和VGS条件下，沿C-D线的SiC MOSFET的RCPD线轮廓。



图4展示了在不同外部偏置条件下，利用KPFM对器件截面的接触电势差(CPD)进行测量的结果。图4(a)为器件区域的TEM图像。图像展示了SiC MOSFET的平面结构，显示出大约10.8µm的单元间距。图4(b)-(d)为在不同外部电压(VGS=VDS=0V、2V、4V)下，SiC MOSFET截面的CPD分布图像。图4(b)（0V）显示，当所有电极(栅极G、漏极D和源极S)均接地时，CPD信号反映了不同材料层的功函数差异。整个区域的CPD信号变化小于0.5V。N+衬底层显示出最高的CPD值(约-200mV)，而源极金属层与N−外延层的CPD值相同。图4(c)(2V)和图4(d)(4V)显示，当源极S接地，栅极G和漏极D施加外部电压时，CPD信号显著变化，变化幅度接近4.0V。CPD值从源极金属层向N+衬底层逐渐减小。随着电压增加，P阱与N−外延层边界的CPD信号轮廓进一步扩展。图4(e) 和 4(f) 展示了在不同外部电压下，沿A-B线(垂直方向)和C-D线(水平方向)的相对接触电势差(RCPD)线轮廓。图4(e)(A-B方向)显示，在无偏置条件下，RCPD值随扫描距离变化相对稳定。随着外部电压增加，RCPD值从扫描距离11.5μm到0.0μm逐渐减小。在P阱与N−外延层界面处的RCPD降幅从0.17V增加到1.54V，再增加到2.94V，而在N−外延层与N+衬底界面处的RCPD降幅在-0.38V到0.74V之间波动。图4(f)(C-D方向)显示，在P阱到N−外延层的扫描过程中，RCPD值逐渐减小。随着VGS=VDS从0V增加到4V，RCPD降幅从0.14V增加到1.33V，最终达到2.41V。


这些结果表明，外部电压偏置显著影响了SiC MOSFET内部的电势分布，特别是在P-N结区域的电荷注入和能带弯曲方面。通过这些详细的CPD和RCPD测量，揭示了SiC MOSFET在不同偏置条件下的内部电场分布。

5.png

图5. (a) A-B方向的器件结构示意图；(b) C-D方向的器件结构示意图；(c) 无外部电压偏置时A-B方向的能带图演变；(d) 无外部电压偏置时C-D方向的能带图演变；(e) 有外部电压偏置时A-B方向的能带图演变；(f) 有外部电压偏置时C-D方向的能带图演变。



作者进一步进行了机理分析。图5展示了SiC MOSFET在不同偏置条件下的器件结构和能带图。图5(a)(A-B方向)从漏极D到源极S的方向，展示了器件的垂直结构。N+衬底位于源极金属层下方，形成欧姆接触。P阱和N−外延层形成P-N结，是电场分布的关键区域。图5(b)(C-D方向)展示了源极接触区附近的水平结构。电流从N−外延层流向源极S，电子从N+层迁移到P阱，再到N−外延层，最终流向漏极D。图5(c)-(d)(无偏置条件)显示，在A-B和C-D方向上，P-N结处存在自然的能带弯曲。由于P阱的功函数高于N−外延层，导致P-N结处出现RCPD降幅。在N−外延层与N+衬底界面处，由于过渡掺杂态和电荷积累，出现负的RCPD降幅。图5(e)-(f)(有偏置条件)显示，当施加外部电压时，电荷注入增强了P-N结和N−/N+界面处的能带弯曲。随着VGS =VDS从2V增加到4V，P-N结处的电荷注入障碍增加，导致RCPD降幅增大。在C-D方向上，类似的现象也出现，电荷注入进一步增强了P-N结的能带弯曲，导致RCPD降幅增大。


通过器件结构和能带图的结合，该研究揭示了SiC MOSFET在不同偏置条件下的内部电场分布和载流子输运机制。这些分析结果与KPFM测量的RCPD数据相互印证，表明外部电压偏置显著影响了P-N结区域的电荷注入和能带弯曲。这些发现对于理解SiC MOSFET的运行机制和优化其性能具有重要意义。


总结

本研究采用Bruker Dimension Icon型原子力显微镜，利用KPFM和SCM技术，对商用1200V SiC MOSFET在不同外部偏置下的局部接触电势分布进行了详细分析。通过KPFM测量的CPD和RCPD数据，结合SEM、TEM和EDS等表征技术，揭示了SiC MOSFET内部的电场分布和载流子输运机制。研究发现，外部电压偏置显著影响了P-N结区域的电荷注入和能带弯曲，导致RCPD降幅的变化。这些发现为SiC MOSFET的设计和性能优化提供了重要的指导，有助于推动SiC基功率器件的发展。



本文相关链接：


原文链接：


https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/126/17/173504/3345399/Anatomy-of-internal-electric-field-profile-in?redirectedFrom=fulltext


Dimension Icon原子力显微镜简介：


https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/dimension-icon-afm.html


6.png