P型4H-SiC少數(shù)載流子壽命的研究

高冬美，陸綺榮，韋艷冰，黃 彬

（1.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣西 桂林 541004）

0 引言

由于其突出的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，優(yōu)良的熱電導(dǎo)率和高擊穿場(chǎng)，碳化硅突破了以硅為基礎(chǔ)的技術(shù)理論局限性，已成為高功率微波器件和高壓開關(guān)設(shè)備的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。因?yàn)?H-SiC的優(yōu)良性能，所以在所有的SiC多型體中4H-SiC引起人們的廣泛關(guān)注，國外有不少文獻(xiàn)報(bào)道了對(duì)其性能的研究[1-2]。少數(shù)載流子壽命是半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件的一個(gè)重要參數(shù)，直接反映了材料的質(zhì)量以及器件的特性是否符合要求。對(duì)于主要是依靠少數(shù)載流子輸運(yùn)（擴(kuò)散為主）來工作的雙極型半導(dǎo)體器件，為了保證少數(shù)載流子在基區(qū)的復(fù)合盡量少（以獲得較大的電流放大系數(shù)），要求基區(qū)的少數(shù)載流子壽命越長越好。而對(duì)IGBT開關(guān)器件，則壽命減少的直接效果使器件拖尾延遲變小，開關(guān)速度提高。目前國內(nèi)對(duì)碳化硅材料和器件的研究正處于起步階段，因此，研究4H-SiC的少數(shù)載流子壽命，是評(píng)價(jià)其晶體質(zhì)量的一個(gè)重要方法，對(duì)半導(dǎo)體器件的研制也具有重要意義。

該文用微波光電導(dǎo)率衰減方法（μ-PCD）描述了P型4H-SiC晶片經(jīng)過高溫退火前后載流子壽命的變化，是一種對(duì)載流子壽命沒有接觸和破壞的測(cè)量方法。

1 理論基礎(chǔ)

少數(shù)載流子壽命即是P型半導(dǎo)體中的電子或者N型半導(dǎo)體中的空穴在導(dǎo)帶停留的平均時(shí)間。處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度是一定的。當(dāng)半導(dǎo)體受外界（光或電的）作用，熱平衡狀態(tài)被破壞，載流子濃度發(fā)生變化，產(chǎn)生非平衡載流子（過剩載流子）。外界作用消失后，非平衡載流子逐漸消失，也就是原來激發(fā)到導(dǎo)帶的電子又回到價(jià)帶，電子-空穴對(duì)又成對(duì)消失。直至最后，載流子濃度恢復(fù)到平衡時(shí)的值，半導(dǎo)體又回到了平衡狀態(tài)。由于相對(duì)于非平衡多數(shù)載流子，非平衡少數(shù)載流子的影響處于主導(dǎo)的，決定的地位，因而非平衡載流子的壽命常稱為少數(shù)載流子壽命。

半導(dǎo)體內(nèi)的非平衡載流子濃度是按指數(shù)規(guī)律衰減[3]，即

所以非平衡載流子濃度減小到初始值的e-1所經(jīng)歷的時(shí)間即為少數(shù)載流子壽命，用τ表示。由于載流子濃度變化與半導(dǎo)體材料的電壓變化成正比，一般為了方便測(cè)量，將測(cè)量載流子濃度轉(zhuǎn)化為測(cè)量半導(dǎo)體材料的電壓變化，這樣將能更直觀方便地把電壓變化趨勢(shì)通過示波器等實(shí)驗(yàn)器材顯示。

隨著激光和微波技術(shù)的飛速發(fā)展，將激光作為光源應(yīng)用在半導(dǎo)體材料測(cè)試中，使得載流子壽命的測(cè)試更加方便快捷。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

微波光電導(dǎo)技術(shù)是通過測(cè)試從樣品表面發(fā)射的微波功率隨時(shí)間變化曲線來記錄光電導(dǎo)的衰減，其測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)包括激光脈沖光源、微波源、環(huán)形器（將微波反射功率從入射的微波功率中分離）以及一個(gè)檢測(cè)器和顯示裝置。YAG激光泵浦源作為樣品的注入光源，可在半導(dǎo)體材料中激發(fā)過剩載流子，改變樣品的導(dǎo)電性；微波源給出探測(cè)信號(hào)，檢測(cè)半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)，微波經(jīng)樣品反射后進(jìn)人檢測(cè)器。微波反射探測(cè)器檢測(cè)是通過波導(dǎo)環(huán)行連接，微波反射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便在示波器中輸出電壓的變化曲線。

