Detection of very fast interface traps at the SiC/insulator interface using different electrical characterization techniques

Abstract

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