电容 - 电压（C - V）测量作为半导体材料与器件工艺表征的重要手段，在 MOS 器件分析中有着广泛应用。通过 C - V 测试数据，能够提取氧化物可动电荷、氧化层电容、界面陷阱、掺杂分布、平带电压、掺杂浓度、少数载流子寿命以及输入输出电容等多项关键器件参数。
传统准静态 C - V 测试大多依靠源测量单元（SMU）输出步进电压、采集响应电流来完成测试，此方案在硅基 MOS 器件测试中表现良好。然而，针对碳化硅（SiC）MOS 器件，因其器件本身电容偏大，基于测电流的传统准静态方案容易出现测试结果失稳的问题。为解决传统准静态测试中步进电压、电流采集带来的各类弊端，吉时利 4200A - SCS 参数分析仪推出恒流激励准静态 C - V（Force IQSCV）测试技术。该技术对被测器件施加恒定电流，采集电压与时间信息，进而换算得到电容值。该技术用于 SiC 功率 MOS 器件测试具备多项优势，仅需单台配置前置放大器的 SMU 模块，测试速度更快，易于建立器件稳态条件，解决低输出阻抗模式下电容计算不稳定问题；支持开路补偿与漏电校准，测试数据与吉时利 595 准静态 C - V 表具备良好一致性，可开展基于正、反向扫描曲线提取界面陷阱密度 DIT 的相关研究，适合 20pF 以上大容量器件测试。自 Clarius V1.14 版本起，Force IQSCV 测试程序已集成至吉时利 4200A - SCS 配套软件测试库，运行该测试功能需使用带前置放大器的 SMU，是整套测试库中众多测试组件之一。
三步完成正向和反向准静态 C - V 扫描
进行 SiC 功率 MOSFET 测试时，SMU 的 ForceHI 端连接器件栅极，ForceLO 端连接短接在一起的漏极和源极。完整测试由三个步骤构成。
预充电阶段：SMU 输出恒定正向电流，将器件电压从初始状态充电至用户设定电压 VMax，本阶段采集数据不参与电容计算。
反向扫描：电压达到 VMax 后切换为负向恒定电流，持续采集器件电压直至电压降至 VMin，计算生成反向 C - V 曲线 Cr。
正向扫描：再次切换为正向恒定电流，器件电压由 VMin 回升至 VMax，得到正向 C - V 曲线 Cf。
通过施加正负恒定电流，可以在测试流程中获得器件的正向和反向准静态 C - V 数据。正反向曲线之间出现的电压偏移、迟滞或局部峰值，还可以进一步反映器件内部电荷变化。
图 1：Force - IQSCV 通过施加正负恒定电流并测量电压随时间的变化，分别获得 SiCMOSFET 的反向和正向 C - V 曲线。
在 Clarius 中建立 Force - IQSCV 测试
从 Clarius V1.14 开始，Force - IQSCV 测试已包含在 4200A - SCS 附带的软件测试库中。用户可以在 Clarius 测试库中搜索 “force - IQSCV” 或 “qscv”，并根据测试对象选择：sic - mosfet - force - i - qscv，用于 SiCMOSFET；sic - moscap - force - i - qscv，用于 SiCMOS 电容。用户也可以通过 UTM 自定义测试，并调用 QSCVulib 用户库中的 force_current_CV 模块，建立适用于其他器件的测试项目。在配置界面中，主要需要设置 SMU、施加电流、限压、和测试电压、测试时间、PLC 积分时间等参数。同时，还可以根据测试需求启用漏电校准、电容偏移和开路补偿。
图 2：Clarius 集成了 SiCMOSFET 及 MOS 电容的 Force - IQSCV 测试库，并支持测试电流、扫描电压、PLC 及校准方式配置。
施加电流不是越大越好
对于 SiCMOSFET，测试电流通常位于数百皮安至纳安范围。测试电流过低，器件充放电速度较慢，整个测量过程可能持续很长时间；测试电流过高，则可能仅采集少量数据点便达到限压，使测试提前终止。可将测试电流初步设置为待测电容数值的大约三分之一。例如，若预计电容约为 2.4nF，则可以从约 800pA 的施加电流开始测试，再根据结果进行调整。
决定噪声与测试速度的平衡
参数用于调整测量积分时间，可以设置在 0.01 至 10 之间，通常使用 1 至 6。增加 PLC 可以降低噪声，但也会延长测试时间，并改变相邻测量点之间的电压步长。为了获得较好的曲线分辨率，电压步长建议保持在 50 至 100mV 之间。由于 Force - IQSCV 需要测量很小的电荷，对器件和测试连接进行静电屏蔽也非常重要。该方法的可测电容约为 10 至 20pF，但更适合电容处于 nF 范围的 SiC 器件。
漏电与测试夹具电容如何影响测试结果？
在理想情况下，SMU 施加的电流主要用于器件电容充放电。但实际 SiC 器件可能存在一定漏电流。如果漏电流在总施加电流中的占比过高，直接计算得到的电容便会产生误差。Clarius 提供漏电校准功能。启用后，软件首先利用恒定电流生成正向和反向 C - V 曲线，然后在对应电压点测量漏电流，根据测得的漏电流校正电容结果。需要注意的是，用于器件充放电的位移电流必须高于漏电流，否则无法可靠完成校准。若校准后的曲线仍然存在较明显噪声，可以适当提高施加电流后重新测试。经过校准后，正向和反向曲线的整体关系更加清晰，能够降低漏电对结果的影响。
