【技术】高KSiC功率MOSFET的小信号阻抗和分离CV特性

原创 碳化硅芯观察 2023-09-26 20:04

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引言

该篇文章,通过先进的栅极阻抗表征,研究了使用高 k 栅极电介质代替标准 SiO2 所实现的 SiC 功率 MOSFET 性能的改进。
通过将 SiC MOSFET 与纯高 κ、SiO2/高 κ 堆叠以及纯 SiO2 进行比较,证明了使用具有高介电常数的高 κ 栅极电介质的优点。
也就是说,所制造的高κ SiC MOSFET 在沟道电阻和界面质量方面表现出优于具有SiO2/SiC 界面的商用SiC MOSFET 的性能。所提出的表征方法是非破坏性的,适用于封装功率器件。
与Si器件技术相比,由于SiO2-SiC界面的陷阱,SiC功率MOSFET的特征之一是阈值电压不稳定性[1]。最近的研究表明,高介电常数栅极介质取代原生SiO2是改善垂直SiC功率MOSFET性能的有希望的解决方案,包括在栅极应力下的阈值电压滞后和阈值电压漂移[2]。改进的界面质量还能实现更低的比导通电阻[3]。本文中,我们对纯高介电常数、SiO2/高介电常数以及纯SiO2的SiC功率MOSFET进行了分析,以分析栅极介质对器件性能的影响。

分析的栅极介质SiC功率MOSFET样本:

我们选择了来自日立能源的平面栅1.2 kV SiC功率MOSFET样本,其中包括高介电常数(K1、K1b、K2、K2b)和高介电常数/SiO2栅极介质(S1、S2),还有来自Wolfspeed的三款1.2 kV SiC功率MOSFET样本,它们具有SiO2栅极介质,分别来自第2代和改进的第3代技术(M1、M2、M2b),如表1所示。

K1、K1b和S1样本具有相同的芯片和单元布局,即相同的有效区域、终端区域、间距尺寸和栅极布局,它们唯一的区别在于栅极介质堆叠。K2、K2b和S2样本也是如此。所有样本具有相近的导通状态电阻,但间距尺寸不同。

我们将在接下来的章节中提供制造的高介电常数样本与SiO2参考样本以及选定的商用SiC功率MOSFET在电压/频率依赖的栅极阻抗方面的直接比较。

小信号阻抗表征

小信号阻抗测量用于提取数据手册设备特性,例如内部栅极电阻和电容-电压行为。另一方面,分裂的C-V特性表征通常用于测量反向功率MOSFET电容,即Crss。在本文中,测量栅极阻抗以评估频率和栅极偏压的内部栅极电阻,同时在不同频率下执行分裂的C-V测量以单独评估栅-漏极Cdg和栅-源极Csg电容。此外,基于分裂的Cdg和Csg测量,根据[4]中的描述,提取总导通电阻的通道Rch和漂移电阻Rdrift(= Rjfet + Repi + Rsub)组成部分。所有测量都是使用Keysight E4990A阻抗分析仪执行的,用于表1中指定的SiC功率MOSFET样本。

分裂C-V栅极特性

结果从分裂的C-V测量中,可以使用串联(Cs-Rs)或并联(Cp||Gp)等效模型提取Cdg和Csg组分,其中在系列Csg,s和Cdg,s中观察到的峰值可以与从传递特性Id-Vgs中提取的跨导gm相关联,如[4]中所述。在f = 30 kHz时测得的K1、S1、M1和M2的Csg和Cdg组分如图1所示。比较K1、S1、M1和M2 SiC功率MOSFET的Cdg,s和Csg,s,可以看出高-κ-与高-κ/SiO2和纯SiO2界面相比,在Csg,s和Cdg,s中有更高的峰值,这指出了高-κ-具有更高的跨导。此外,通过比较M1和M2,可以清楚地观察到沃尔夫速度从第2代到第3代的SiC功率MOSFET技术在gm方面的改进。

