P型4H-SiC少數載流子壽命的研究

高冬美，陸綺榮，韋艷冰，黃 彬

（1.桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學現代教育技術中心，廣西 桂林 541004）

0 引言

由于其突出的化學和熱穩定性，優良的熱電導率和高擊穿場，碳化硅突破了以硅為基礎的技術理論局限性，已成為高功率微波器件和高壓開關設備的重要物質基礎。因為4H-SiC的優良性能，所以在所有的SiC多型體中4H-SiC引起人們的廣泛關注，國外有不少文獻報道了對其性能的研究[1-2]。少數載流子壽命是半導體材料和半導體器件的一個重要參數，直接反映了材料的質量以及器件的特性是否符合要求。對于主要是依靠少數載流子輸運（擴散為主）來工作的雙極型半導體器件，為了保證少數載流子在基區的復合盡量少（以獲得較大的電流放大系數），要求基區的少數載流子壽命越長越好。而對IGBT開關器件，則壽命減少的直接效果使器件拖尾延遲變小，開關速度提高。目前國內對碳化硅材料和器件的研究正處于起步階段，因此，研究4H-SiC的少數載流子壽命，是評價其晶體質量的一個重要方法，對半導體器件的研制也具有重要意義。

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

1 理論基礎

少數載流子壽命即是P型半導體中的電子或者N型半導體中的空穴在導帶停留的平均時間。處于熱平衡狀態的半導體，在一定溫度下，載流子濃度是一定的。當半導體受外界（光或電的）作用，熱平衡狀態被破壞，載流子濃度發生變化，產生非平衡載流子（過剩載流子）。外界作用消失后，非平衡載流子逐漸消失，也就是原來激發到導帶的電子又回到價帶，電子-空穴對又成對消失。直至最后，載流子濃度恢復到平衡時的值，半導體又回到了平衡狀態。由于相對于非平衡多數載流子，非平衡少數載流子的影響處于主導的，決定的地位，因而非平衡載流子的壽命常稱為少數載流子壽命。

半導體內的非平衡載流子濃度是按指數規律衰減[3]，即

所以非平衡載流子濃度減小到初始值的e-1所經歷的時間即為少數載流子壽命，用τ表示。由于載流子濃度變化與半導體材料的電壓變化成正比，一般為了方便測量，將測量載流子濃度轉化為測量半導體材料的電壓變化，這樣將能更直觀方便地把電壓變化趨勢通過示波器等實驗器材顯示。

隨著激光和微波技術的飛速發展，將激光作為光源應用在半導體材料測試中，使得載流子壽命的測試更加方便快捷。

2 實驗裝置

微波光電導技術是通過測試從樣品表面發射的微波功率隨時間變化曲線來記錄光電導的衰減，其測試系統示意圖如圖1所示。系統包括激光脈沖光源、微波源、環形器（將微波反射功率從入射的微波功率中分離）以及一個檢測器和顯示裝置。YAG激光泵浦源作為樣品的注入光源，可在半導體材料中激發過剩載流子，改變樣品的導電性；微波源給出探測信號，檢測半導體材料的光電導，微波經樣品反射后進人檢測器。微波反射探測器檢測是通過波導環行連接，微波反射強度轉換為電信號，以便在示波器中輸出電壓的變化曲線。

圖1 微波光電導衰減法測試系統示意圖

3 實驗與結果討論

3.1 實驗

實驗中，10GHz的Gunn二極管作為微波源，其探測功率為20mW；波長為355nm的YAG激光器作為激發光源；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樣品中的少數載流子，當光激發快速停止時，載流子開始復合，其濃度呈指數衰減。非平衡載流子濃度衰減趨勢及擬合曲線如圖 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）保護氣中作退火1h3h5h處理。經過不同時間退火處理后的樣品，再用該μ-PCD測試系統進行測量，其非平衡載流子濃度衰減趨勢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規律衰減的，利用LabVIEW的數學分析功能[4]，可以方便地將測試數據進行指數擬和。指數擬和得到的指數因子系數β與半導體材料的少數載流子壽命τ的關系為τ=-1/β，因此可以很方便地得到少數載流子的擬合壽命。

圖2中的所有圖的縱坐標都作了歸一化處理。入射激光停止前的某時刻，非平衡載流子濃度達到最大值，其電壓幅度最大，以此時濃度為標準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，電壓幅值也相應減小，將該時刻與t=0時刻的載流子濃度進行比例計算，就可得出此時的相對濃度。因此，從停止入射激光到載流子濃度恢復平衡態，非平衡載流子的相對濃度恰好落在0～1區間。

由圖2中的測試與擬合曲線對比中可以看出，測試結果擬合良好。經過不同方法處理的樣品載流子壽命測試與擬合結果列于表1中。通過實驗結果數據可以明顯看出，高溫退火可以提高載流子壽命，其測量誤差均在5%以內。

3.2 高溫退火對少數載流子壽命的影響

半導體中的雜質和缺陷在禁帶中形成一定的深能級，它們除了影響半導體的電特性外，對非平衡載流子的壽命也有很大的影響。因為缺陷可以捕獲移動電荷載體（電子或空穴），雜質和缺陷有促進復合的作用，雜質越多，晶格缺陷越多，少數載流子壽命也就越短，從而導致重要電性能的退化[5]。高溫退火對于修復注入引起的晶格損傷缺陷及激活雜質起到至關重要的作用。

圖2 測試結果與擬合曲線對比

表1 不同退火時間的載流子測試壽命

在P型4H-SiC中有超過2個的少量載流子勢阱存在[6]，它們的能級分散在Ec-0.16 eV附近，但是高溫退火使其不再穩定，隨著退火時間的增長，其缺陷可能會減少或消退。因此經過高溫退火后的晶片，其少數載流子壽命增加。

4 結束語

該文應用μ-PCD系統測量P型4H-SiC晶圓中的少數載流子壽命，通過實驗說明了經過高溫退火處理的晶圓其少數載流子壽命的變化，并且用LabVIEW軟件進行數據擬合。結果表明測量結果擬合較好，該測試方法快捷、準確。

通過對高溫退火前后P型4H-SiC材料的少數載流子壽命的研究，說明其少子壽命除了受表面復合的影響外，還跟其體內的缺陷和雜質有重大關系。適當的高溫退火可以提高載流子壽命，對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部結構的具體變化還不清楚，這需要通過深能級瞬態譜（DLTS）[7]進行觀察，在以后的過程中將繼續研究。

[1]Galeckas A，Linnros J，Lindstedt M.Characterization of carrier lifetime and diffusivity in 4H-SiC using time-resolved imaging spectroscopy of electroluminescence[J].Materials Science and Engineering，2003（102）：304-307.

[2]Galeckas A，Linnros J，Frischholz M，et al.Investigation of surface recombination and carrier lifetime in 4H/6HSiC[J].Materials Science and Engineering，1999（61-62）：239-243.

[3]楊德仁.半導體材料測試與分析[M].北京：科學出版社，2010.

[4]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5]Klein P B，Shanabrook B V，Huh S W，et al，Lifetime limiting defects in 4H-SiC[J].Materials Science And Technology，2008（3）：173-174.

[6]Kato M，Kawai M，Mori T，et al.Excess carrier lifetime in a bulk p-type 4H-SiC wafer measured by the microwave photoconductivity decay method [J].Japanese Journal of Applied Physics，2007，46（8）：5057-5061.

[7]Lang D V.Deep-level transient spectroscopy：A new method to characterize traps in semiconductors[J].Journal of Applied Physics，1974，45（7）：3024-3032.