解鎖4H-SiC外延片潛力-MDP 技術(shù)的突破性應(yīng)用
在半導(dǎo)體器件性能參數(shù)中，少數(shù)載流子壽命占據(jù)核心地位，尤其在SiC應(yīng)用于高壓器件時(shí)，其對(duì)整體性能起著決定性作用。通過控制載流子壽命，能顯著提升器件在不同場(chǎng)景下的表現(xiàn)。然而，4H-SiC外延層中，載流子壽命受多種復(fù)雜因素制約，外延層表面、與襯底的界面、外延層自身以及襯底都會(huì)影響載流子復(fù)合。同時(shí)，測(cè)量條件的差異，如激發(fā)波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化，也會(huì)干擾有效載流子壽命的準(zhǔn)確測(cè)定。這使得精準(zhǔn)把握載流子壽命變得極具挑戰(zhàn)性，亟待創(chuàng)新的測(cè)量方法與技術(shù)來突破困境。
研究采用的MDP技術(shù)（微波探測(cè)光電導(dǎo)衰減技術(shù)），依托 Freiberg Instrument 的MDPmap設(shè)備開展測(cè)量工作。該設(shè)備具備卓越性能，其微波頻率為9.4 GHz，在測(cè)量過程中展現(xiàn)出強(qiáng)大的穿透能力，即使對(duì)于激發(fā)電荷載流子濃度達(dá)1017 cm-3。
實(shí)驗(yàn)選用的4H-SiC外延層樣品，厚度范圍 12 – 62 μm，均生長(zhǎng)在350μm 厚、電阻率約 0.02 Ω?cm 的n+ 4H-SiC。且統(tǒng)一為n型摻雜，摻雜濃度處于1014至1015 cm-3區(qū)間，在測(cè)量環(huán)節(jié)，MDP與 TRPL（時(shí)間分辨熒光測(cè)量- time-resolved PL）測(cè)量均在高注入條件下進(jìn)行，使用同一臺(tái)激光器產(chǎn)生的 3ns 脈沖（337nm，對(duì)應(yīng)注入水平約1 ~ 5×1017 cm-3)作為激發(fā)光源確保兩種技術(shù)處于相同的激發(fā)條件，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可比性。
圖 1. 在3 ns激光脈沖進(jìn)行光激發(fā)后，對(duì) 55 µm 厚的 4H-SiC 外延層進(jìn)行 MDP（黑色跡線）和 PL（藍(lán)色：PL 處的 NBE nm 391；綠色：510 nm 處的缺陷）測(cè)量的歸一化信號(hào)。室溫下的測(cè)量關(guān)聯(lián)：研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于厚度大于22μm的外延層，近帶邊發(fā)射（NBE）光致發(fā)光壽命的較長(zhǎng)成分與 MDP 壽命呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)趨勢(shì)。這一現(xiàn)象表明，在這類外延層中，MDP 衰減主要由少數(shù)載流子壽命主導(dǎo)。而對(duì)于厚度小于17μm的薄外延層，NBE衰減特性因靠近襯底而變得復(fù)雜，受襯底影響顯著。不過，其缺陷光致發(fā)光衰減時(shí)間卻與MDP壽命高度匹配。這一發(fā)現(xiàn)得益于MDP技術(shù)對(duì)襯底干擾的低敏感性，F(xiàn)reiberg Instrument的 MDPmap設(shè)備憑借高靈敏度和精準(zhǔn)度，成功捕捉到了這些細(xì)微差異，為深入理解薄外延層載流子復(fù)合機(jī)制提供了關(guān)鍵線索。