导通状态电阻组分提取:结果

由于并联电容Csg,p和Cdg,p仅携带有关MOSFET电容而不是跨导gm的信息,因此使用Csg,p和Cdg,p来评估Rch/Rdrift比率,如图2a)所示。

总漏极-源极导通状态电阻Rds,ON是从Id-Vgs测量中在Vds = 50 mV时评估的,从而允许根据Vgs的函数评估单独的Rdrift和Rch组分。图2b)显示了经过器件有效面积归一化的Rdrift和Rch结果。

首先,可以从图2b)中提取Rch和Rdrift对间距大小的依赖性,通过比较K1和K2 SiC功率MOSFETs可以看出这一点。其次,所提出的特性表征方法清楚地指出,纯高-κ栅极界面的SiC功率MOSFETs K1和K2的Rch和Rdrift要小于具有高-κ/SiO2层叠结构的S1和S2的情况。

另一个有趣的观察是,尽管M2的间距较小,但K1和M2的Rch相对可比,这可以通过(1)增加的Cox,即MOSFET gm的更高跨导,以及(2)由于更高的界面质量而提高的通道迁移率来解释。

内部栅极电阻Rgg特性表征

内部栅极电阻Rgg是作为测量的栅极阻抗Zgg的实部来提取的。K1在栅-源极电压Vgs = 0 V和15 V下测得的Rgg如图3a)所示。

通常,数据表中仅提供f = 1 MHz和Vgs = 0 V下的Rgg。但是,Rgg会受到Vgs和f的影响,并且可以区分出图3a)中突出显示的三个区域:1) 在低频下具有非常高的Rgg,随着f的增加而减小,2) 在低于几兆赫兹的中频范围内,Rgg近似恒定,3) 在高于10兆赫兹的高频范围内,Rgg减小。

区域1可以与介电体-SiC界面陷阱相关联;区域2与多晶硅栅和金属栅线的电阻相关,而区域3表示多晶硅栅布局的分布行为,在快速开关瞬变中变得占主导地位[5]。图3b)中显示的等效模型可用于描述这种行为,其中Cgg代表输入栅极电容,Rg,int代表多晶硅栅的电阻,而Gp模拟了介电“泄漏”。具有较小的Gp和较高的Cgg时,Rgg(f)的区域2在较低频率范围内延伸,而较高的Gp和较小的Cgg缩短了区域2。

由于SiC功率MOSFETs在SiC-介电体界面存在高缺陷密度,因此1 MHz处的Gp可能较高,因此1 MHz处的Rgg通常可能包括陷阱效应,因此1 MHz处的Rgg可能会误导对实际内部栅极电阻的评估。

图4a)显示了具有高-κ和高-κ/SiO2层叠结构的K1、K1b、K2、K2b、S1和S2 SiC功率MOSFET的Vgs = 0 V下测得的Rgg(f),而图4b)呈现了商用SiC功率MOSFETs M1、M2和M2b的Rgg(f)。在≈20 MHz-100 MHz频率范围内,K1、K1b和S1 SiC功率MOSFET的Rgg(f)重叠,如图4a)所示,对应于图3中标记的区域2。

也就是说,由于K1、K1b和S1仅在介电体-半导体界面方面有所不同,测量结果确认区域2中的Rgg仅由栅极布局的多晶硅和金属电阻决定。另一方面,可以看出介电体-半导体界面的质量影响了Rgg的区域1,即界定了区域1

内部栅极电阻Rgg与界面质量的关系

在图3b)所示的模型中,更高的界面质量导致模型中的Gp更小,然而,由于不同介电体导致的Cgg变化,很难完全区分这种影响。K1通过采用更好的沉积方法获得改进的高-κ介电体,与K1b相比,具有较小的Gp,比S1更小,这可以与降低的介电体和界面陷阱有关。

