Defect-Based Modeling of SiC Devices

Silicon carbide (SiC) has a number of unique properties such as a wide band gap, higher breakdown electric field than in silicon, good thermal conductivity, high saturation velocity, and a reasonable bulk mobility. Additionally, SiC can grow a native oxide, thereby enabling its use in metal-oxide-semiconductor devices. All these properties make it an excellent candidate for high power electronics. Nevertheless, wide commercialization of SiC is hindered by its surface/channel mobility which is substantially lower than that of the bulk material. This mobility reduction is attributed to a high concentration of defects at the SiC/SiO₂ interface. These defects are also responsible for a bunch of detrimental phenomena such as the hysteresis seen in current-voltage (I-V) characteristics, bias temperature instability (BTI), and hot-carrier-degradation (HCD). Therefore, comprehensive modeling of pristine SiC transistors and reliability phenomena in these devices should be based on a consistent set of microscopic defect physics. As such, the primary goal of this project is to develop and validate a physics-based modeling framework which considers self-consistently all these parasitic effects as a response of interface and oxide defects/precursors which can be charged/activated by different driving forces.

We expect that oxide traps are responsible for the temperature behavior and the hysteresis of I-V characteristics as well as for BTI. Therefore, these two phenomena will be tackled consistently. Nevertheless, a possible contribution of pre-existing interface traps will also be checked. The interface traps will be modeled using Shockley-Read-Hall theory, while oxide traps will be described within the nonradiative multiphonon four states model. The strategy to distinguish between these traps relies on different behavior of their capture/emission times. As for HCD, in SiC transistors it has two main contributions, i.e. interface trap generation and charging/discharging of oxide traps. The interplay of these mechanisms will be carefully analyzed. We also plan to extract defect properties. This extraction will be performed during optimization of the model parameters and using the characterization technique based on the analysis of capture/emission times of the defects. The defect properties obtained using these two methods will be compared against each other and with results of ab initio calculations.

This defect-centric framework will ensure a comprehensive description of degradation mechanisms in SiC devices, thereby making it suitable for predictive reliability simulations. Furthermore, the information on the defect properties will be of great importance for applied physics, material science, and electrical engineering. The obtained results will be disseminated to the scientific community and the model will be made available through the software release channels of the host institute.

Siliziumkarbid (SiC) besitzt viele Eigenschaften die es zu einem hervorragenden Material für den Einsatz in der Leistungselektronik machen. SiC hat eine große Bandlücke, zeigt eine größere Durchbruchsfeldstärke als Silizium, eine gute thermische Leitfähigkeit, eine hohe Sättigungsgeschwindigkeit und eine ausreichend hohe Beweglichkeit. Darüber hinaus erlaubt die natürliche Bildung eines Oxids auf SiC dessen Verwendung in Metall-Oxid-Halbleiter Bauelementen. Die Beweglichkeit der Ladungsträger an der Oberfläche von SiC ist jedoch deutlich geringer als im SiC Material selbst, was die breite Kommerzialisierung von SiC erschwert. Die geringe Oberflächenmobilität ist jedoch keine Materialeigenschaft von SiC, sondern ist auf Defekte an den Grenzflächen zwischen SiC und SiO₂ zurückzuführen. Diese Defekte verursachen auch Hysteresen in Strom-Spannungs (I-V) Charakteristiken, Spannungs-Temperatur Instabilitäten (BTI) und die Degradation durch heiße Ladungsträger (HCD). Um all diese Mechanismen modellieren zu können, bedarf es über den idealen SiC Transistor hinaus eine konsistente physikalische Beschreibung der zugrundeliegenden mikroskopischen Defekte. Die Entwicklung und Validierung einer solchen physikbasierten Beschreibung ist das primäre Ziel dieses Projekts. Dabei werden die Effekte, die die Zuverlässigkeit beeinträchtigen, konsistent durch Defekte und deren Vorstufen an Grenzflächen und in Oxiden beschrieben und deren Ladung und Aktivierung durch verschiedene treibende Kräfte behandelt.

Die grundlegende Annahme hierbei ist, dass Defekte im Oxid die Ursache für das Temperaturverhalten, die Hysterese von I-V Charakteristiken und BTI sind, und somit eine umfassende und konsistente Beschreibung dieser Phänomene erlauben. Zusätzlich wird der Einfluss von Defekten an der Grenzfläche auf diese Phänomene überprüft. Defekte an der Grenzfläche werden mittels der Shockley-Read-Hall Theorie modelliert, während Defekte im Oxid durch unser Four-State Non-Radiative Multi-Phonon Modell beschrieben werden. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal dieser Defekttypen sind deren Zeitkonstanten die den Ladungsträgereinfang und ihre Abgabe beschreiben. Für HCD sind beide Defekttypen verantwortlich und entsprechend wird deren Zusammenspiel sorgfältig untersucht. Darüber hinaus werden die Defekteigenschaften sowohl über die Optimierung der Modellparameter, als auch mittels der Zeitkonstanten der Defekte charakterisiert und die Ergebnisse dieser beiden Methoden mit Resultaten von ab initio Berechnungen verglichen.

Diese defektbezogene Betrachtung erlaubt eine umfassende Beschreibung der Degradationsmechanismen und ermöglicht die Voraussage der Alterung mittels Simulationen. Die extrahierten Defekteigenschaften sind von großem Interesse für die angewandte Physik, die Materialwissenschaften und für die Elektrotechnik. Dementsprechend werden die Resultate mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft geteilt und die Modelle über die Portale des Gastinstituts zugänglich gemacht.