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SiC MOSFET 阈值电压漂移特性的测试分析 2022-07-05 10:45
参考文献：池甜甜，SiC MOSFET 阈值电压漂移特性的测试分析【D】，大连理工大学，2021（转载请注明出处及作者）
碳化硅（SiC）MOSFET 器件凭借开关速度快、泄漏源电流低和功率密度高等优点，被运用于新能源汽车和国防军工等高温高压大功率的工作领域中。但是，在不同偏压温度应力下，SiC MOSFET呈现出复杂的漂移特性，阈值电压（Vth）不稳定性成为阻碍SiC MOSFET被广泛应用的关键问题。现有的Vth漂移测试技术都是方法本身在不同偏压温度应力条件下的纵向对比，无法作为评价Vth不稳定性的标准测试技术。大连理工大学池甜甜在硕士论文中研究并对比了三种评价 Vth 不稳定性的测试技术，为更准确地测试 Vth 漂移特性并构建评价Vth 不稳定性的标准测试技术提供了新思路。
以下为论文节选
国内外研究现状
由于SiC MOSFET在功率半导体器件中的地位越来越高，国内外对于SiC MOSFET器件也更加关注。经过对SiC MOSFET器件的研究发现，目前影响SiC MOSFET器件可靠性的关键问题是Vth的稳定性。为了解决这一难题，就要了解引起器件Vth不稳定的内在原因和Vth 漂移的特性，以及探究能够准确测试Vth漂移的技术。本小节内容将主要从这两方面进行介绍。
1、SiC MOSFET器件Vth漂移特性
通过分析SiC MOSFET器件的优缺点可以看出，SiC MOSFET器件相对于Si基的MOSFET 器件有更大的发展空间，如果能实现大范围、多领域的应用，将会创造巨大的价值。现阶段，解决Vth漂移影响器件可靠性的问题，对MOSFET的发展将有非常重要的意义。因此，国内外研究者对造成SiC MOSFET Vth漂移的微观本质因素和Vth的漂移规律做了如下研究。
（1）SiC MOSFET 器件Vth 漂移的微观本质因素
引起Vth漂移的微观本质因素主要有 SiC/SiO2界面陷阱、氧化物陷阱、固定电荷、可动离子、偶极子、界面处SiC一侧陷阱和栅极与SiO2界面陷阱，其中对后三个的报道很少，此处就不进行详细介绍。如图1.2所示是前四种缺陷在器件内部的空间分布图，下面将逐一介绍它们的起源以及引发Vt 漂移的物理原理。
①SiC/SiO2界面陷阱
SiC/SiO2界面陷阱（Nit）又被称为界面态，包含快界面态和慢界面态，快界面态较为活跃，对表面势改变的响应时间较快，慢界面态则响应时间较慢。Nit主要在热氧化的过程中引入，包括因晶格参数不匹配导致生成的Si和C的悬挂键，以及因氧化不充分而残留的C 团簇。
另外，SiC带隙宽的特点，导致更多界面态能级的存在，经Hall 测试，在4H-SiC导带附近，Dit接近1014 cm-2eV-1。当器件内产生电流时，Nit对沟道载流子进行俘获，界面陷阱在费米能级的上半部分为受主态，在下半部分为施主态，一旦上半部分的受主态俘获了电子则带负电，下半部分的施主态一旦失去电子或俘获空穴则带正电，造成 Vth的漂移。界面陷阱不仅可以直接俘获沟道载流子引起 Vth 漂移，还可以作为“中介”辅助载流子隧穿到氧化物中被陷阱俘获，加剧Vth 的不稳定性。
②氧化物陷阱
根据美国陆军研究实验室报道，氧化物陷阱（Not）包括体陷阱和靠近SiC/SiO2界面的近界面陷阱（Near Interfacial Oxide Traps, NIOTs），而NIOTs是导致Vth漂移的主要电荷俘获活性缺陷。Not主要与SiO2层的热生长工艺有关，在热氧化过程中，近界面处产生Si缺陷，O缺陷，C缺陷，以及额外的N或者P处理所产生的缺陷等。
