該工作使用的樣品為商用平面型SiC MOSFET（SCTWA20N120），其標(biāo)稱耐壓為1200V，最大電流容量為20A。為了進(jìn)行表面電學(xué)的分析，對(duì)器件的截面進(jìn)行了切割和拋光處理，以露出截面區(qū)域，同時(shí)保留了柵極(G)、漏極(D)和源極(S)三個(gè)電極的電連接。該工作測量了不同外部偏置(V_GS=V_DS=0V、2V、4V)下的CPD分布，以研究外部電壓對(duì)器件內(nèi)部電勢分布的影響。

圖1展示了SiC MOSFET樣品的制備和基本電學(xué)特性。1(a)為經(jīng)過切割和拋光處理的SiC器件的截面。圖1(b)為SiC MOSFET截面的SEM圖像，顯示了樣品的表面形貌，表明經(jīng)過拋光處理后表面光滑且沒有明顯劃痕。圖1(c)顯示柵極-源極電壓(V_GS)與漏極電流(I_D)的關(guān)系。轉(zhuǎn)移曲線表明器件在制備前后保持了良好的晶體管特性。而圖1(d)顯示了漏極-源極電壓(V_DS)與漏極電流(I_D)的關(guān)系，輸出曲線表明樣品在制備后仍然具有典型的功率MOSFET特性。

圖2展示了SiC MOSFET樣品的制備和KPFM測量的實(shí)驗(yàn)裝置。圖2(b)為SiC MOSFET在原子力顯微鏡(AFM)上的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。SiC MOSFET被安裝在抗震腔體內(nèi)，通過金絲鍵合將柵極G、漏極D和源極S電極連接到源表。這種方式確保了在測量過程中樣品的穩(wěn)定性，并允許施加外部電壓以研究其對(duì)器件電學(xué)特性的影響。

作者隨后對(duì)SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)和摻雜特性進(jìn)行了詳細(xì)的測量和分析。圖3(a)展示了SiC MOSFET截面的SEM圖像。在PVC模式下，P型摻雜區(qū)域呈現(xiàn)高亮色，而N型摻雜區(qū)域則表現(xiàn)為暗色。圖中亮的半月形輪廓表明P阱的尺寸約為8.1μm長，400nm高。此外，在P阱上方還觀測到一個(gè)狹窄的N+摻雜區(qū)，高度約為310nm。圖3(b)顯示了SiC MOSFET截面的原子力顯微鏡(AFM)表面形貌。圖像表明截面表面較為光滑，幾乎沒有劃痕。圖3(c)呈現(xiàn)了SiC MOSFET截面的SCM測量結(jié)果，圖中標(biāo)注了不同的摻雜區(qū)域。SCM結(jié)果與PVC分析相互印證，進(jìn)一步證實(shí)了P阱頂部和狹窄N摻雜區(qū)的高摻雜。通過SCM的dC/dV信號(hào)，可以清晰地區(qū)分P型和N型摻雜層，并且能夠?qū)ζ骷臏系绤^(qū)域進(jìn)行成像。這為理解器件在不同偏置條件下的載流子分布和電學(xué)行為提供了重要信息。圖3(d)基于圖3(a)-(c)的分析結(jié)果，構(gòu)建了1200 V SiC MOSFET的器件結(jié)構(gòu)示意圖。該示意圖詳細(xì)展示了器件的各個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，包括P阱、N?漂移層、N+襯底以及源極金屬等。它為后續(xù)分析SiC MOSFET在外部偏置下的表面電子態(tài)演變提供了一個(gè)清晰的結(jié)構(gòu)框架，有助于更好地理解KPFM測量中觀察到的電勢分布和電場強(qiáng)度變化。

