应用分享 | MDP在4H-SiC少子寿命中的应用

少数载流子寿命是影响半导体器件性能的基本参数之一，特别是对于应用在高压器件中的SiC来说。对于外延层来说，载流子寿命的主要影响因素是相当复杂的，因为外延层表面、外延层-衬底界面、外延层和衬底这都有助于载流子复合行为。因此如何在样品中获取较准确的载流子寿命成为问题的关键。通过比较不同厚度生长的4H-SiC外延层在相同激发条件下获得的光致发光和光电导衰减测量的时间常数，有助于更好地理解这个问题。实验条件和设备12 ~ 62 µm的4H-SiC外延层通过化学气相沉积在350 µm厚的4H-SiC n+型衬底上(电阻率约为0.05 Ω∙cm)。所有外延层为n型掺杂，载流子浓度为1014~ 1015cm-3。微波检测光电导测量(MDP)以及时间分辨光致发光测量(TR-PL)是在高注入条件下进行测试的，由同一氮激光器发出3 ns的脉冲激发，穿透深度为14 µm。（337 nm，10-50 µJ/脉冲对应于约1 ~ 5∙´ 1017cm-3的注入水平)。其中MDP设备如下图所示。MDPmap: Mono- and Multi-crystalline wafer lifetime measurement device图文解析图1：在55 µm厚的4H-SiC外延层上测量MDP(黑色实线)和PL(蓝色-近带边激发，391 nm；绿色-缺陷光致发光，510 nm)的归一化信号。根据测得信号进行数据拟合，MDP信号显示出单指数衰减，主要受电子和空穴贡献的影响。近带边激发(NBE)衰减(391 nm)信号显示出双指数衰减趋势，其中较慢的分量是归因于少数载流子寿命。与缺陷相关的PL(510 nm)信号显示出更复杂的多指数衰减行为，通常被报道与残留硼或结构缺陷有关。这说明MDP信号较为单纯，直接与载流子寿命相关。图2：4H-SiC外延层室温PL衰减时间常数与MDP衰减信号的相关性。如在图2(a)中所示，厚度d> 22 µm的外延层近带边激发的PL信号的第二分量与MDP寿命之间存在直接相关性的趋势。这表明在所研究的样品中MDP信号衰减受少数载流子寿命的支配。MDP信号计算出的时间常数将被视为与外延层载流子寿命成比例的量度。相比之下，d< 17 µm的薄外延层显示出NBE衰变瞬变的不同特征。在不同的初始急剧下降之后，衰减的时间常数主要约150 ns存在,衰减时间非常短。MDP寿命仍处于与较厚外延层相同的范围内(见图2(b))。NBE衰变信号非常短的原因是这些样品中几乎一半的载流子在衬底中被激发，这导致快速的电子-空穴复合速率。因此，检测到的NBE信号显示了外延层和衬底贡献的复杂叠加。另一方面，由于衬底的迁移率相当低，其电导率约为0.05 Ω∙cm，而MDP信号与光激发的过量载流子浓度和迁移率的乘积成正比，因此MDP信号受外延层特性的强烈支配。这意味着：MDP信号无论是在薄层还是厚层，收集到的基本都是外延层的信号，基板对其的干扰较小。小结对于d> 22 µm的厚外延层，其近带边激发(NBE)衰减信号变现出双指数衰减趋势，其中较慢的分量和载流子寿命相关。而对于较薄的外延层（12 ~ <17 µm），NBE信号主要来自于衬底的贡献，导致非常短的NBE衰减时间。此处，室温下的缺陷PL衰减显示与MDP衰减一致的时间常数。这些结果表明，与NBE相比，MDP对衬底载流子复合的扭曲影响不太敏感，因此通常更适合研究薄4H-SiC外延层中的载流子寿命。参考文献Beyer, Jan, et al. "Minority carrier lifetime measurements on 4H-SiC epiwafers by time-resolved photoluminescence and microwave detected photoconductivity." Materials Science Forum. Vol. 963. Trans Tech Publications Ltd, 2019.https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.963.313应用分享-MDP 在 4H-SiC 少子寿命中的应用 少数载流子寿命是影响半导体器件性能的基本参数之 一 ，特别是对于应用在 高压器件中的 SiC 来说。