如图1.2中NIOTs的空间区域从SiC/SiO2界面处延伸至少几个纳米到氧化物中，这远比Si体系中NIOTs对器件稳定性的影响更大。近界面氧化物陷阱的充放电，或沟道载流子通过NIOTs进和出的隧穿运动引起了Vth的漂移。
③固定电荷
Bassler 等人研究了固定电荷（Nf）的起源和性质，发现固定电荷与位于深能级的悬挂键有关。Lelis等人的研究表明碳团簇、低价氧化物键等可俘获电荷缺陷的产生，是Nf的起源。在SiC体系中目前尚不清楚这些固定电荷确切的物理化学性质，但从Nf的起源的研究中得知，它无法与衬底发生电荷交换，且在H2或惰性气体中进行低温退火能有效降低固定电荷的密度。
④可动离子
可动离子（Nm）的主要存在形式为氧化层表面的Na+、K+等离子，它们主要是由工艺过程中的污染引入，但是，据Nakano等人报道可动离子也可以自发产生在SiC衬底干氧化过程中。通常在200℃左右，可动离子被激活，在电场的驱动下产生迁移，影响Vth的漂移。
通过上述已有的研究成果来看，四种微观影响因素中固定电荷一般认为是带正电荷的陷阱，它无法与衬底发生电荷交换，因此固定电荷并不是研究的重点；可动离子主要是在高温下被激活，从而迁移到靠近或远离SiC/SiO2界面的位置引起 Vth 的漂移，室温和低温下，可动离子基本不会移动，并且，目前通过控制工艺污染的方式已经可以很好地被解决。然而，陷阱类缺陷到目前为止还没有很好的解决办法，界面陷阱和近界面陷阱被认为是造成Vth漂移的主要原因。
（2）SiC MOSFET器件Vth漂移规律的研究
根据对SiC MOSFET器件Vth漂移的微观本质因素的分析可以得出：在低温和室温下，陷阱类的缺陷是造成漂移的主要影响因素。结合本论文后续的研究内容，下面将分析陷阱类缺陷对Vth漂移规律的影响。
①引起MOSFET器件Vth漂移的物理机制
SiC MOSFET中的陷阱类缺陷引起器件不稳定性所遵循的物理机制是氧化层陷阱的电荷俘获隧穿模型。2012年，美国学者Lelis等人提出了这一模型，并分析了隧穿运动的两种类型。第一种类型，两步隧穿机制，即在施加外界影响因素后，载流子首先被界面陷阱捕获，然后隧穿过SiC/SiO2界面，载流子被释放到氧化物一侧后，再被氧化物陷阱捕获，氧化物陷阱处于充电状态，或者反过来，载流子由氧化物一侧隧穿回到沟道中，氧化物陷阱处于放电状态。其中，界面态中的快态陷阱和慢态陷阱都会具有隧穿的作用，作为“中介”辅助载流子隧穿到氧化物中被陷阱俘获；第二种类型，直接隧穿机制，即沟道载流子可以不通过界面陷阱这一“中介”，有一定的概率可以直接通过SiC/SiO2界面进出SiO2一侧，从而引起Vth漂移。
②应力因素影响Vth 漂移的规律
国外部分研究者已经对应力因素影响SiC MOSFET器件Vth不稳定性有所研究。美国学者研究了栅压的大小和极性对器件Vth不稳定性的影响，利用隧穿模型可以成功地解释Vth不稳定性随偏置应力极性和偏置应力大小的变化。如图1.3所示，测试结果发现，正偏压应力的大小变化对∆Vth有显著的差异，但在负偏压应力下几乎没有差异，这种由偏置应力极性造成的不对称响应的现象是由于氧化物陷阱能级和电子或空穴的有效隧穿质量的假定值的差异，导致NIOTs俘获电子或空穴的程度不同，从而引发了不同程度的Vth漂移，另外，这种Vth不稳定性是完全可逆且可重复的。
