4H-SiC功率器件作为一种宽禁带半导体器件|第三代半导体材料4H-SiC将带来革命性的变化( 二 ) 4H-SiC功率器件作为一种宽禁带

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具有场限环终端的4H-SiCJBS器件
(a)拥有FLRs终端的4H-SiCJBS器件剖面图；(b)FLRs终端横截面SiO2/4H-SiC结构的透射电子显微镜图像；(c)待测样品照片；(d)存储实验装置；(e)高温存储实验程序
从不同存储时间下器件的反向阻断特性及击穿电压统计结果可以看到，器件击穿电压在高温存储应力下发生了漂移，开始时，器件击穿电压随着存储时间的增大逐渐下降，到15h时达到最低点，约1410V；之后，击穿电压逐渐回升，到45h时击穿电压回升到约1520V 。

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不同存储时间下器件的反向阻断特性及击穿电压分布
(a)SiCJBS二极管在高温存储前后的反向阻断特性；(b)击穿电压统计结果
为了进一步说明器件击穿电压漂移的原因，对同片上的MOS电容同样进行了高温测试。
结果表明275℃高温存储过程中， C-V曲线逐渐向正电压方向漂移，在7h时达到正向漂移的最大值，之后逐渐往负电压方向漂移。
为了更清晰地表示C-V曲线的漂移程度，提取了MOS电容的有效界面电荷密度随高温存储应力时间的变化。
45h ， 275℃高温存储过程中， SiO2/4H-SiC界面负有效电荷的数量先增大后减小。
由于界面电荷的变化会影响器件FLRs终端耗尽层的扩展程度，因此会导致器件的击穿电压发生漂移。

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MOS电容高温测试结果
(a)高温存储过程中， 4H-SiCMOS电容在频率为100kHz下的常温C-V曲线；(b)4H-SiCMOS电容的有效界面电荷密度随高温存储应力时间的变化
基于以上结果，推测了高温存储应力下界面电荷变化的物理过程。
在初期，界面电荷可通过热电子发射等形式填充进SiO2/4H-SiC界面。
随着SiO2/4H-SiC界面区电子俘获量的增加，耗尽宽度增大导致势垒增大，使得热离子发射电子的数量减少。
另一方面，耗尽层宽度的增大同时将导致在价带边缘的累积空穴隧穿进入SiO2/4H-SiC界面，从而降低有效负界面电荷浓度，导致击穿电压重新升高。

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高温存储应力下界面电荷变化的物理过程
高压反偏
高压反偏作为一种较为常见的可靠性测试形式，常用于评估元器件在偏置应力下的稳定性。
针对4H-SiCJBS器件的工作特点，对器件工作在不同反偏应力电压下的性能进行了测试分析，并推断了性能退化的内在物理机制。
下图显示了器件在不同反偏电压及时间下击穿电压的变化情况，可看到器件击穿电压均发生了不同程度的漂移，应力电压越大、应力时间越长，击穿电压漂移越大。
这是由于在反偏应力过程中SiO2/4H-SiC界面电荷发生改变，导致器件击穿电压发生漂移。
虽然测试结果显示器件的击穿电压在常温下均缓慢恢复，但是很难恢复到初始值。
推测是由于部分被界面陷阱捕获的载流子很难在常温无外加应力的条件下释放出来，导致器件击穿电压很难恢复到初始值。

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4H-SiCJBS器件击穿电压及恢复情况
(a)器件在不同反偏电压及时间下击穿电压的变化情况；(b)器件击穿电压的恢复情况
基于实验结果，本课题组提出了一种可能的反偏应力下载流子被界面陷阱捕获的物理过程。
反向偏压应力将在SiO2/4H-SiC界面附近产生较高的电场和空穴浓度，这将导致空穴非常容易注入到SiO2/4H-SiC界面而被界面陷阱捕获。