En flervägsstrategi för att förbättra bärarmobiliteten för 4H-SiC: från bulkdopning till gränssnittsteknik +

4H-SiC epitaxial wafers are available for MOSFET fabrication. For more wafer information, please send your inquires to [email protected]

4H-Silicon Carbide (4H-SiC) possesses a high Baliga figure of merit, making it a highly promising material for power electronics. However, its widespread application is constrained by relatively low carrier mobility, particularly hole mobility. As noted by Sun et al., the hole mobility in 4H-SiC epilayers on (0001) and off-axis (0001) substrates is typically below 100 cm²/(V·s) at room temperature, which becomes a bottleneck for the performance of power electronic devices fabricated from 4H-SiC. To optimize device performance and broaden its application scope, finding practical methods to enhance the mobility of 4H-SiC is urgently needed. Current research primarily proceeds along two paths: one is to improve the transport properties of the bulk material itself through strain engineering or novel doping, and the other is to optimize the channel environment of MOSFETs through interface engineering. This article will integrate recent key advancements in theoretical simulations and experimental fabrication to systematically elucidate multi-path strategies for enhancing 4H-SiC mobility.

1. Strain and Band Engineering: A Leap in Bulk Hole Mobility

I bulkmaterial begränsas bärarrörligheten främst av spridning med gittervibrationer (fononer). Sun et al., genom sofistikerade beräkningar av de första principerna på modnivå, upptäckte att rörligheten med låga hål huvudsakligen härrör från stark akustisk fononassisterad spridning mellan banden med tunga hål (hh) och lätta hål (lh). Ännu viktigare, de föreslog en strategi för att övervinna denna flaskhals via strain engineering. Beräkningar indikerar att applicering av enaxlig kompressiv töjning kan vända tecknet på kristallfältsdelningen (Δcf), och därigenom ändra bandordningen nära valensbandets maximum. Närmare bestämt, när trycktöjningen överstiger 0,52 %, stiger det avdelade (sh)-bandet över hh- och lh-banden. Fördelarna med denna bandinversion är tvåfaldiga: å ena sidan, den effektiva massan av sh-bandet längs riktningen utanför planet (m)_sh^∥= 0,21me) är betydligt mindre än det för hh- och lh-banden, vilket gynnar transport; å andra sidan, eftersom hh- och lh-banden skiftar nedåt, undertrycks den ursprungligen starka intersubbandsspridningen mellan hh/lh-banden effektivt. Följaktligen, som visas i figur 1(d), under 2 % enaxlig kompressionspåkänning, ökar rörligheten utanför planet hål för 4H-SiC vid rumstemperatur dramatiskt från 99,7 cm²/(V·s) till 299,1 cm²/(V·s), en förbättring med cirka 200 %. Detta teoretiska fynd avslöjar inte bara den mikroskopiska mekanismen för elektrontransport i 4H-SiC utan ger också ett nytt perspektiv för att förbättra hålrörligheten i andra hexagonala halvledare.

Fig. 1 (a) Bandstrukturutveckling av 4H-SiC under -2% stam; (b) Bandstrukturutveckling av 4H-SiC under +2% stam; Blå pilar indikerar bandförskjutningar. Elektronenergier är normaliserade till valensbandets maximum (VBM). (c) Elektronvågfunktionsegenskaper vid Γ-punkten av valensbandets maximum för otränad, -2 % ansträngd och +2 % ansträngd 4H-SiC; (d) Temperaturberoende hålrörlighet utanför planet för 4H-SiC under otränade, -2 % ansträngda och +2 % ansträngda förhållanden.