应力持续时间对SiC MOSFET器件Vth漂移的影响在经过广泛研究后，得出∆Vth随着应力持续时间变长而逐渐变大的基本规律。Habersat等人发现应力时间越大，Vth不稳定性越强，∆Vth和log（t）几乎呈线性关系，这可以通过氧化物陷阱隧穿模型来解释，随应力时间增加，栅氧中更深的Not被激活，更多的沟道载流子被俘获，导致更严重的Vth不稳定。
③不同类型MOSFET器件Vth漂移的规律
SiC MOSFET器件根据其沟道载流子的极性不同，分为NMOSFET和PMOSFET，根据零栅压下半导体表面的状态又分为增强型和耗尽型，零栅压下不存在导电沟道的器件称为增强型器件，反之为耗尽型器件。在实际的应用中，耗尽型器件应用非常少，且与本论文的研究没有关联，因此这里只介绍增强型器件的特性，以下的介绍也都是默认增强型NMOSFET和PMOSFET。
对于NMOSFET，多数载流子是电子，在栅极加正偏压时，如图1.4所示，根据两步隧穿机制，位于SiC Ec（导带底）的电子会占据Ef（费米能级）以下的界面陷阱，然后，它们能够隧穿到具有相同能级的近界面氧化物陷阱中。此外，位于Ec的电子在量子力效应的作用下，有一定的概率直接隧穿到NIOTs。经过前人的探索，NIOTs的能级位置在SiC Ec的底部以上和以下，因此，在正偏压应力的作用下，SiC/SiO2界面附近的电荷俘获让反型层中的可移动载流子减少从而引起Vth的正漂。
如图1.5所示，当在栅极施加负偏压应力时，位于界面陷阱中的电子将会返回到SiC Ec，并且位于NIOTs中的电子将直接隧穿或通过相同能级的界面陷阱隧穿返回到SiC，因此，在器件栅极加负栅压会使界面和近界面的陷阱具有快速恢复解陷的特性，从而恢复阈值电压的漂移。
对于PMOSFET，多数载流子是空穴，在偏压应力下，所遵循的物理基础也是氧化层陷阱的电荷俘获隧穿理论。与NMOSFET 不同的是，在栅极偏压应力的作用下，空穴的隧穿运动引起阈值电压的漂移，当负栅压施加在栅极上时，引起阈值电压负漂，这是由于SiC/SiO2界面态和近界面态陷阱捕获沟道中的空穴，让反型层中的空穴减少，从而使阈值电压发生负漂移，加正栅压时，被困的空穴从陷阱隧穿返回到沟道，恢复阈值电压的漂移。
（3）Vth漂移和陷阱类缺陷关系的定量分析
以上是对陷阱类缺陷造成Vth 漂移的定性理解，接下来通过与Vth相关的公式进行定量理解Vth的漂移和陷阱类缺陷的关系：
SiC体系n和p沟道MOSFET的Vth公式：
其中，公式（1.1）中，当器件为NMOSFET 则最后一项符号取“+”，反之取“–”；Qss 为表面总电荷；Qit 为界面陷阱电荷。
SiC 体系MOS 电容的Vfb 公式：
以上公式中，Qot 为氧化物陷阱电荷；Qf 为固定电荷；Qm 为移动离子电荷。
SiC 体系定量分析 Vth 漂移：从 Vth 的公式可以看到无论 n 沟道还是 p 沟道，Qss 和Qit 前都是负号，而平带电压公式中 Qit、Qot、Qf、Qm 前也是负号：公式中其它的参数一般器件加工完毕后在偏压应力下不发生变化，所以不影响 Vth 漂移。从这一点可以看出Vfb 的漂移可以间接反映 Vth 的漂移情况。此外，通过公式（1.4）看出，∆Nit、∆Not 与∆Vfb呈正比关系。因此，以此类推，Vth 的漂移情况可以反映界面陷阱和氧化物陷阱的变化量。
2、阈值电压漂移测试技术研究
在不同的偏压应力条件下SiC MOSFET 器件呈现出复杂的漂移特性，这主要是由影响Vth 漂移的微观电荷自身的复杂性、多样性，以及对偏压温度应力的响应和恢复不同所引起的[46]。因此，有关SiC MOSFET 器件Vth 漂移测试技术也深深吸引着国内外的学者。
