【導讀】碳化硅（SiC）功率器件對柵氧化層界面質量、陷阱電荷等參數的精確表征提出更高要求。傳統準靜態C-V測試在SiC大電容器件上易出現結果失穩問題。吉時利4200A SCS引入恒流激勵準靜態C-V（Force-IQSCV）技術，以恒定電流激勵替代傳統步進電壓-電流采集路徑，為SiC MOS器件提供更穩定、快速的測試方案。本文系統解讀該技術的原理、配置、校準及數據分析流程。
電容 電壓（C V）測量是半導體材料與器件工藝表征的重要手段，廣泛應用于 MOS 器件分析。借助 C V 測試數據，可提取氧化物可動電荷、氧化層電容、界面陷阱、摻雜分布、平帶電壓、摻雜濃度、少數載流子壽命以及輸入輸出電容等多項關鍵器件參數。
傳統準靜態 C V 測試大多依靠源測量單元（SMU）輸出步進電壓、采集響應電流完成測試，該方案在硅基 MOS 器件測試中表現良好。但針對碳化硅（SiC）MOS 器件，器件本身電容偏大，基于測電流的傳統準靜態方案容易出現測試結果失穩的問題。
為解決傳統準靜態測試中步進電壓、電流采集帶來的各類弊端，吉時利 4200A SCS 參數分析儀推出恒流激勵準靜態 C V（Force IQSCV）測試技術：對被測器件施加恒定電流，采集電壓與時間信息，換算得到電容值。該技術用于 SiC 功率 MOS 器件測試具備多項優勢：僅需單臺配置前置放大器的 SMU 模塊、測試速度更快、易于建立器件穩態條件、解決低輸出阻抗模式下電容計算不穩定問題；支持開路補償與漏電校準，測試數據與吉時利 595 準靜態 C V 表具備良好一致性，可開展基于正、反向掃描曲線提取界面陷阱密度 DIT 的相關研究，適合 20pF 以上大容量器件測試。
自 Clarius V1.14 版本起，Force IQSCV 測試程序已集成至吉時利 4200A SCS 配套軟件測試庫，運行該測試功能需使用帶前置放大器的 SMU，是整套測試庫中眾多測試組件之一。
三步完成正向和反向準靜態C-V掃描
進行SiC功率MOSFET測試時，SMU的ForceHI端連接器件柵極，ForceLO端連接短接在一起的漏極和源極。完整測試由三個步驟構成。
預充電階段：SMU 輸出恒定正向電流，將器件電壓從初始狀態充電至用戶設定最大電壓 VMax，本階段采集數據不參與電容計算。
反向掃描：電壓達到 VMax 后切換為負向恒定電流，持續采集器件電壓直至電壓降至 VMin，計算生成反向 C V 曲線 Cr。
正向掃描：再次切換為正向恒定電流，器件電壓由 VMin 回升至 VMax，得到正向 C V 曲線 Cf。
通過施加正負恒定電流，可以在一次測試流程中獲得器件的正向和反向準靜態C-V數據。正反向曲線之間出現的電壓偏移、遲滯或局部峰值，還可以進一步反映器件內部電荷變化。
圖1：Force-IQSCV通過施加正負恒定電流并測量電壓隨時間的變化，分別獲得SiCMOSFET的反向和正向C-V曲線。
在Clarius中建立Force-IQSCV測試
從ClariusV1.14開始，Force-IQSCV測試已包含在4200A-SCS附帶的軟件測試庫中。用戶可以在Clarius測試庫中搜索“force-IQSCV”或“qscv”，并根據測試對象選擇：sic-mosfet-force-i-qscv，用于SiCMOSFET；sic-moscap-force-i-qscv，用于SiCMOS電容。