类似地,K2的Gp比K2b和S2 SiC功率MOSFET要小。此外,可以看出间距大小也影响了区域2中的等效集总Rgg。图4b)中的测量结果表明,Gp,M2和Gp,M2b小于Gp,M1,即区域2向较低频率偏移,但影响Cgg的栅极设计参数也会影响区域1。影响区域1的这两个共同作用之间的明显区别正在进一步研究中。

作为栅-源极电压Vgs函数的Rgg

接下来,Rgg被表征为栅-源极电压Vgs的函数。图5a)显示了在f = 30 kHz、100 kHz、1 MHz和10 MHz下,通过设备有效面积(mm2)归一化的Rgg,M1(Vgs - Vth)。扫描Vgs预计会揭示带隙中不同能级的陷阱对Rgg的影响。在高频率下,即10 MHz,陷阱无效,Rgg与Vgs无关,仅由栅极布局确定,如图3a)所讨论的。图5b)和图5c)分别显示了通过设备有效面积(mm2)归一化的K1、K2、S1、S2、M1和M2的Rgg(Vgs - Vth),不带和带间距大小的比例。

高-κ样品和M2的较低峰值幅度进一步支持了这些样品具有更高界面质量和/或更高Cgg的结论。有趣的是,M1在正的Vgs - Vth范围内显示了一个峰值,表明存在更接近传导带的不同界面陷阱,这些陷阱已在最新的Wolfspeed器件中移除。

通过间距大小的比例是为了更有意义地比较不同器件,即在图5c)中,相同技术的峰值幅度是独立于单元间距的:K1-K2和S1-S2。图5d)显示了K1、S1、M1和M2的Vth滞后。

尽管在图5c)中显示了较小的Rgg(Vgs)峰值和SiO2的较小Cox,M2呈现出显著的Vth滞后,这可能导致结论,影响Rgg(Vgs)的缺陷与影响Vth滞后的缺陷不同[6]。值得注意的是,与SiO2/高-κ和纯SiO2样本相比,纯高-κ介电体显示出可忽略的滞后效应。

这项工作揭示了高-κ栅极介电体对SiC功率MOSFET的益处,并且还证明了标准的小信号阻抗测量可以扩展以获得有关器件性能和与应用相关特性的更精确信息。所提出的栅极阻抗表征可以作为一种非破坏性的调查方法,用于分析封装半导体器件的器件质量,特别关注SiC/栅极介电体界面。

本文作者:Salvatore Race,Ivana Kovacevic-Badstuebner,Roger Stark,Alexandar Tsibizov,Manuel Belanche,Yulieth Arango,Gianpaolo Romano,Lars Knoll,Ulrike Grossner

参考文献:

[1] K. Puschkarsky等人:《IEEE电子器件交易》第66卷,(2019年)第4604-4616页

[2] S. Wirths等人:2020年第32届国际功率半导体器件和集成电路研讨会(ISPSD)。

[3] S. Wirths等人:2019年第31届国际功率半导体器件和集成电路研讨会(ISPSD)。

[4] R. Stark等人:《IEEE功率电子交易》第37卷第9期(2022年)第10572-10584页

[5] S. Race等人:2022年第34届国际功率半导体器件和集成电路研讨会(ISPSD)。

[6] P. Fiorenza等人:2022年IEEE国际可靠性物理学研讨会(IRPS),第3B.3-1-3B.3-5页。


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    一、什么是数据库系统
    数据库系统一般由数据库、数据库管理系统(及其开发工具)、应用系统、数据库管理员构成 

    二、数据库管理系统的主要功能包括
    数据定义功能:DBMS提供数据定义语言(Data Definition Language,DDL),用户通过它可以方便地对数据库中的对象进行定义
    数据组织、存储和管理:DBMS要分类组织、存储和管理各种数据,包括数据字典、用户数据、数据的存取路径等。
    数据操纵功能:DBMS提-供数据操纵语言(Data Manipulation Language,DML),用户可以使用DML操纵数据,实现对数据库的基本操作,如查询、插入、删除和修改等
    数据库的事务管理和运行管理:数据库在建立、运用和维护时由数据管理系统统一管理、统一控制,以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用以及发生故障后的系统恢复
    数据库建立和维护功能:数据库初始数据的输入、转换功能,数据库的转储、恢复功能,数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等。