2. Ny dopningsstrategi: uppnå ultrahög elektronrörlighet via svaveldoping

Unlike strain engineering, which alters the band structure, doping engineering aims to optimize carrier concentration and scattering mechanisms by introducing specific impurity atoms. A research team at Kyoto University explored an alternative path by investigating the effect of sulfur (S) doping on the electron mobility of 4H-SiC. Sulfur acts as a double donor in SiC with a large ionization energy (340-520meV). Although this characteristic results in a low carrier concentration at room temperature, it also brings unexpected benefits. Experimental results show that at a sulfur concentration of 1×10¹⁸ cm⁻³, the S⁺ implanted layer achieved an electron mobility as high as 598 cm²/V·s, more than twice that of nitrogen-doped SiC (268 cm²/V·s) at the same doping concentration. The researchers attribute this significant enhancement to a substantial reduction in ionized impurity scattering. Due to the deep-level nature of sulfur, its ionization rate at room temperature is much lower than that of nitrogen, resulting in fewer charged impurity centers. Furthermore, when analyzing neutral impurity scattering, the researchers pointed out that sulfur, as a double donor, should be treated as a “helium atom” rather than a “hydrogen atom.” The neutral impurity scattering-limited mobility calculated using the helium atom model is significantly higher than that from the hydrogen atom model and aligns better with the experimental results. This finding suggests that by cleverly selecting dopant elements and leveraging their unique energy level structures, the strong scattering issues associated with traditional dopants can be effectively circumvented.

Fig. 2 Jämförelse mellan experimentellt erhållen elektronmobilitet (μe) och beräknade värden för S-dopad SiC med svavelkoncentrationer på (a) 1×10¹⁷ cm⁻³ och (b) 1×10¹⁸ cm⁻³ (△). Övervägda spridningsprocesser inkluderar: joniserad föroreningsspridning (ii), neutral föroreningsspridning (ni) baserad på väteatommodellen (H) eller heliumatommodell (He), akustisk fononspridning (ac), polär optisk fononspridning (pop) och fononassisterad intervallspridning (iph).

3. Interface Engineering: Optimering av MOSFET-kanalmobilitet

I faktiska MOSFET-anordningar är kanalbärarrörlighet inte bara begränsad av bulkmaterialet utan påverkas också starkt av halvledare/dielektriska gränssnittet. En stor utmaning för 4H-SiC MOSFETs är den höga tätheten av gränssnittstillstånd vid SiO₂/SiC-gränssnittet, vilket gör att kanalmobiliteten är betydligt lägre än bulkmobiliteten. För att ta itu med denna fråga har forskare utvecklat olika gränssnittspassiveringstekniker.
En effektiv metod är passivering med väte. Forskning av Idris och Horsfall visar att utförande av formningsgas (3 % H2 i N2) glödgning på 4H-SiC-ytan före avsättningen av det dielektriska Al2O3 med hög k-grind kan avsevärt förbättra enhetens prestanda. Experimentella resultat visar att enheter som utsatts för formande gasglödgning uppvisade ett utmärkt svängning under tröskelvärdet på 160 mV/dec, medan kontrollanordningen med en tunn gränssnittsoxid visade ett svängning under tröskelvärdet så högt som 500 mV/dec. Ännu viktigare är att den maximala fälteffektrörligheten för den behandlade anordningen nådde 150 cm²/V·s, mer än sju gånger den för den konventionella anordningen med ett tunt oxidskikt. Forskarna tillskriver detta till väteatomer som avslutar hängande bindningar på Si- och C-atomer, vilket signifikant minskar gränssnittstillståndstätheten (Dit) från ~1×10¹² cm⁻²eV⁻¹ med cirka två tredjedelar, vilket undertrycker Coulomb-spridning och förbättrar kanalrörlighet.

Fig. 3 Semi-log ID-VG-egenskaper för MOSFET:er med kanallängd L=20μm och bredd W=100μm vid VDS=100mV

Fig. 4 Fälteffektmobilitet för n-kanals 4H-SiC MOSFET:er (kanallängd L=20μm, bredd W=100μm) med Al₂O₃-styrdielektrikum. Fälteffektmobiliteten hos en MOSFET med ett tunt oxidskikt visas också för jämförelse.

Fig. 5 Gränssnittstillståndstäthet Dit-fördelning extraherad med C-ψ-metoden för en n-typ MOS-kondensator vid rumstemperatur. EC är ledningsbandets kant, E är gränssnittstillståndsenergin och EC – E representerar energipositionen eller intervallet inom bandgapet.

