关于MOS结构中的电荷介绍可以移步到4H-SiCMOS的栅氧性能提升和影响MOS电容C-V特性的因素,这里面进行查阅,通过MOS结构的C-V特性曲线可以计算得到固定电荷、界面态密度以及可动离子的数量。
固定电荷的测量
固定电荷密度的测量是利用MOS结构的高频特性进行:
首先需要得到栅氧电容Cox、平带电压VFB、功函数差值ϕMS,随后可计算得到固定电荷密度Nf

栅氧电容Cox=Cmax/A,Cmax则是在高频CV测试中得到的最大电容值,A则是栅氧面积。
Cox=εrsε0/tox,tox为栅氧厚度可由椭偏仪得到,而εrs可由测出的折射率得到。
再由CV曲线中的平带电容CFB对应的电压值,可得到平带电压VFB,所以可以先得到CFB,再从CV曲线中对应得到VFB。CFB可由下式:

所以经过这样一来,就可以计算得到固定电荷密度。

界面态密度的测量
准静态CV测试和高频CV测试相结合可以得到界面态陷阱密度:
因为界面陷阱中的电荷数量和表面电势Vs或VGS相关,那么界面陷阱电容Cit(V)就与表面电势相关。界面陷阱电容是微分电容,它与表面空间电荷层电容相关联。因为它的充放电有一定的频率想要,所以在很高的频率下,界面陷阱上的电荷充放电跟不上信号的变化,则界面陷阱电容Cit=0.因此在高频CV特性上是不包括Cit的部分。
如果用Clf和Chf分别表示准静态CV测试的电容和高频CV测试的电容的话,那么:

所以,如果假设能量限定在积累和反型之间,那么:

相应的界面态密度Dit就是:

实际应用中,一般得到的是Clf和和VGS的关系,所以还需要得到VGS和Vs的关系来得到VGS对应的表面电势Vs。
因VGS=Vs+Vox,故:

而,

代入上式则:

所以从表面积累所对应的栅压VGS1到另一栅压VGS2积分,得到栅压为VGS2时的表面电势:

Δ为积分常数,因VGS=VFB时,Vs=0,即:

通常界面态分布用禁带中的能级位置Eit,因此将Vs转换成Eit:

所以,经过以上就可以得到界面陷阱能级在禁带中的位置,从而得到禁带中界面陷阱密度的分布。
可动离子的测量
SiO2层中会存在一定量的可动正离子,这些多半是流片或封装过程中引入的,这些正离子在外电场的作用下可产生漂移。例如,Na+离子初始多集中于SiO2与金属的界面处,在一定温度下,加上外电压可被激活,通过填隙的方式运动的Si/SiO2的界面处,这会引起器件参数的变化。
所以,在一定温度下,采用外加偏置电压的方式即可测量可动离子的面密度。
因为在实际的MOS结构中,栅氧中本身就存在一些固定正电荷以及一些靠近界面的可动电荷。因此要测量可动离子,就必须与固定电荷区分。区分的方法就是,利用正负偏压温度试验:
先施加负压,VGS<0,然后加热样品,因可动离子在较高温度下具有较大的迁移率,所以在高温负压下可动离子会向远离Si/SiO2界面的方向移动,在经过一点时间后可认为可动离子已经全部Si/SiO2界面。
保持偏压不变,把样品冷却至室温,然后去除偏压,随即进行高频CV特性。曲线所对应的平带电压VFB减小,CV特性曲线向右移动,即下图1→2。
随后改变偏压方向,施加正压VGS>0,加热时间和温度与负压时相同。正压作用后,可动正离子又会全部漂移到Si/SiO2界面附近,再测量高频CV特性,CV特性曲线就会向左侧移动,即下图2→3。
以此,通过正负偏压温度实验测量出平带电压的移动,于是就可得到可动正离子的面密度:


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