未进行漏电校准的正向和反向 C - V 曲线； 进行漏电校准后的正向和反向 C - V 曲线。
图 3：对每个电压点的漏电流进行测量和校正，可以降低器件漏电对 Force - IQSCV 结果的影响。
除了器件漏电，电缆、测试夹具和探针自身的寄生电容也会给测试结果带来固定偏移。Clarius 提供电容偏移和开路补偿功能。执行开路补偿时，需要先移除 DUT 或抬起探针，在开路状态下测得测试系统的平均寄生电容；重新连接器件后，软件再从后续结果中减去该偏移。不过，对于电容达到 nF 量级的 SiC 器件，电缆和夹具通常只有数十 pF，因此开路补偿不一定总是必要。是否启用应根据器件电容和所需测试精度确定。
从电压 - 时间数据到完整的正反向 C - V 曲线
完成测试后，Clarius 分析界面会同时显示两类结果。左侧为器件电压随时间变化的曲线，可以看到从 VMax 下降到 VMin，再重新回到 VMax 的完整扫描过程；右侧为推导得到的反向和正向 C - V 曲线。测试示例采用 8×10???A 的施加电流和 4PLC，获得的电压步长接近 80mV。结果显示，正向和反向曲线之间存在明显的电压偏移和局部峰值。这些现象并不一定是测量错误，它们可能与器件内部陷阱电荷、可动离子电荷或器件结构相关的电荷移动有关。
图 4：Clarius 可同时显示电压随时间的变化以及正向、反向准静态 C - V 曲线，便于观察扫描迟滞和局部峰值。
测量结果是否可靠？
为了验证 Force - IQSCV 方法，将其结果分别与 Keithley595 准静态 C - V 表和高频 C - V 测量进行了比较。Keithley595 采用反馈电荷方法推导电容，过去曾广泛用于准静态 C - V 测量。在 SiCMOS 电容上，595 和 Force - IQSCV 方法获得的正向及反向曲线基本重合。在封装 SiCMOSFET 测试中，两种方法得到的曲线同样具有较好的相关性，并且 Force - IQSCV 曲线表现出更低的噪声。
图 5：Force - IQSCV 与 Keithley595 准静态 C - V 结果具有良好相关性，并在该封装 SiCMOSFET 示例中表现出更低噪声。
通过使用 4200A - SCS 的 4215 - CVU 电容电压单元进行了高频 C - V 测试。准静态正向和反向曲线中的电压偏移和局部峰值，在高频 C - V 曲线中并未出现。这说明准静态与高频 C - V 观察到的器件响应并不完全相同，两种方法能够从不同角度反映器件特性。
图 6：高频 C - V 曲线中未出现准静态扫描所观察到的偏移和局部峰值，反映不同测试频率下的器件响应差异。
利用正反向扫描分析内部电荷与界面陷阱
的价值不仅是获得一条准静态 C - V 曲线，还在于它能够准确记录施加给器件的总电荷，并同时获取正向和反向扫描数据。对于 SiCMOSFET，器件内部电荷会造成正向和反向曲线在栅极电压轴上发生偏移。直接在相同栅极电压 Vg 下比较两条曲线，并不能准确反映 SiC/SiO?界面的状态。因此，将正向和反向 C - V 曲线转换为表面电势 Vs 的函数：Vs = Vg - Vox。其中：Vox = Q/Cox，Vg 为栅极端电压，Q 为 SMU 提供给器件的总电荷，Cox 为氧化层电容。通过扣除氧化层上的电压，可以校准正反向曲线之间由内部电荷造成的整体电压偏移，使两条曲线能够在相同表面电势下进行比较。
带表面电势 Vs 的 SiCMOS 器件连接及电压关系； 正反向电容随界面电压变化的曲线。
图 7：将 C - V 曲线从栅极电压转换为表面电势，有助于校正 SiCMOS 器件内部电荷引起的电压偏移。
在相同表面电势下对正向和反向电容进行插值后，再从测得电容中去除氧化层电容 Cox，可以获得更直接反映器件界面响应的电容分量。，根据校正后的正向和反向曲线差异，可以计算由陷阱电荷引起的界面陷阱电容 CIT，并进一步推导界面陷阱密度 DIT。
图 8：正向和反向准静态 C - V 曲线的差分分析，为提取 SiCMOS 器件的界面陷阱电容和界面陷阱密度提供了直接路径。
需要注意的是，对于 SiCMOS 电容的 DIT 测量，通常还需要结合高频和低频数据，并确保两类测试使用相同的电压差。作者仍在继续研究利用 Force - IQSCV 提取 SiCMOS 电容和 MOSFETDIT 的方法，因此正式传播时不建议将其描述为适用于所有器件的成熟标准化流程。
结语
为 SiCMOS 器件的准静态 C - V 测量提供了一种不同于传统电压步进方法的测试路径。通过一个带前置放大器的 SMU 施加正负恒定电流，4200A - SCS 可获取器件电压随时间的变化，并推导正向和反向 C - V 曲线。恒定电流有助于使测试系统保持稳定，并能够准确记录提供给器件的总电荷。结合 Clarius 内置测试库、漏电校准、开路补偿和参数分析功能，工程师不仅能够获得 SiCMOSFET 和 MOS 电容的准静态 C - V 特性，还可以进一步观察正反向扫描之间的偏移和峰值，分析器件内部电荷，并探索界面陷阱密度的提取。测试结果还表明，Force - IQSCV 与 Keithley595 准静态 C - V 方法具有良好的结果相关性，并能够与 4215 - CVU 高频 C - V 测量形成互补，为 SiC 器件的材料研究、工艺优化和可靠性分析提供更加完整的数据基础。
