少數(shù)載流子壽命是影響半導(dǎo)體器件性能的基本參數(shù)之一，特別是對(duì)于應(yīng)用在高壓器件中的SiC來說。對(duì)于外延層來說，載流子壽命的主要影響因素是相當(dāng)復(fù)雜的，因?yàn)橥庋訉颖砻?、外延?襯底界面、外延層和襯底這都有助于載流子復(fù)合行為。因此如何在樣品中獲取較準(zhǔn)確的載流子壽命成為問題的關(guān)鍵。通過比較不同厚度生長(zhǎng)的4H-SiC外延層在相同激發(fā)條件下獲得的光致發(fā)光和光電導(dǎo)衰減測(cè)量的時(shí)間常數(shù)，有助于更好地理解這個(gè)問題。
實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備
12 ~ 62 µm的4H-SiC外延層通過化學(xué)氣相沉積在350 µm厚的4H-SiC n+型襯底上(電阻率約為0.05 Ω?cm)。所有外延層為n型摻雜，載流子濃度為1014~ 1015cm-3。
微波檢測(cè)光電導(dǎo)測(cè)量(MDP)以及時(shí)間分辨光致發(fā)光測(cè)量(TR-PL)是在高注入條件下進(jìn)行測(cè)試的，由同一氮激光器發(fā)出3 ns的脈沖激發(fā)，穿透深度為14 µm。（337 nm，10-50 µJ/脈沖對(duì)應(yīng)于約1 ~ 5?′ 1017cm-3的注入水平)。其中MDP設(shè)備如下圖所示。
MDPmap: Mono- and Multi-crystalline wafer lifetime measurement device
圖文解析
圖1：在55 µm厚的4H-SiC外延層上測(cè)量MDP(黑色實(shí)線)和PL(藍(lán)色-近帶邊激發(fā)，391 nm；綠色-缺陷光致發(fā)光，510 nm)的歸一化信號(hào)。
根據(jù)測(cè)得信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，MDP信號(hào)顯示出單指數(shù)衰減，主要受電子和空穴貢獻(xiàn)的影響。近帶邊激發(fā)(NBE)衰減(391 nm)信號(hào)顯示出雙指數(shù)衰減趨勢(shì)，其中較慢的分量是歸因于少數(shù)載流子壽命。與缺陷相關(guān)的PL(510 nm)信號(hào)顯示出更復(fù)雜的多指數(shù)衰減行為，通常被報(bào)道與殘留硼或結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)。這說明MDP信號(hào)較為單純，直接與載流子壽命相關(guān)。
圖2：4H-SiC外延層室溫PL衰減時(shí)間常數(shù)與MDP衰減信號(hào)的相關(guān)性。
如在圖2(a)中所示，厚度d> 22 µm的外延層近帶邊激發(fā)的PL信號(hào)的第二分量與MDP壽命之間存在直接相關(guān)性的趨勢(shì)。這表明在所研究的樣品中MDP信號(hào)衰減受少數(shù)載流子壽命的支配。MDP信號(hào)計(jì)算出的時(shí)間常數(shù)將被視為與外延層載流子壽命成比例的量度。
相比之下，d< 17 µm的薄外延層顯示出NBE衰變瞬變的不同特征。在不同的初始急劇下降之后，衰減的時(shí)間常數(shù)主要約150 ns存在,衰減時(shí)間非常短。MDP壽命仍處于與較厚外延層相同的范圍內(nèi)(見圖2(b))。NBE衰變信號(hào)非常短的原因是這些樣品中幾乎一半的載流子在襯底中被激發(fā)，這導(dǎo)致快速的電子-空穴復(fù)合速率。因此，檢測(cè)到的NBE信號(hào)顯示了外延層和襯底貢獻(xiàn)的復(fù)雜疊加。另一方面，由于襯底的遷移率相當(dāng)?shù)停潆妼?dǎo)率約為0.05 Ω?cm，而MDP信號(hào)與光激發(fā)的過量載流子濃度和遷移率的乘積成正比，因此MDP信號(hào)受外延層特性的強(qiáng)烈支配。這意味著：MDP信號(hào)無論是在薄層還是厚層，收集到的基本都是外延層的信號(hào)，基板對(duì)其的干擾較小。
小結(jié)
對(duì)于d> 22 µm的厚外延層，其近帶邊激發(fā)(NBE)衰減信號(hào)變現(xiàn)出雙指數(shù)衰減趨勢(shì)，其中較慢的分量和載流子壽命相關(guān)。而對(duì)于較薄的外延層（12 ~ <17 µm），NBE信號(hào)主要來自于襯底的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致非常短的NBE衰減時(shí)間。此處，室溫下的缺陷PL衰減顯示與MDP衰減一致的時(shí)間常數(shù)。這些結(jié)果表明，與NBE相比，MDP對(duì)襯底載流子復(fù)合的扭曲影響不太敏感，因此通常更適合研究薄4H-SiC外延層中的載流子壽命。
參考文獻(xiàn)
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
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