圖4展示了在不同外部偏置條件下，利用KPFM對(duì)器件截面的接觸電勢差(CPD)進(jìn)行測量的結(jié)果。圖4(a)為器件區(qū)域的TEM圖像。圖像展示了SiC MOSFET的平面結(jié)構(gòu)，顯示出大約10.8μm的單元間距。圖4(b)-(d)為在不同外部電壓(V_GS=V_DS=0V、2V、4V)下，SiC MOSFET截面的CPD分布圖像。圖4(b)（0V）顯示，當(dāng)所有電極(柵極G、漏極D和源極S)均接地時(shí)，CPD信號(hào)反映了不同材料層的功函數(shù)差異。整個(gè)區(qū)域的CPD信號(hào)變化小于0.5V。N+襯底層顯示出最高的CPD值(約-200mV)，而源極金屬層與N?外延層的CPD值相同。圖4(c)(2V)和圖4(d)(4V)顯示，當(dāng)源極S接地，柵極G和漏極D施加外部電壓時(shí)，CPD信號(hào)顯著變化，變化幅度接近4.0V。CPD值從源極金屬層向N+襯底層逐漸減小。隨著電壓增加，P阱與N?外延層邊界的CPD信號(hào)輪廓進(jìn)一步擴(kuò)展。圖4(e) 和 4(f) 展示了在不同外部電壓下，沿A-B線(垂直方向)和C-D線(水平方向)的相對(duì)接觸電勢差(RCPD)線輪廓。圖4(e)(A-B方向)顯示，在無偏置條件下，RCPD值隨掃描距離變化相對(duì)穩(wěn)定。隨著外部電壓增加，RCPD值從掃描距離11.5μm到0.0μm逐漸減小。在P阱與N?外延層界面處的RCPD降幅從0.17V增加到1.54V，再增加到2.94V，而在N?外延層與N+襯底界面處的RCPD降幅在-0.38V到0.74V之間波動(dòng)。圖4(f)(C-D方向)顯示，在P阱到N?外延層的掃描過程中，RCPD值逐漸減小。隨著V_GS=V_DS從0V增加到4V，RCPD降幅從0.14V增加到1.33V，最終達(dá)到2.41V。

這些結(jié)果表明，外部電壓偏置顯著影響了SiC MOSFET內(nèi)部的電勢分布，特別是在P-N結(jié)區(qū)域的電荷注入和能帶彎曲方面。通過這些詳細(xì)的CPD和RCPD測量，揭示了SiC MOSFET在不同偏置條件下的內(nèi)部電場分布。

作者進(jìn)一步進(jìn)行了機(jī)理分析。圖5展示了SiC MOSFET在不同偏置條件下的器件結(jié)構(gòu)和能帶圖。圖5(a)(A-B方向)從漏極D到源極S的方向，展示了器件的垂直結(jié)構(gòu)。N+襯底位于源極金屬層下方，形成歐姆接觸。P阱和N?外延層形成P-N結(jié)，是電場分布的關(guān)鍵區(qū)域。圖5(b)(C-D方向)展示了源極接觸區(qū)附近的水平結(jié)構(gòu)。電流從N?外延層流向源極S，電子從N+層遷移到P阱，再到N?外延層，最終流向漏極D。圖5(c)-(d)(無偏置條件)顯示，在A-B和C-D方向上，P-N結(jié)處存在自然的能帶彎曲。由于P阱的功函數(shù)高于N?外延層，導(dǎo)致P-N結(jié)處出現(xiàn)RCPD降幅。在N?外延層與N+襯底界面處，由于過渡摻雜態(tài)和電荷積累，出現(xiàn)負(fù)的RCPD降幅。圖5(e)-(f)(有偏置條件)顯示，當(dāng)施加外部電壓時(shí)，電荷注入增強(qiáng)了P-N結(jié)和N?/N+界面處的能帶彎曲。隨著V_GS =V_DS從2V增加到4V，P-N結(jié)處的電荷注入障礙增加，導(dǎo)致RCPD降幅增大。在C-D方向上，類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)，電荷注入進(jìn)一步增強(qiáng)了P-N結(jié)的能帶彎曲，導(dǎo)致RCPD降幅增大。

通過器件結(jié)構(gòu)和能帶圖的結(jié)合，該研究揭示了SiC MOSFET在不同偏置條件下的內(nèi)部電場分布和載流子輸運(yùn)機(jī)制。這些分析結(jié)果與KPFM測量的RCPD數(shù)據(jù)相互印證，表明外部電壓偏置顯著影響了P-N結(jié)區(qū)域的電荷注入和能帶彎曲。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解SiC MOSFET的運(yùn)行機(jī)制和優(yōu)化其性能具有重要意義。