用戶也可以通過UTM自定義測試，并調用QSCVulib用戶庫中的force_current_CV模塊，建立適用于其他器件的測試項目。在配置界面中，主要需要設置SMU、施加電流、限壓、最大和最小測試電壓、最大測試時間、PLC積分時間等參數。同時，還可以根據測試需求啟用漏電校準、電容偏移和開路補償。
圖2：Clarius集成了SiCMOSFET及MOS電容的Force-IQSCV測試庫，并支持測試電流、掃描電壓、PLC及校準方式配置。
施加電流不是越大越好
對于SiCMOSFET，測試電流通常位于數百皮安至納安范圍。測試電流過低，器件充放電速度較慢，整個測量過程可能持續很長時間；測試電流過高，則可能僅采集少量數據點便達到限壓，使測試提前終止。可將測試電流初步設置為待測最大電容數值的大約三分之一。例如，若預計最大電容約為2.4nF，則可以從約800pA的施加電流開始測試，再根據結果進行調整。
PLC決定噪聲與測試速度的平衡
PLC參數用于調整測量積分時間，可以設置在0.01至10之間，通常使用1至6。增加PLC可以降低噪聲，但也會延長測試時間，并改變相鄰測量點之間的電壓步長。為了獲得較好的曲線分辨率，電壓步長建議保持在50至100mV之間。
由于Force-IQSCV需要測量很小的電荷，對器件和測試連接進行靜電屏蔽也非常重要。該方法的最小可測電容約為10至20pF，但更適合電容處于nF范圍的SiC器件。
漏電與測試夾具電容如何影響測試結果？
在理想情況下，SMU施加的電流主要用于器件電容充放電。但實際SiC器件可能存在一定漏電流。如果漏電流在總施加電流中的占比過高，直接計算得到的電容便會產生誤差。
Clarius提供漏電校準功能。啟用后，軟件首先利用恒定電流生成正向和反向C-V曲線，然后在對應電壓點測量漏電流，最后根據測得的漏電流校正電容結果。
需要注意的是，用于器件充放電的位移電流必須高于漏電流，否則無法可靠完成校準。若校準后的曲線仍然存在較明顯噪聲，可以適當提高施加電流后重新測試。經過校準后，正向和反向曲線的整體關系更加清晰，能夠降低漏電對結果的影響。
未進行漏電校準的正向和反向C-V曲線； 進行漏電校準后的正向和反向C-V曲線。
圖3：對每個電壓點的漏電流進行測量和校正，可以降低器件漏電對Force-IQSCV結果的影響。
除了器件漏電，電纜、測試夾具和探針自身的寄生電容也會給測試結果帶來固定偏移。Clarius提供電容偏移和開路補償功能。執行開路補償時，需要先移除DUT或抬起探針，在開路狀態下測得測試系統的平均寄生電容；重新連接器件后，軟件再從后續結果中減去該偏移。不過，對于電容達到nF量級的SiC器件，電纜和夾具通常只有數十pF，因此開路補償不一定總是必要。是否啟用應根據器件電容和所需測試精度確定。
從電壓-時間數據到完整的正反向C-V曲線
完成測試后，Clarius分析界面會同時顯示兩類結果：
左側為器件電壓隨時間變化的曲線，可以看到從VMax下降到VMin，再重新回到VMax的完整掃描過程；右側為推導得到的反向和正向C-V曲線。測試示例采用8×10?1?A的施加電流和4PLC，獲得的電壓步長接近80mV。結果顯示，正向和反向曲線之間存在明顯的電壓偏移和局部峰值。
這些現象并不一定是測量錯誤。它們可能與器件內部陷阱電荷、可動離子電荷或器件結構相關的電荷移動有關。
圖4：Clarius可同時顯示電壓隨時間的變化以及正向、反向準靜態C-V曲線，便于觀察掃描遲滯和局部峰值。
Force-IQSCV測量結果是否可靠？