    三、数据库系统结构
    1.1模式(概念模式或逻辑模式)
    定义:数据库中全体数据的逻辑结构特征的描述,是所有用户的公用数据库结构。

    特性:

    一个数据库只有一个模式
    模式与应用程序无关,只是数据的一个框架
    1.2子模式(外模式或用户模式)
    定义:数据库用户所见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述,是用户所用的数据库结构

    特性:

    子模式是模式的子集
    一个数据库有多个子模式,每个用户至少使用一个子模式
    同一个用户可以使用不同的子模式,每个子模式可为不同的用户所用
    1.3内模式(存储模式)
    定义:是数据物理结构和存储方法的描述。它是整个数据库的最低层结构的表示。

    特性:

    一个数据库只有一个内模式,内模式对用户透明
    一个数据库由多种文件组成,如用户数据文件,索引文件及系统文件
    内模式设计直接影响数据库的性能

    以下是开发流程:
    在idea中构建如下几个子模块工程:
    @PostMapping("/doLogin")
    @ApiOperation(value = "一键注册登录接口", notes = "一键注册登录接口", httpMethod = "POST")
    public GraceJSONResult doLogin(HttpServletRequest request,
                                   HttpServletResponse response,
                                   @RequestBody @Valid RegisterLoginBO registerLoginBO,
                                   BindingResult result);
    验证的字段上方可以写一些相关的注解,系统识别后会自动检查
    RegisterLoginBO.java
    public class RegisterLoginBO {

        @NotBlank(message = "手机号不能为空")
        private String mobile;
        @NotBlank(message = "短信验证码不能为空")
        private String smsCode;

        public String getMobile() {
            return mobile;
        }

        public void setMobile(String mobile) {
            this.mobile = mobile;
        }

        public String getSmsCode() {
            return smsCode;
        }

        public void setSmsCode(String smsCode) {
            this.smsCode = smsCode;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "RegisterLoginBO{" +
                    "mobile='" + mobile + '\'' +
                    ", smsCode='" + smsCode + '\'' +
                    '}';
        }
    }

    如果校验有问题,那么可以直接获得并且放回给前端即可。
    BaseController.java
    /**
     * 验证beanBO中的字段错误信息
     * @param result
     * @return
     */
    public Map<String, String> getErrors(BindingResult result) {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        List<FieldError> errorList = result.getFieldErrors();
        for (FieldError error : errorList) {
            // 发生验证错误所对应的某一个属性
            String errorField = error.getField();
            // 验证错误的信息
            String errorMsg = error.getDefaultMessage();
            map.put(errorField, errorMsg);
        }
        return map;
    }
    一般来说,admin系统不会有主动注册功能,账号都是分配的,那么默认就会存在一个基本账户,这也是预先通过代码生成用户名和密码的。直接手动生成即可:
    <dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-openfeign</artifactId>
    </dependency>

