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单极正负偏压应力下Ga₂O₃-on-SiC MOSFET阈值电压独特的单调正向漂移
Unique Monotonic Positive Shifts in Threshold Voltages of Ga₂O₃-on-SiC MOSFETs Under Both Unipolar Positive and Negative Bias Stresses
| 作者 | Chenyu Liu · Bochang Li · Yibo Wang · Wenhui Xu · Chunxiao Yu · Haodong Hu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | Ga2O3-on-SiC MOSFET 单极偏置应力 阈值电压漂移 电子俘获 应力电压波形参数 |
语言:
中文摘要
本研究系统地研究了异质碳化硅基氧化镓(GaOSiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)在单极正/负偏置应力(UPBS/UNBS)下的不稳定性。通过调整应力电压波形的关键参数,包括频率(f)、保持时间($t_{\text {h}}$)、上升时间($t_{\text {r}}$)和下降时间($t_{\text {f}}$),在 UPBS 测量中观察到阈值电压($V_{\text {T}}$)随循环次数($C_{n}$)呈现两阶段偏移。UPBS 引起的正 $V_{\text {T}}$ 偏移主要归因于在 $t_{\text {r}}$ 瞬态期间,氧化铝(Al₂O₃)/β - 氧化镓($\beta$-Ga₂O₃)界面处或其附近的陷阱捕获电子。在 UPBS 测试开始时(退化的第一阶段),大多数陷阱状态未被占据,电子捕获占主导地位,导致不同应力条件下的 $V_{\text {T}}$ 偏移相似。随着 $C_{n}$ 的进一步增加(退化的第二阶段),由于累积效应,更深能级的陷阱开始捕获电子,发现这与 $t_{\text {f}}$ 有很强的相关性。值得注意的是,在 UNBS 测量中也观察到 $V_{\text {T}}$ 呈现单调正偏移。采用拉伸指数方程对 UNBS 下的 $V_{\text {T}}$ 偏移进行建模。该方程的参数用于表征各种应力条件下 $V_{\text {T}}$ 退化的速率和幅度,阐明了频率 f 和上升时间 $t_{\text {r}}$ 在 GaOSiC MOSFET 的 $V_{\text {T}}$ 退化中的重要作用。技术计算机辅助设计(TCAD)模拟表明,UNBS 下 $V_{\text {T}}$ 的单调正偏移是由 $\beta$-Ga₂O₃/碳化硅(SiC)界面层中的电子捕获引起的,该界面层含有高密度的陷阱。
English Abstract
In this study, the instability of heterogeneous Ga2O3-on-SiC (GaOSiC) MOSFETs under unipolar positive/negative bias stress (UPBS/UNBS) was investigated systematically. By adjusting key parameters of stress voltage waveform, including frequency (f), holding time ( t _ h ), rising time ( t _ r ), and falling time ( t _ f ), a two-phase shift in threshold voltage ( V _ T ) with cycle number ( C _n ) was observed in the UPBS measurement. The UPBS-induced positive V _ T shift is primarily attributed to electron trapping by traps at/near the Al2O3/ -Ga2O3 interface during the t _ r transient. At the beginning of UPBS test (first phase of degradation), most trap states are unoccupied and the electron trapping is predominant, leading to similar V _ T shifts in different stress conditions. With C _n further increasing (second phase of degradation), deeper level traps begin trapping electrons due to the accumulation effect, which has been found to have a strong correlation with t _ f . Notably, a monotonic positive shift in V _ T was also observed in the UNBS measurement. This V _ T shift under UNBS was modeled using a stretched exponential equation. Parameters of this equation were used to characterize the rate and magnitude of V _ T degradation under various stress conditions, elucidating the significant role of f and t _ r in the V _ T degradation of GaOSiC MOSFET. TCAD simulations suggest that the monotonic positive shift in V _ T under UNBS is caused by electron trapping at the -Ga2O3/SiC interfacial layer, which contains a high density of traps.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于Ga₂O₃-on-SiC MOSFET器件可靠性的研究具有重要的前瞻性价值。该研究系统揭示了异质结构功率器件在单极性偏置应力下的阈值电压漂移机制,这对我们开发下一代高效光伏逆变器和储能变流器至关重要。
Ga₂O₃/SiC异质结构结合了氧化镓的超宽禁带特性(约4.8eV)和碳化硅衬底的高导热性能,理论上可实现比现有Si基和纯SiC器件更高的击穿电压和开关频率。对于阳光电源的1500V高压光伏系统和大功率储能PCS产品,这种器件能够显著降低开关损耗、提升系统功率密度,并减少散热系统成本。研究发现的阈值电压正向漂移现象对器件长期稳定性构成挑战,但论文通过详细分析电子俘获机制,为器件设计优化提供了理论依据。
然而,从技术成熟度评估,该技术仍处于实验室研发阶段。研究揭示的Al₂O₃/Ga₂O₃界面和Ga₂O₃/SiC界面的高密度陷阱态问题,需要通过工艺优化和界面工程来解决。对于阳光电源而言,现阶段应保持技术跟踪,重点关注:一是界面钝化技术的突破,这直接影响器件可靠性;二是大尺寸Ga₂O₃外延和器件制造的成本下降路径;三是在极端环境(高温、高湿、频繁开关)下的长期可靠性验证数据。
建议与相关科研机构建立合作,参与器件级可靠性测试标准制定,为3-5年后的技术产业化做好储备,这将成为阳光电源在超高压、超高效电力电子领域保持技术领先的关键突破口。