The semiconductor silicon carbide (SiC) might be the key to next-generation
of power electronic devices. Its favourable material properties can outperform
existing silicon (Si) devices enabling better energy efficiency in power electronics.
However, the SiC metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistors
(MOSFETs) made using silicon dioxide (SiO2) as the gate oxide forms a
poor interface to the SiC, resulting in low inversion channel-carrier mobility
which prevents fabrication of low voltage devices (< 650 V).
In this study we investigate electron emission from interface defects at
the SiC/dielectric interface using various electrical analysis methods at
cryogenic temperatures. Such interface defects limit the electron mobility
in SiC MOSFETs. The experimental methods used include capacitance
voltage measurements (CV), conductance spectroscopy and thermal dielectric
relaxation current (TDRC). These studies reveal a very fast electron trap
that can be observed at cryogenic temperatures using CV and conductance
spectroscopy. This trap has been labelled as NI. The NI trap shows up as a
frequency dispersion in CV at high frequencies that gets larger as the sample
is cooled to lower temperatures, and as a conductance peak in conductance
spectroscopy that appears when bias corresponding to weak depletion is
applied.
We observe the NI trap in SiO2 that has been made using dry oxidation,
dry oxidation followed by annealing in N2O or pure NO at high temperatures,
aluminium nitride (AlN) and aluminium oxide (Al2O3). It was hypothesized
that the NI trap was located inside the SiO2 with energy levels close to the
SiC conduction band edge and the conductance signal was due to electron
tunnelling to and from the defect. The observation of the NI trap in both
AlN and Al2O3 suggests that the NI trap is not a property of the dielectric
but rather related to the surface properties of the SiC.
However, in samples were the SiO2 made using sodium enhanced oxidation
(SEO) the NI trap are absent both in CV and conductance spectroscopy
measurements. MOSFETs made using SEO show improved inversion channel-carrier
mobility of about 3 times higher than in NO annealed oxides that are
used in commercial SiC MOSFETs. This suggests that electron trapping in
NI trap is responsible for poor inversion channel mobility in SiC MOSFETs.
Aflrafeindatæknin í dag byggir að miklu leyti á rafsviðssmárum (e. MOSFET)
sem gerðir eru í hálfleiðaranum kísli (Si). Sú tækni hefur verið bestuð
undanfarna áratugi og nú er svo komið að það eru efniseiginleikar kísilsins sem
takmarka straumgetu og spennuþol þessara íhluta. Á síðustu árum hafa hins
vegar komið fram á sjónarsviðið nýir smárar sem gerðir eru í hálfleiðaranum
kísilkarbíð (SiC) sem hafa betri nýtni en hefðbundnir kísilsmárar og leiða
til umtalsverðs orkusparnaðar. Fram að þessu er þó einungis hægt að nota
SiC smárana við mjög háar spennur (≥650 V). Megnið af þeim rásum sem
notaðar eru í aflrafeindatækni vinna hins vegar við spennur á bilinu 300-600
V og þar eru SiC smárarnir ekki samkeppnishæfir. Ástæðan er ekki tengd
efniseiginleikum kísilkarbíðsins heldur því hvernig samskeyti SiC myndar
við einangrandi efnið kísildíoxíð (SiO2) sem nauðsynlegt er til að stýra
smáranum. Straumgeta smárans takmarkast af því að veilur á SiC/SiO2
samskeytunum hremma rafeindir sem eru á leið í gegnum smárann sem
veldur því að straumurinn er um þrefalt lægri en búast má við ef samskeytin
eru gallalaus. Reynt hefur verið að leysa þetta vandamál síðustu 20 árin en
ekki tekist enn sem komið er.
Í þessu verkefni er skoðuð rafeindalosun frá veilum á skilum SiC/einangrara
með notkun ýmsa rafgreiningaraðferða við mjög lág hitastig. Þessar aðferðir eru rýmdar-spennumælingar (CV), leiðnimælingar og hitastigs örvunar
straummælingar (TDRC). Þessar mælingar sýna mjög hraða rafeinda veilu
sem hægt er að skoða við mjög lág hitastig. Þessi veila hefur verið nefnd NI.
NI veilan kemur fram sem tíðni dreifing í CV mælingum við háar tíðnir sem
vex með lækkandi hitastigi, og sem toppur í leiðnimælingu við lágt hitastig.
NI veilan sést í SiO2 sem hefur verið búið til með þurroxun, í þurroxíði
sem hefur verið bakað með hreinu N2O eða NO gasi við há hitastig, í
álnítríði (AlN) og í áloxíði (Al2O3). Til þessa hefur verið gert ráð fyrir að
NI veilan væri staðsett inní SiO2 með orkustig nálægt leiðniborðanum og að
leiðnimerkið væri vegna smugs til og frá þeirri veilu. Að NI veilan greinist í
AlN og Al2O3 bendir til að veilan sé ekki eiginleiki SiO2 einangrarans heldur
tengist SiC yfirborðinu.
Hins vegar, ef notað er SiO2 búið til með natríumaukinni oxun (SEO) sem
einangrari þá er NI veilan hvergi sjáanleg bæði í CV og leiðnimælingum.
MOSFETar gerðir með SEO oxun sýna einnig aukinn hreyfanleika rafeinda
sem er um 3 sinnum hærri en í NO MOSFETum sem nú eru notaðir í
aflrafeindatækni. Þetta bendir til þess að NI veilan sé ábyrg fyrir lágum
hreyfanleika rafeinda í SiC MOSFETum