美国弗吉尼亚州费尔法克斯乔治梅森大学研究偏置应力诱导的 4H-SiC DMOSFET阈值电压漂移，利用直流 DC 扫描的方法，得出 Vth 不稳定性的一个可能的原因是：在器件栅极施加正应力时界面陷阱和近界面陷阱捕获电子和施加负应力阶段释放电子[47]。正偏压应力时间的增加，会导致陷阱捕获更多的电子，引起更大的 Vth 正漂和漏极电流的减小，不利于长导通的SiC DMOSFET 器件的可靠性。
2015 年，美国陆军研究实验室较为全面地研究了 SiC 功率MOSFET 的可靠性测试，研究的内容主要涉及测量速度、测量温度和应力时间等因素对 Vth 漂移的影响。研究表明，测试SiC MOSFET 时应用Si 体系的测量方法会出现不符合应力对 Vth 漂移影响基本规律的现象。另外，他们还发现，如图1.6 所示，测试结果反映出的氧化物陷阱造成的影响一方面与应力时间有关，应力时间越长，越深的氧化物陷阱被激活[28]。然而，并非所有在应力期间切换电荷状态的氧化物陷阱都将在随后的测量中被观察到，非常接近界面的陷阱将在测量期间改变电荷状态，这些陷阱是由测量偏差控制的。因此，另一方面，测试结果的准确性还跟测试速度有关，测试速度快，才能测到氧化物陷阱捕获载流子的充电过程。
针对上述在测试过程中发现的问题，可以得出，对于SiC MOSFET 的Vth 漂移的测试，需要测试速度快、对器件破坏性小的测试方法来评估器件运行时的可靠性，才能获取更为准确且可靠的测试结果。美国学者 Gurfinkel 等人开发了一种提升测试速度以提高测试结果准确性的快速I–V 阈值电压漂移测量技术，将快速I–V 测量方法和常规直流扫描法进行对比分析，研究了 4H-SiC MOSFET 中的 Vth 和 Ids 的不稳定性。研究结果表明，由于快态陷阱瞬态俘获和去俘获的特性，常规的直流测量技术低估了这种漂移现象的严重程度，而提高测试速度后可以更准确地评估 Vth 的不稳定性。Vth 的不稳定性是由于在SiC MOSFET 栅极施加应力后，沟道电子被界面和近界面的大部分预先存在的陷阱所捕获所造成的，这些陷阱在能带中呈不对称分布，带隙上半部具有较高的陷阱密度，因此，对以电子为多数载流子的 NMOSFET 器件的影响较大。日本学者 Sometani等人创新性地提出了一种在线测试的技术，非弛豫地测量4H-SiC MOSFET Vth 不稳定性，研究发现，与传统的扫描法和三点法相比，非弛豫的方法可以精确测量漂移值。此外，他们发现具有快速和慢速解陷时间常数的充电陷阱分别位于氧化层近界面区域和氧化层深层区域，换言之，造成器件 Vth 的不稳定性的界面和近界面的陷阱具有快速解陷的特性，所以，具有较小解陷时间常数的陷阱只能在非弛豫方法中观察到。
大连理工大学池甜甜的硕士论文《SiC MOSFET 阈值电压漂移特性的测试分析》参考Si体系并以文献报道的有限信息为基础，在探讨了Vth漂移的内在物理机制基础上，实现了传统电压扫描法、非弛豫法和快速脉冲法三种Vth漂移测试技术，并给出了各自的测量条件。经过对测试技术优缺点、误差和适用性的分析，建立了SiC MOSFET器件Vth漂移评价方法。研究结果表明：传统电压扫描法操作简单，但是只能捕捉到慢态陷阱造成的影响，测得的∆Vth 为0.01~0.03 V，测试误差较大，适用于测试对准确度要求低的非商用器件。非弛豫法在应力不中断的条件下进行测量，可同时测到快态陷阱和慢态陷阱引起的Vth漂移，在相同的偏压温度应力下，测得的∆Vth 为1.5~6.5 V。但是，长时间的应力作用使快态陷阱不稳定性变强，出现由载流子的隧穿行为引起的随栅压持续时间变长，∆Vth不增反降的情况，这会引入较大的误差，且此方法会对器件造成不可恢复的损伤。综合考虑，非弛豫法更适用于测试使用寿命较长的长沟道器件。快速脉冲法利用脉冲边沿测试技术，提高了测试速度并避免了自热效应对器件的影响，可测到毫秒级以下解陷速率的界面和近界面陷阱的影响。在应力大小和时间小于另外两种方法的条件下，测得的∆Vth为0.3~1.8 V，测试结果误差小，准确性高，可用于准确测试商用SiC MOSFET的Vth不稳定性。