圖 2. 室溫 PL 衰減時(shí)間常數(shù)（藍(lán)色方塊：391 nm PL（NBE）較長(zhǎng)衰減時(shí)間；綠色圓圈：510 nm 缺陷 PL 較長(zhǎng)衰減時(shí)間）與MDP衰減時(shí)間常數(shù)的相關(guān)性，適用于幾種（a）“厚”（11個(gè)樣品，主要厚度為 55 µm，但也包括 22.4 至 62.2 µm 的樣品）和（b）“薄”（11個(gè)樣品，厚度范圍為 11 至 16 µm，其中大多數(shù)具有12 或15 µm）4H-SiC 外延層。對(duì)角線是視覺引導(dǎo)，表示PL和MDP時(shí)間常數(shù)之間的 1:1相關(guān)性。在溫度依賴特性研究方面，MDP 技術(shù)與 Freiberg Instrument 的設(shè)備再次發(fā)揮關(guān)鍵作用。對(duì)于厚外延層，在72 - 293K的溫度區(qū)間內(nèi)，NBE信號(hào)衰減特性隨溫度變化呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。在低溫段，主要以約150ns的與溫度無關(guān)的單指數(shù)衰減為主；當(dāng)溫度超過250K時(shí)，遵循少數(shù)載流子壽命的較慢成分開始凸顯。同時(shí)，缺陷光致發(fā)光衰減和MDP衰減也呈現(xiàn)出復(fù)雜的多成分特征，且各成分隨溫度變化呈現(xiàn)不同趨勢(shì)。薄外延層的NBE衰減同樣受溫度影響明顯，隨著溫度升高，熱激活載流子擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致襯底和表面的載流子復(fù)合貢獻(xiàn)增加，NBE衰減特性發(fā)生顯著變化。而MDP衰減在薄外延層中與厚外延層具有相似的溫度相關(guān)特征，盡管由于樣品體積較小導(dǎo)致信噪比降低，但Freiberg Instrument的設(shè)備依然穩(wěn)定采集到有效數(shù)據(jù)，確保研究順利進(jìn)行。
圖 3. (a) 55 µm 和 (b) 12 µm 外延層的MDP和PL衰減時(shí)間常數(shù)的溫度依賴性。研究意義與應(yīng)用展望：本研究借助Freiberg Instrument的MDPmap設(shè)備與MDP技術(shù)，清晰地揭示了4H-SiC外延層中載流子壽命的特性。研究表明，MDP信號(hào)衰減由與少數(shù)載流子壽命相關(guān)的快速衰減部分和受溫度影響的慢速成分構(gòu)成，且與NBE相比，MDP和缺陷光致發(fā)光衰減受襯底載流子復(fù)合干擾更小，更適合用于研究薄4H-SiC外延層的載流子壽命。這一成果不僅加深了科研人員對(duì)4H-SiC外延層載流子復(fù)合機(jī)制的理解，也為半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要理論依據(jù)。
該文章翻譯于Institute of Applied Physics和Freiberg Instruments等機(jī)構(gòu)共同研究的工作。
研究采用的MDP技術(shù)（微波探測(cè)光電導(dǎo)衰減技術(shù)），依托 Freiberg Instrument 的MDPmap設(shè)備開展測(cè)量工作。該設(shè)備具備卓越性能，其微波頻率為9.4 GHz，在測(cè)量過程中展現(xiàn)出強(qiáng)大的穿透能力，即使對(duì)于激發(fā)電荷載流子濃度達(dá)1017 cm-3。
實(shí)驗(yàn)選用的4H-SiC外延層樣品，厚度范圍 12 – 62 μm，均生長(zhǎng)在350μm 厚、電阻率約 0.02 Ω?cm 的n+ 4H-SiC。且統(tǒng)一為n型摻雜，摻雜濃度處于1014至1015 cm-3區(qū)間，在測(cè)量環(huán)節(jié)，MDP與 TRPL（時(shí)間分辨熒光測(cè)量- time-resolved PL）測(cè)量均在高注入條件下進(jìn)行，使用同一臺(tái)激光器產(chǎn)生的 3ns 脈沖（337nm，對(duì)應(yīng)注入水平約1 ~ 5×1017 cm-3)作為激發(fā)光源確保兩種技術(shù)處于相同的激發(fā)條件，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可比性。