為了驗證Force-IQSCV方法，將其結果分別與Keithley595準靜態C-V表和高頻C-V測量進行了比較。Keithley595采用反饋電荷方法推導電容，過去曾廣泛用于準靜態C-V測量。在SiCMOS電容上，595和Force-IQSCV方法獲得的正向及反向曲線基本重合。在封裝SiCMOSFET測試中，兩種方法得到的曲線同樣具有較好的相關性，并且Force-IQSCV曲線表現出更低的噪聲。
圖5：Force-IQSCV與Keithley595準靜態C-V結果具有良好相關性，并在該封裝SiCMOSFET示例中表現出更低噪聲。
通過使用4200A-SCS的4215-CVU電容電壓單元進行了高頻C-V測試。準靜態正向和反向曲線中的電壓偏移和局部峰值，在高頻C-V曲線中并未出現。這說明準靜態與高頻C-V觀察到的器件響應并不完全相同，兩種方法能夠從不同角度反映器件特性。
圖6：高頻C-V曲線中未出現準靜態掃描所觀察到的偏移和局部峰值，反映不同測試頻率下的器件響應差異。
利用正反向掃描分析內部電荷與界面陷阱
Force-IQSCV的價值不僅是獲得一條準靜態C-V曲線，還在于它能夠準確記錄施加給器件的總電荷，并同時獲取正向和反向掃描數據。對于SiCMOSFET，器件內部電荷會造成正向和反向曲線在柵極電壓軸上發生偏移。直接在相同柵極電壓Vg下比較兩條曲線，并不能準確反映SiC/SiO?界面的狀態。
因此，將正向和反向C-V曲線轉換為表面電勢Vs的函數：Vs=Vg-Vox。其中：Vox=Q/Cox，Vg為柵極端電壓，Q為SMU提供給器件的總電荷，Cox為氧化層電容。
通過扣除氧化層上的電壓，可以校準正反向曲線之間由內部電荷造成的整體電壓偏移，使兩條曲線能夠在相同表面電勢下進行比較。
帶表面電勢Vs的SiCMOS器件連接及電壓關系； 正反向電容隨界面電壓變化的曲線。
圖7：將C-V曲線從柵極電壓轉換為表面電勢，有助于校正SiCMOS器件內部電荷引起的電壓偏移。
在相同表面電勢下對正向和反向電容進行插值后，再從測得電容中去除氧化層電容Cox，可以獲得更直接反映器件界面響應的電容分量。最后，根據校正后的正向和反向曲線差異，可以計算由陷阱電荷引起的界面陷阱電容CIT，并進一步推導界面陷阱密度DIT。
圖8：正向和反向準靜態C-V曲線的差分分析，為提取SiCMOS器件的界面陷阱電容和界面陷阱密度提供了直接路徑。
需要注意的是，對于SiCMOS電容的DIT測量，通常還需要結合高頻和低頻數據，并確保兩類測試使用相同的電壓差。作者仍在繼續研究利用Force-IQSCV提取SiCMOS電容和MOSFETDIT的方法，因此正式傳播時不建議將其描述為適用于所有器件的成熟標準化流程。
結語
Force-IQSCV為SiCMOS器件的準靜態C-V測量提供了一種不同于傳統電壓步進方法的測試路徑。通過一個帶前置放大器的SMU施加正負恒定電流，4200A-SCS可獲取器件電壓隨時間的變化，并推導正向和反向C-V曲線。恒定電流有助于使測試系統保持穩定，并能夠準確記錄提供給器件的總電荷。
結合Clarius內置測試庫、漏電校準、開路補償和參數分析功能，工程師不僅能夠獲得SiCMOSFET和MOS電容的準靜態C-V特性，還可以進一步觀察正反向掃描之間的偏移和峰值，分析器件內部電荷，并探索界面陷阱密度的提取。
測試結果還表明，Force-IQSCV與Keithley595準靜態C-V方法具有良好的結果相關性，并能夠與4215-CVU高頻C-V測量形成互補，為SiC器件的材料研究、工藝優化和可靠性分析提供更加完整的數據基礎。