碳化硅（SiC）MOSFET 器件凭借开关速度快、泄漏源电流低和功率密度高等优点，被运用于新能源汽车和国防军工等高温高压大功率的工作领域中。但是，在不同偏压温度应力下，SiC MOSFET呈现出复杂的漂移特性，阈值电压（Vth）不稳定性成为阻碍SiC MOSFET被广泛应用的关键问题。现有的Vth漂移测试技术都是方法本身在不同偏压温度应力条件下的纵向对比，无法作为评价Vth不稳定性的标准测试技术。大连理工大学池甜甜在硕士论文中研究并对比了三种评价 Vth 不稳定性的测试技术，为更准确地测试 Vth 漂移特性并构建评价Vth 不稳定性的标准测试技术提供了新思路。
以下为论文节选
国内外研究现状
由于SiC MOSFET在功率半导体器件中的地位越来越高，国内外对于SiC MOSFET器件也更加关注。经过对SiC MOSFET器件的研究发现，目前影响SiC MOSFET器件可靠性的关键问题是Vth的稳定性。为了解决这一难题，就要了解引起器件Vth不稳定的内在原因和Vth 漂移的特性，以及探究能够准确测试Vth漂移的技术。本小节内容将主要从这两方面进行介绍。
1、SiC MOSFET器件Vth漂移特性
通过分析SiC MOSFET器件的优缺点可以看出，SiC MOSFET器件相对于Si基的MOSFET 器件有更大的发展空间，如果能实现大范围、多领域的应用，将会创造巨大的价值。现阶段，解决Vth漂移影响器件可靠性的问题，对MOSFET的发展将有非常重要的意义。因此，国内外研究者对造成SiC MOSFET Vth漂移的微观本质因素和Vth的漂移规律做了如下研究。
（1）SiC MOSFET 器件Vth 漂移的微观本质因素
引起Vth漂移的微观本质因素主要有 SiC/SiO2界面陷阱、氧化物陷阱、固定电荷、可动离子、偶极子、界面处SiC一侧陷阱和栅极与SiO2界面陷阱，其中对后三个的报道很少，此处就不进行详细介绍。如图1.2所示是前四种缺陷在器件内部的空间分布图，下面将逐一介绍它们的起源以及引发Vt 漂移的物理原理。
①SiC/SiO2界面陷阱
SiC/SiO2界面陷阱（Nit）又被称为界面态，包含快界面态和慢界面态，快界面态较为活跃，对表面势改变的响应时间较快，慢界面态则响应时间较慢。Nit主要在热氧化的过程中引入，包括因晶格参数不匹配导致生成的Si和C的悬挂键，以及因氧化不充分而残留的C 团簇。
另外，SiC带隙宽的特点，导致更多界面态能级的存在，经Hall 测试，在4H-SiC导带附近，Dit接近1014 cm-2eV-1。当器件内产生电流时，Nit对沟道载流子进行俘获，界面陷阱在费米能级的上半部分为受主态，在下半部分为施主态，一旦上半部分的受主态俘获了电子则带负电，下半部分的施主态一旦失去电子或俘获空穴则带正电，造成 Vth的漂移。界面陷阱不仅可以直接俘获沟道载流子引起 Vth 漂移，还可以作为“中介”辅助载流子隧穿到氧化物中被陷阱俘获，加剧Vth 的不稳定性。
②氧化物陷阱
根据美国陆军研究实验室报道，氧化物陷阱（Not）包括体陷阱和靠近SiC/SiO2界面的近界面陷阱（Near Interfacial Oxide Traps, NIOTs），而NIOTs是导致Vth漂移的主要电荷俘获活性缺陷。Not主要与SiO2层的热生长工艺有关，在热氧化过程中，近界面处产生Si缺陷，O缺陷，C缺陷，以及额外的N或者P处理所产生的缺陷等。