    同理,查询操作也是类似JPA的操作,再继承Repository后直接使用其内置api即可:
    FriendLinkMngControllerApi.java
    @PostMapping("getFriendLinkList")
    @ApiOperation(value = "查询友情链接列表", notes = "查询友情链接列表", httpMethod = "POST")
    public GraceJSONResult getFriendLinkList();
    首先可以在数据库通过写sql脚本实现查询
    SELECT
    c.id as commentId,
    c.father_id as fatherId,
    c.article_id as articleId,
    c.comment_user_id as commentUserId,
    c.comment_user_nickname as commentUserNickname,
    c.content as content,
    c.create_time as createTime,
    f.comment_user_nickname as quoteUserNickname,
    f.content as quoteContent
    FROM
    comments c
    LEFT JOIN
    comments f
    on
    c.father_id = f.id
    WHERE
    c.article_id = '2006117B57WRZGHH'
    order by
    c.create_time
    desc
    目前我们所搭建的eureka是单机单实例的注册中心,如果挂了,那么整个微服务体系完全不可以,这是不应该的,所以为了实现eureka的高可用,我们可以搭建集群。
    在进行集群构建之前,大家先参照目前的eureka再去构建一个一模一样的工程,可以取名为 springcloud-eureka-cluster。
    为集群中各个eureka节点配置host
    eureka:
      instance:
        hostname: eureka-cluster-${port:7001}    # 集群中每个eureka的名字都要唯一
      # 自定义eureka集群中另外的两个端口号
      other-node-port2: ${p2:7002}
      other-node-port3: ${p3:7003}
      client:
    #    register-with-eureka: false
    #    fetch-registry: false
        service-url:
          # 集群中的每个eureka单实例,都需要相互注册到其他的节点,在此填入集群中其他eureka的地址进行相互注册
          defaultZone: http://eureka-cluster-${eureka.other-node-port2}:${eureka.other-node-port2}/eureka/,http://eureka-cluster-${eureka.other-node-port3}:${eureka.other-node-port3}/eureka/
    我们自己测试的时候时间可以设置为10秒内有10次,我认定非法请求,直接限制这个ip访问15秒,15秒后释放。(像有的网站会出现二维码让你扫描通过,或者手机验证码或者人机交互判断你当前是否是人还是机器,因为有可能是爬虫请求)
    开发步骤:
    首先在yml中设置基本参数:
    @Override
    public Object run() throws ZuulException {
        System.out.println("执行【IP黑名单】Zuul过滤器...");

        // 获得上下文对象requestContext
        RequestContext requestContext = RequestContext.getCurrentContext();
        HttpServletRequest request = requestContext.getRequest();

        // 获得ip
        String ip = IPUtil.getRequestIp(request);

        /**
         * 需求:
         * 判断ip在10秒内请求的次数是否超过10次,
         * 如果超过,则限制访问15秒,15秒过后再放行
         */
        final String ipRedisKey = "zuul-ip:" + ip;
        final String ipRedisLimitKey = "zuul-ip-limit:" + ip;

        // 获得剩余的限制时间
        long limitLeftTime = redis.ttl(ipRedisLimitKey);
        // 如果剩余时间还存在,说明这个ip不能访问,继续等待
        if (limitLeftTime > 0) {
            stopRequest(requestContext);
            return null;
        }

        // 在redis中累加ip的请求访问次数
        long requestCounts = redis.increment(ipRedisKey, 1);

        // 从0开始计算请求次数,初期访问为1,则设置过期时间,也就是连续请求的间隔时间
        if (requestCounts == 1) {
            redis.expire(ipRedisKey, timeInterval);
        }

        // 如果还能取得到请求次数,说明用户连续请求的次数落在10秒内
        // 一旦请求次数超过了连续访问的次数,则需要限制这个ip了
        if (requestCounts > continueCounts) {
            // 限制ip访问一段时间
            redis.set(ipRedisLimitKey, ipRedisLimitKey, limitTimes);

            stopRequest(requestContext);
        }

        return null;
    }

    private void stopRequest(RequestContext requestContext){
        // 停止继续向下路由,禁止请求通信
        requestContext.setSendZuulResponse(false);
        requestContext.setResponseStatusCode(200);
        String result = JsonUtils.objectToJson(
                GraceJSONResult.errorCustom(
                        ResponseStatusEnum.SYSTEM_ERROR_BLACK_IP));
        requestContext.setResponseBody(result);
        requestContext.getResponse().setCharacterEncoding("utf-8");
        requestContext.getResponse().setContentType(MediaType.APPLICATION_JSON_VALUE);
    }
    上面这些都是通过不同key要执行多次才能得到结果,一般来说我们会使用es的aggs功能做聚合统计,会更好。
    通过一个脚本来统计男女数量:
    POST http://192.168.1.203:9200/fans/_doc/_search
    {
        "size": 0,
        "query":{
            "match":{
                "writerId":"201116760SMSZT2W"
            }
        },
        "aggs": {
            "counts": {
                "terms": {
                    "field": "sex"
                }
            }
        }
    }