圖 1. 在3 ns激光脈沖進(jìn)行光激發(fā)后，對(duì) 55 µm 厚的 4H-SiC 外延層進(jìn)行 MDP（黑色跡線）和 PL（藍(lán)色：PL 處的 NBE nm 391；綠色：510 nm 處的缺陷）測(cè)量的歸一化信號(hào)。室溫下的測(cè)量關(guān)聯(lián)：研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于厚度大于22μm的外延層，近帶邊發(fā)射（NBE）光致發(fā)光壽命的較長(zhǎng)成分與 MDP 壽命呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)趨勢(shì)。這一現(xiàn)象表明，在這類外延層中，MDP 衰減主要由少數(shù)載流子壽命主導(dǎo)。而對(duì)于厚度小于17μm的薄外延層，NBE衰減特性因靠近襯底而變得復(fù)雜，受襯底影響顯著。不過，其缺陷光致發(fā)光衰減時(shí)間卻與MDP壽命高度匹配。這一發(fā)現(xiàn)得益于MDP技術(shù)對(duì)襯底干擾的低敏感性，F(xiàn)reiberg Instrument的 MDPmap設(shè)備憑借高靈敏度和精準(zhǔn)度，成功捕捉到了這些細(xì)微差異，為深入理解薄外延層載流子復(fù)合機(jī)制提供了關(guān)鍵線索。圖 2. 室溫 PL 衰減時(shí)間常數(shù)（藍(lán)色方塊：391 nm PL（NBE）較長(zhǎng)衰減時(shí)間；綠色圓圈：510 nm 缺陷 PL 較長(zhǎng)衰減時(shí)間）與MDP衰減時(shí)間常數(shù)的相關(guān)性，適用于幾種（a）“厚”（11個(gè)樣品，主要厚度為 55 µm，但也包括 22.4 至 62.2 µm 的樣品）和（b）“薄”（11個(gè)樣品，厚度范圍為 11 至 16 µm，其中大多數(shù)具有12 或15 µm）4H-SiC 外延層。對(duì)角線是視覺引導(dǎo)，表示PL和MDP時(shí)間常數(shù)之間的 1:1相關(guān)性。在溫度依賴特性研究方面，MDP 技術(shù)與 Freiberg Instrument 的設(shè)備再次發(fā)揮關(guān)鍵作用。對(duì)于厚外延層，在72 - 293K的溫度區(qū)間內(nèi)，NBE信號(hào)衰減特性隨溫度變化呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。在低溫段，主要以約150ns的與溫度無關(guān)的單指數(shù)衰減為主；當(dāng)溫度超過250K時(shí)，遵循少數(shù)載流子壽命的較慢成分開始凸顯。同時(shí)，缺陷光致發(fā)光衰減和MDP衰減也呈現(xiàn)出復(fù)雜的多成分特征，且各成分隨溫度變化呈現(xiàn)不同趨勢(shì)。薄外延層的NBE衰減同樣受溫度影響明顯，隨著溫度升高，熱激活載流子擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致襯底和表面的載流子復(fù)合貢獻(xiàn)增加，NBE衰減特性發(fā)生顯著變化。而MDP衰減在薄外延層中與厚外延層具有相似的溫度相關(guān)特征，盡管由于樣品體積較小導(dǎo)致信噪比降低，但Freiberg Instrument的設(shè)備依然穩(wěn)定采集到有效數(shù)據(jù)，確保研究順利進(jìn)行。圖 3. (a) 55 µm 和 (b) 12 µm 外延層的MDP和PL衰減時(shí)間常數(shù)的溫度依賴性。研究意義與應(yīng)用展望：本研究借助Freiberg Instrument的MDPmap設(shè)備與MDP技術(shù)，清晰地揭示了4H-SiC外延層中載流子壽命的特性。研究表明，MDP信號(hào)衰減由與少數(shù)載流子壽命相關(guān)的快速衰減部分和受溫度影響的慢速成分構(gòu)成，且與NBE相比，MDP和缺陷光致發(fā)光衰減受襯底載流子復(fù)合干擾更小，更適合用于研究薄4H-SiC外延層的載流子壽命。這一成果不僅加深了科研人員對(duì)4H-SiC外延層載流子復(fù)合機(jī)制的理解，也為半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要理論依據(jù)。該文章翻譯于Institute of Applied Physics和Freiberg Instruments等機(jī)構(gòu)共同研究的工作。