如图1.2中NIOTs的空间区域从SiC/SiO2界面处延伸至少几个纳米到氧化物中，这远比Si体系中NIOTs对器件稳定性的影响更大。近界面氧化物陷阱的充放电，或沟道载流子通过NIOTs进和出的隧穿运动引起了Vth的漂移。
③固定电荷
Bassler 等人研究了固定电荷（Nf）的起源和性质，发现固定电荷与位于深能级的悬挂键有关。Lelis等人的研究表明碳团簇、低价氧化物键等可俘获电荷缺陷的产生，是Nf的起源。在SiC体系中目前尚不清楚这些固定电荷确切的物理化学性质，但从Nf的起源的研究中得知，它无法与衬底发生电荷交换，且在H2或惰性气体中进行低温退火能有效降低固定电荷的密度。
④可动离子
可动离子（Nm）的主要存在形式为氧化层表面的Na+、K+等离子，它们主要是由工艺过程中的污染引入，但是，据Nakano等人报道可动离子也可以自发产生在SiC衬底干氧化过程中。通常在200℃左右，可动离子被激活，在电场的驱动下产生迁移，影响Vth的漂移。
通过上述已有的研究成果来看，四种微观影响因素中固定电荷一般认为是带正电荷的陷阱，它无法与衬底发生电荷交换，因此固定电荷并不是研究的重点；可动离子主要是在高温下被激活，从而迁移到靠近或远离SiC/SiO2界面的位置引起 Vth 的漂移，室温和低温下，可动离子基本不会移动，并且，目前通过控制工艺污染的方式已经可以很好地被解决。然而，陷阱类缺陷到目前为止还没有很好的解决办法，界面陷阱和近界面陷阱被认为是造成Vth漂移的主要原因。
（2）SiC MOSFET器件Vth漂移规律的研究
根据对SiC MOSFET器件Vth漂移的微观本质因素的分析可以得出：在低温和室温下，陷阱类的缺陷是造成漂移的主要影响因素。结合本论文后续的研究内容，下面将分析陷阱类缺陷对Vth漂移规律的影响。
①引起MOSFET器件Vth漂移的物理机制
SiC MOSFET中的陷阱类缺陷引起器件不稳定性所遵循的物理机制是氧化层陷阱的电荷俘获隧穿模型。2012年，美国学者Lelis等人提出了这一模型，并分析了隧穿运动的两种类型。第一种类型，两步隧穿机制，即在施加外界影响因素后，载流子首先被界面陷阱捕获，然后隧穿过SiC/SiO2界面，载流子被释放到氧化物一侧后，再被氧化物陷阱捕获，氧化物陷阱处于充电状态，或者反过来，载流子由氧化物一侧隧穿回到沟道中，氧化物陷阱处于放电状态。其中，界面态中的快态陷阱和慢态陷阱都会具有隧穿的作用，作为“中介”辅助载流子隧穿到氧化物中被陷阱俘获；第二种类型，直接隧穿机制，即沟道载流子可以不通过界面陷阱这一“中介”，有一定的概率可以直接通过SiC/SiO2界面进出SiO2一侧，从而引起Vth漂移。
②应力因素影响Vth 漂移的规律
国外部分研究者已经对应力因素影响SiC MOSFET器件Vth不稳定性有所研究。美国学者研究了栅压的大小和极性对器件Vth不稳定性的影响，利用隧穿模型可以成功地解释Vth不稳定性随偏置应力极性和偏置应力大小的变化。如图1.3所示，测试结果发现，正偏压应力的大小变化对∆Vth有显著的差异，但在负偏压应力下几乎没有差异，这种由偏置应力极性造成的不对称响应的现象是由于氧化物陷阱能级和电子或空穴的有效隧穿质量的假定值的差异，导致NIOTs俘获电子或空穴的程度不同，从而引发了不同程度的Vth漂移，另外，这种Vth不稳定性是完全可逆且可重复的。
应力持续时间对SiC MOSFET器件Vth漂移的影响在经过广泛研究后，得出∆Vth随着应力持续时间变长而逐渐变大的基本规律。Habersat等人发现应力时间越大，Vth不稳定性越强，∆Vth和log（t）几乎呈线性关系，这可以通过氧化物陷阱隧穿模型来解释，随应力时间增加，栅氧中更深的Not被激活，更多的沟道载流子被俘获，导致更严重的Vth不稳定。