    以下就是数据库系统开发的整个流程讲解,感谢大家的阅读

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    落子无悔 2023-12-06 13:27 63浏览
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    北汇信息 2023-12-06 11:41 73浏览
  • 摘要:根据CINNO Research产业统计数据,Q3'23国内智能手机屏下指纹识别占比创历史新高达45%,而侧边指纹识别占比较去年同期下降12%,后置指纹识别占比下降至1%,而前置指纹已淡出国内智能手机指纹识别市场。根据CINNO Research产业统计数据,受华为、荣耀热门机型销售的影响,Q3'23国内智能手机指纹识别搭载率上升至84%。图示:中国市场智能手机指纹识别技术别占比趋势来源: CINNO Research月度中国市场智能手机指纹识别应用趋势报告2023年第三季度,国内OLED
    CINNOResearch 2023-12-06 12:53 91浏览
  • 导语:CINNO Research统计数据表明,Q3'23全球半导体设备厂商市场规模前十大公司合计超250亿美元,同比下降9%,环比增长3%。CINNO Research统计数据表明,Q3'23全球半导体设备厂商市场规模Top10营收合计超250亿美元,同比下降9%,环比增长3%。Q3'23全球半导体设备厂商市场规模排名Top10与1H'23的Top10设备商相比,日立高新(Hitachi High-Tech)排名跌出Top10,泰瑞达(Teradyne)排名回归第十。荷兰公司阿斯麦(ASML)
    CINNOResearch 2023-12-06 14:04 105浏览
  • 近日,英国伦敦的可持续倡议(SMI)公布了2023年《地球宪章》徽章获奖名单。在这个名单中,全球共17家企业入选,中国企业仅占两席。最值得注目的是,海尔智家作为唯一获奖的中国家电企业,荣登榜单。 据了解,《地球宪章》徽章由现任英国国王查尔斯三世于2021年发起,旨在表彰对全球环境的可持续发展做出突出贡献的企业,鼓励企业将自然、人类和地球置于核心位置,通过创新和可持续的商业模式,共同应对全球气候挑战。获奖企业由来自环境、商业、政治和慈善界的全球专家小组经过严苛的评选选出。 海尔
    锦缎研究院 2023-12-06 12:41 53浏览
  • #这段代码是一个基于C语言的嵌入式程序,用于在HPMicro平台上运行。它的主要功能是初始化一个LED灯,并使其以一定的时间间隔闪烁。#以下是对代码的解析:#```c#include #include "board.h"#include "hpm_debug_console.h"#define LED_FLASH_PERIOD_IN_MS 300int main(void){    int u;    board_init(); // 初始化板子 
    丙丁先生 2023-12-06 14:22 105浏览
  •     今天看到一个麦肯锡的统计数据,2021年中国出口的电子产品占世界34%。越来越多的PCB组件在中国造出来,然后送往全世界。作为电子工程师,除了增加修养,不断实现良好的设计,也要减少电子垃圾,对国际上的主要环保要求有所了解。    ROHS  Restriction of Hazardous Substances  有毒物质限制        这个标准针对 6 类电子产品中常见的的有毒物质,
    电子知识打边炉 2023-12-06 22:21 107浏览
  • 来源:虹科汽车电子 虹科技术丨BabyLIN产品如何轻松搞定K线协议实现? 原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/LR7VHFQajjyw6s6bVDJmsg 欢迎关注虹科,为您提供最新资讯!   导读 为了实现K线通信,SDF-V3在协议部分中定义了新的协议类型KLine Raw。所有能够运行SDF-V3文件(LinWorks版本在V.2.29.4以上)并使用最新固件(固件版本在V.6.18以上)的BabyLIN设备都可以执行KLine Raw
    虹科电子科技 2023-12-06 14:42 106浏览
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