圖1 微波光電導(dǎo)衰減法測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

3.1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，10GHz的Gunn二極管作為微波源，其探測(cè)功率為20mW；波長為355nm的YAG激光器作為激發(fā)光源；樣品為拋光處理后的P型4H-SiC晶圓；顯示裝置為500MHz LeCory示波器。拋光處理不僅能減小表面復(fù)合的影響，而且能降低表面沾污的影響。先用脈沖激光來激發(fā)樣品中的少數(shù)載流子，當(dāng)光激發(fā)快速停止時(shí)，載流子開始復(fù)合，其濃度呈指數(shù)衰減。非平衡載流子濃度衰減趨勢(shì)及擬合曲線如圖 2（a）所示。

獲得載流子壽命以后，把該晶圓切成幾片，每片約1cm2。分別將這幾片樣品在1000℃的氬氣（1L/min）保護(hù)氣中作退火1h3h5h處理。經(jīng)過不同時(shí)間退火處理后的樣品，再用該μ-PCD測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，其非平衡載流子濃度衰減趨勢(shì)及擬合曲線分別如圖 2（b）、圖 2（c）、圖 2（d）所示。

由式（1）可知載流子濃度是按指數(shù)規(guī)律衰減的，利用LabVIEW的數(shù)學(xué)分析功能[4]，可以方便地將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬和。指數(shù)擬和得到的指數(shù)因子系數(shù)β與半導(dǎo)體材料的少數(shù)載流子壽命τ的關(guān)系為τ=-1/β，因此可以很方便地得到少數(shù)載流子的擬合壽命。

圖2中的所有圖的縱坐標(biāo)都作了歸一化處理。入射激光停止前的某時(shí)刻，非平衡載流子濃度達(dá)到最大值，其電壓幅度最大，以此時(shí)濃度為標(biāo)準(zhǔn)1，t=0。入射激光快速停止后，樣品中的非平衡載流子濃度開始衰減，電壓幅值也相應(yīng)減小，將該時(shí)刻與t=0時(shí)刻的載流子濃度進(jìn)行比例計(jì)算，就可得出此時(shí)的相對(duì)濃度。因此，從停止入射激光到載流子濃度恢復(fù)平衡態(tài)，非平衡載流子的相對(duì)濃度恰好落在0～1區(qū)間。

由圖2中的測(cè)試與擬合曲線對(duì)比中可以看出，測(cè)試結(jié)果擬合良好。經(jīng)過不同方法處理的樣品載流子壽命測(cè)試與擬合結(jié)果列于表1中。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以明顯看出，高溫退火可以提高載流子壽命，其測(cè)量誤差均在5%以內(nèi)。

3.2 高溫退火對(duì)少數(shù)載流子壽命的影響

半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的深能級(jí)，它們除了影響半導(dǎo)體的電特性外，對(duì)非平衡載流子的壽命也有很大的影響。因?yàn)槿毕菘梢圆东@移動(dòng)電荷載體（電子或空穴），雜質(zhì)和缺陷有促進(jìn)復(fù)合的作用，雜質(zhì)越多，晶格缺陷越多，少數(shù)載流子壽命也就越短，從而導(dǎo)致重要電性能的退化[5]。高溫退火對(duì)于修復(fù)注入引起的晶格損傷缺陷及激活雜質(zhì)起到至關(guān)重要的作用。

圖2 測(cè)試結(jié)果與擬合曲線對(duì)比

表1 不同退火時(shí)間的載流子測(cè)試壽命

在P型4H-SiC中有超過2個(gè)的少量載流子勢(shì)阱存在[6]，它們的能級(jí)分散在Ec-0.16 eV附近，但是高溫退火使其不再穩(wěn)定，隨著退火時(shí)間的增長，其缺陷可能會(huì)減少或消退。因此經(jīng)過高溫退火后的晶片，其少數(shù)載流子壽命增加。

4 結(jié)束語

該文應(yīng)用μ-PCD系統(tǒng)測(cè)量P型4H-SiC晶圓中的少數(shù)載流子壽命，通過實(shí)驗(yàn)說明了經(jīng)過高溫退火處理的晶圓其少數(shù)載流子壽命的變化，并且用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。結(jié)果表明測(cè)量結(jié)果擬合較好，該測(cè)試方法快捷、準(zhǔn)確。

通過對(duì)高溫退火前后P型4H-SiC材料的少數(shù)載流子壽命的研究，說明其少子壽命除了受表面復(fù)合的影響外，還跟其體內(nèi)的缺陷和雜質(zhì)有重大關(guān)系。適當(dāng)?shù)母邷赝嘶鹂梢蕴岣咻d流子壽命，對(duì)改善材料的性能有非常重要的意義。但是在退火過程中材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體變化還不清楚，這需要通過深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）[7]進(jìn)行觀察，在以后的過程中將繼續(xù)研究。

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