③不同类型MOSFET器件Vth漂移的规律
SiC MOSFET器件根据其沟道载流子的极性不同，分为NMOSFET和PMOSFET，根据零栅压下半导体表面的状态又分为增强型和耗尽型，零栅压下不存在导电沟道的器件称为增强型器件，反之为耗尽型器件。在实际的应用中，耗尽型器件应用非常少，且与本论文的研究没有关联，因此这里只介绍增强型器件的特性，以下的介绍也都是默认增强型NMOSFET和PMOSFET。
对于NMOSFET，多数载流子是电子，在栅极加正偏压时，如图1.4所示，根据两步隧穿机制，位于SiC Ec（导带底）的电子会占据Ef（费米能级）以下的界面陷阱，然后，它们能够隧穿到具有相同能级的近界面氧化物陷阱中。此外，位于Ec的电子在量子力效应的作用下，有一定的概率直接隧穿到NIOTs。经过前人的探索，NIOTs的能级位置在SiC Ec的底部以上和以下，因此，在正偏压应力的作用下，SiC/SiO2界面附近的电荷俘获让反型层中的可移动载流子减少从而引起Vth的正漂。
如图1.5所示，当在栅极施加负偏压应力时，位于界面陷阱中的电子将会返回到SiC Ec，并且位于NIOTs中的电子将直接隧穿或通过相同能级的界面陷阱隧穿返回到SiC，因此，在器件栅极加负栅压会使界面和近界面的陷阱具有快速恢复解陷的特性，从而恢复阈值电压的漂移。
对于PMOSFET，多数载流子是空穴，在偏压应力下，所遵循的物理基础也是氧化层陷阱的电荷俘获隧穿理论。与NMOSFET 不同的是，在栅极偏压应力的作用下，空穴的隧穿运动引起阈值电压的漂移，当负栅压施加在栅极上时，引起阈值电压负漂，这是由于SiC/SiO2界面态和近界面态陷阱捕获沟道中的空穴，让反型层中的空穴减少，从而使阈值电压发生负漂移，加正栅压时，被困的空穴从陷阱隧穿返回到沟道，恢复阈值电压的漂移。
（3）Vth漂移和陷阱类缺陷关系的定量分析
以上是对陷阱类缺陷造成Vth 漂移的定性理解，接下来通过与Vth相关的公式进行定量理解Vth的漂移和陷阱类缺陷的关系：
SiC体系n和p沟道MOSFET的Vth公式：
SiC 体系MOS 电容的Vfb 公式：
SiC 体系定量分析 Vth 漂移：从 Vth 的公式可以看到无论 n 沟道还是 p 沟道，Qss 和Qit 前都是负号，而平带电压公式中 Qit、Qot、Qf、Qm 前也是负号：公式中其它的参数一般器件加工完毕后在偏压应力下不发生变化，所以不影响 Vth 漂移。从这一点可以看出Vfb 的漂移可以间接反映 Vth 的漂移情况。此外，通过公式（1.4）看出，∆Nit、∆Not 与∆Vfb呈正比关系。因此，以此类推，Vth 的漂移情况可以反映界面陷阱和氧化物陷阱的变化量。
2、阈值电压漂移测试技术研究
在不同的偏压应力条件下SiC MOSFET 器件呈现出复杂的漂移特性，这主要是由影响Vth 漂移的微观电荷自身的复杂性、多样性，以及对偏压温度应力的响应和恢复不同所引起的[46]。因此，有关SiC MOSFET 器件Vth 漂移测试技术也深深吸引着国内外的学者。
美国弗吉尼亚州费尔法克斯乔治梅森大学研究偏置应力诱导的 4H-SiC DMOSFET阈值电压漂移，利用直流 DC 扫描的方法，得出 Vth 不稳定性的一个可能的原因是：在器件栅极施加正应力时界面陷阱和近界面陷阱捕获电子和施加负应力阶段释放电子[47]。正偏压应力时间的增加，会导致陷阱捕获更多的电子，引起更大的 Vth 正漂和漏极电流的减小，不利于长导通的SiC DMOSFET 器件的可靠性。