En annan mer sofistikerad gränssnittsteknik föreslogs av Tachiki et al., som utvecklade en trestegsprocess som involverade H₂-etsning, SiO₂-avsättning och gränssnittsnitridering. Kärnan i denna metod ligger i att helt undvika den termiska oxidationen av själva SiC, och därigenom minska bildningen av kolrelaterade defekter vid källan. Experimentella resultat visar att prover bearbetade med "H₂-etsning, CVD-avsättning och N₂-glödgning" och "H₂-etsning, CVD-avsättning och NO-glödgning" uppvisade signifikant reducerad gränssnittstillståndstäthet Dit ner till 4-6×10¹⁰cm⁻²eV⁻¹. På motsvarande sätt förbättrades anordningarnas kanalrörlighet avsevärt till 80-85 cm²/V·s. Anmärkningsvärt är att enheten med NO-glödgning uppnådde hög mobilitet samtidigt som den bibehöll förbättringslägesdrift (tröskelspänning Vth=0,92V), och övervann problemet med negativa tröskelspänningsförskjutningar som är förknippade med enbart N₂-glödgning, vilket visar en utmärkt avvägning. Denna studie bevisar starkt att ett lågt Dit direkt leder till förbättrad fälteffektmobilitet.

Fig. 6 Denna energifördelning extraherad med hög (1MHz)-lågfrekvensmetoden

Fig. 7 Fälteffektmobilitet hos tillverkade SiC MOSFET:er som en funktion av grindspänning

Sammanfattningsvis är att förbättra bärarmobiliteten för 4H-SiC ett flerdimensionellt problem som kräver samordnade ansträngningar för att ta itu med både bulkmaterialegenskaper och gränssnittskvalitet. Teoretiska beräkningar visar den enorma potentialen i att manipulera bandstrukturen via töjningsteknik för att öka rörligheten utanför planet med 200 %. Experimentellt försvagar användningen av okonventionella dopmedel som svavel, en dubbeldonator med egenskaper på djupa nivåer, avsevärt spridningen av joniserade föroreningar, vilket öppnar en ny väg för att uppnå ultrahög elektronmobilitet. Samtidigt, på enhetsnivå, oavsett om det är genom enkel formningsgasglödgning eller sofistikerade trestegsgränssnittsprocesser, har det visats att effektiv minskning av gränssnittstillståndstätheten via passivering eller gränssnittsrekonstruktion kan ge hög kanalmobilitet som närmar sig bulkvärden i MOSFET:er. Dessa forskningsresultat är inte isolerade utan är relaterade till varandra och kompletterar varandra. Att i framtiden organiskt kombinera dessa strategier – till exempel att tillämpa töjningsteknik för att ytterligare förbättra bulkmobiliteten på substrat där kanalmiljön har optimerats via gränssnittsteknik, eller att konstruera högkvalitativa MOS-gränssnitt på svaveldopade driftlager – har potentialen att ytterligare tänja på prestandagränserna för 4H-SiC-enheter, sällan frekvens och hög-temperatur, främjande av deras enheter, högeffektselektronik.

Whether you need 4H-SiC epitaxy for research or for industrial applications, please contact us email at [email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Sun, J., Li, S., Tong, Z., Shao, C., An, M., Zhu, X., … & Liu, X. (2024). Giant enhancement of hole mobility for 4H-silicon carbide through suppressing interband electron–phonon scattering. Nano Letters, 24(34), 10569-10576.
2. Kaneko, M., Matsuoka, T., & Kimoto, T. (2024). High electron mobility in heavily sulfur-doped 4H-SiC. Journal of Applied Physics, 135(20).
3. Idris, M. I., & Horsfall, A. (2022). Increased Mobility in 4H-SiC MOSFETs by Means of Hydrogen Annealing. Crystals, 12(8), 1111.
4. Tachiki, K., Kaneko, M., & Kimoto, T. (2021). Mobility improvement of 4H-SiC (0001) MOSFETs by a three-step process of H2 etching, SiO2 deposition, and interface nitridation. Applied physics express, 14(3), 031001.