对于外延层来说，载流子寿命的主要影响因素是相当复 杂的，因为外延层表面、外延层-衬底界面、外延层和衬底这都有助于载流子复合 行为。因此如何在样品中获取较准确的载流子寿命成为问题的关键。通过比较不 同厚度生长的 4H-SiC 外延层在相同激发条件下获得的光致发光和光电导衰减测 量的时间常数，有助于更好地理解这个问题。 实验条件和设备 12~62 um 的 4H-SiC 外延层通过化学气相沉积在 350 um 厚的 4H-SiC n+型 衬底上(电阻率约为0.05 Q.cm)。所有外延层为 n 型掺杂，载流子浓度为1014~1015cm²。 微波检测光电导测量(MDP)以及时间分辨光致发光测量(TR-PL)是在高注入 条件下进行测试的，由同一氮激光器发出 3 ns 的脉冲激发，穿透深度为14 um。(337nm， 10-50uJ/脉冲对应于约1~510'cm³的注入水平)。其中 MDP设备 如下图所示。 MDPmap： Mono- and Multi-crystal l ine wafer lifet i me measurement device 图文解析 图1：在55 um 厚的 4H-SiC 外延层上测量 MDP(黑色实线)和PL(蓝色-近带边激发，391nm； 绿色-缺陷光致发光，510 nm)的归一化信号 。 根据测得信号进行数据拟合， MDP 信号显示出单指数衰减，主要受电子和 空穴贡献的影响。近带边激发(NBE)衰减(391 nm)信号显示出双指数衰减趋势，其中较慢的分量是归因于少数载流子寿命。与缺陷相关的 PL(510nm)信号显示 出更复杂的多指数衰减行为，通常被报道与残留硼或结构缺陷有关。这说明 MDP 信号较为单纯，直接与载流子寿命相关。 图2： 4H-SiC外延层室温 PL 衰减时间常数与 MDP 衰减信号的相关性。 如在图2(a)中所示，厚度d> 22 um 的外延层近带边激发的 PL 信号的第二 分 量 与 MDP 寿命之间存在直接相关性的趋势。这表明在所研究的样品中 MDP 信号衰减受少数载流子寿命的支配。MDP 信号计算出的时间常数将被视为与外 延层载流子寿命成比例的量度。 相比之下， d<17 u.m 的薄外延层显示出 NBE 衰变瞬变的不同特征。在不同 的初始急剧下降之后，衰减的时间常数主要约150 ns 存在，衰减时间非常短。MDP 寿命仍处于与较厚外延层相同的范围内(见图2(b))。 NBE 衰变信号非常短的原因 是这些样品中几乎 一 半的载流子在衬底中被激发，这导致快速的电子-空穴复合 速率。因此，检测到的 NBE 信号显示了外延层和衬底贡献的复杂叠加。另 一 方 面，由于衬底的迁移率相当低，其电导率约为0.05Q·cm， 而 MDP 信号与光激发 的过量载流子浓度和迁移率的乘积成正比，因此 MDP 信号受外延层特性的强烈 支配。这意味着： MDP 信号无论是在薄层还是厚层，收集到的基本都是外延层 的信号，基板对其的干扰较小。 小结 对于 d > 22 um 的厚外延层，其近带边激发(NBE)衰减信号变现出双指数衰 减趋势，其中较慢的分量和载流子寿命相关。而对于较薄的外延层(12~<17um)，NBE 信号主要来自于衬底的贡献，，导致非常短的NBE 衰减时间。此处，室温下 的缺陷 PL 衰减显示与 MDP 衰减一致的时间常数。这些结果表明，与 NBE 相 比， MDP 对衬底载流子复合的扭曲影响不太敏感，因此通常更适合研究薄 4H-SiC 外延层中的载流子寿命。 参考文献 Beyer， Jan， et al."Minority carrier lifetime measurements on 4H-SiC epiwafers by t ime-resolved photoluminescence and microwave detected photoconductivity." Materials Science Forum. Vol. 963. Trans Tech Publications Ltd， 2019. https：//doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.963.313