2015 年，美国陆军研究实验室较为全面地研究了 SiC 功率MOSFET 的可靠性测试，研究的内容主要涉及测量速度、测量温度和应力时间等因素对 Vth 漂移的影响。研究表明，测试SiC MOSFET 时应用Si 体系的测量方法会出现不符合应力对 Vth 漂移影响基本规律的现象。另外，他们还发现，如图1.6 所示，测试结果反映出的氧化物陷阱造成的影响一方面与应力时间有关，应力时间越长，越深的氧化物陷阱被激活[28]。然而，并非所有在应力期间切换电荷状态的氧化物陷阱都将在随后的测量中被观察到，非常接近界面的陷阱将在测量期间改变电荷状态，这些陷阱是由测量偏差控制的。因此，另一方面，测试结果的准确性还跟测试速度有关，测试速度快，才能测到氧化物陷阱捕获载流子的充电过程。
针对上述在测试过程中发现的问题，可以得出，对于SiC MOSFET 的Vth 漂移的测试，需要测试速度快、对器件破坏性小的测试方法来评估器件运行时的可靠性，才能获取更为准确且可靠的测试结果。美国学者 Gurfinkel 等人开发了一种提升测试速度以提高测试结果准确性的快速I–V 阈值电压漂移测量技术，将快速I–V 测量方法和常规直流扫描法进行对比分析，研究了 4H-SiC MOSFET 中的 Vth 和 Ids 的不稳定性。研究结果表明，由于快态陷阱瞬态俘获和去俘获的特性，常规的直流测量技术低估了这种漂移现象的严重程度，而提高测试速度后可以更准确地评估 Vth 的不稳定性。Vth 的不稳定性是由于在SiC MOSFET 栅极施加应力后，沟道电子被界面和近界面的大部分预先存在的陷阱所捕获所造成的，这些陷阱在能带中呈不对称分布，带隙上半部具有较高的陷阱密度，因此，对以电子为多数载流子的 NMOSFET 器件的影响较大。日本学者 Sometani等人创新性地提出了一种在线测试的技术，非弛豫地测量4H-SiC MOSFET Vth 不稳定性，研究发现，与传统的扫描法和三点法相比，非弛豫的方法可以精确测量漂移值。此外，他们发现具有快速和慢速解陷时间常数的充电陷阱分别位于氧化层近界面区域和氧化层深层区域，换言之，造成器件 Vth 的不稳定性的界面和近界面的陷阱具有快速解陷的特性，所以，具有较小解陷时间常数的陷阱只能在非弛豫方法中观察到。
大连理工大学池甜甜的硕士论文《SiC MOSFET 阈值电压漂移特性的测试分析》参考Si体系并以文献报道的有限信息为基础，在探讨了Vth漂移的内在物理机制基础上，实现了传统电压扫描法、非弛豫法和快速脉冲法三种Vth漂移测试技术，并给出了各自的测量条件。经过对测试技术优缺点、误差和适用性的分析，建立了SiC MOSFET器件Vth漂移评价方法。研究结果表明：传统电压扫描法操作简单，但是只能捕捉到慢态陷阱造成的影响，测得的∆Vth 为0.01~0.03 V，测试误差较大，适用于测试对准确度要求低的非商用器件。非弛豫法在应力不中断的条件下进行测量，可同时测到快态陷阱和慢态陷阱引起的Vth漂移，在相同的偏压温度应力下，测得的∆Vth 为1.5~6.5 V。但是，长时间的应力作用使快态陷阱不稳定性变强，出现由载流子的隧穿行为引起的随栅压持续时间变长，∆Vth不增反降的情况，这会引入较大的误差，且此方法会对器件造成不可恢复的损伤。综合考虑，非弛豫法更适用于测试使用寿命较长的长沟道器件。快速脉冲法利用脉冲边沿测试技术，提高了测试速度并避免了自热效应对器件的影响，可测到毫秒级以下解陷速率的界面和近界面陷阱的影响。在应力大小和时间小于另外两种方法的条件下，测得的∆Vth为0.3~1.8 V，测试结果误差小，准确性高，可用于准确测试商用SiC MOSFET的Vth不稳定性。
