解鎖4H-SiC外延片潛力-MDP 技術的突破性應用
在半導體器件性能參數中，少數載流子壽命占據核心地位，尤其在SiC應用于高壓器件時，其對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景下的表現。然而，4H-SiC外延層中，載流子壽命受多種復雜因素制約，外延層表面、與襯底的界面、外延層自身以及襯底都會影響載流子復合。同時，測量條件的差異，如激發波長和強度的變化，也會干擾有效載流子壽命的準確測定。這使得精準把握載流子壽命變得極具挑戰性，亟待創新的測量方法與技術來突破困境。
研究采用的MDP技術（微波探測光電導衰減技術），依托 Freiberg Instrument 的MDPmap設備開展測量工作。該設備具備卓越性能，其微波頻率為9.4 GHz，在測量過程中展現出強大的穿透能力，即使對于激發電荷載流子濃度達1017 cm-3。
實驗選用的4H-SiC外延層樣品，厚度范圍 12 – 62 μm，均生長在350μm 厚、電阻率約 0.02 Ω?cm 的n+ 4H-SiC。且統一為n型摻雜，摻雜濃度處于1014至1015 cm-3區間，在測量環節，MDP與 TRPL（時間分辨熒光測量- time-resolved PL）測量均在高注入條件下進行，使用同一臺激光器產生的 3ns 脈沖（337nm，對應注入水平約1 ~ 5×1017 cm-3)作為激發光源確保兩種技術處于相同的激發條件，增強數據的可比性。
圖 1. 在3 ns激光脈沖進行光激發后，對 55 µm 厚的 4H-SiC 外延層進行 MDP（黑色跡線）和 PL（藍色：PL 處的 NBE nm 391；綠色：510 nm 處的缺陷）測量的歸一化信號。室溫下的測量關聯：研究發現，對于厚度大于22μm的外延層，近帶邊發射（NBE）光致發光壽命的較長成分與 MDP 壽命呈現明顯的正相關趨勢。這一現象表明，在這類外延層中，MDP 衰減主要由少數載流子壽命主導。而對于厚度小于17μm的薄外延層，NBE衰減特性因靠近襯底而變得復雜，受襯底影響顯著。不過，其缺陷光致發光衰減時間卻與MDP壽命高度匹配。這一發現得益于MDP技術對襯底干擾的低敏感性，Freiberg Instrument的 MDPmap設備憑借高靈敏度和精準度，成功捕捉到了這些細微差異，為深入理解薄外延層載流子復合機制提供了關鍵線索。
圖 2. 室溫 PL 衰減時間常數（藍色方塊：391 nm PL（NBE）較長衰減時間；綠色圓圈：510 nm 缺陷 PL 較長衰減時間）與MDP衰減時間常數的相關性，適用于幾種（a）“厚”（11個樣品，主要厚度為 55 µm，但也包括 22.4 至 62.2 µm 的樣品）和（b）“薄”（11個樣品，厚度范圍為 11 至 16 µm，其中大多數具有12 或15 µm）4H-SiC 外延層。對角線是視覺引導，表示PL和MDP時間常數之間的 1:1相關性。在溫度依賴特性研究方面，MDP 技術與 Freiberg Instrument 的設備再次發揮關鍵作用。對于厚外延層，在72 - 293K的溫度區間內，NBE信號衰減特性隨溫度變化呈現出明顯規律。在低溫段，主要以約150ns的與溫度無關的單指數衰減為主；當溫度超過250K時，遵循少數載流子壽命的較慢成分開始凸顯。同時，缺陷光致發光衰減和MDP衰減也呈現出復雜的多成分特征，且各成分隨溫度變化呈現不同趨勢。薄外延層的NBE衰減同樣受溫度影響明顯，隨著溫度升高，熱激活載流子擴散加劇，導致襯底和表面的載流子復合貢獻增加，NBE衰減特性發生顯著變化。而MDP衰減在薄外延層中與厚外延層具有相似的溫度相關特征，盡管由于樣品體積較小導致信噪比降低，但Freiberg Instrument的設備依然穩定采集到有效數據，確保研究順利進行。
圖 3. (a) 55 µm 和 (b) 12 µm 外延層的MDP和PL衰減時間常數的溫度依賴性。研究意義與應用展望：本研究借助Freiberg Instrument的MDPmap設備與MDP技術，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信號衰減由與少數載流子壽命相關的快速衰減部分和受溫度影響的慢速成分構成，且與NBE相比，MDP和缺陷光致發光衰減受襯底載流子復合干擾更小，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4H-SiC外延層載流子復合機制的理解，也為半導體器件的設計與優化提供了重要理論依據。
該文章翻譯于Institute of Applied Physics和Freiberg Instruments等機構共同研究的工作。
研究采用的MDP技術（微波探測光電導衰減技術），依托 Freiberg Instrument 的MDPmap設備開展測量工作。該設備具備卓越性能，其微波頻率為9.4 GHz，在測量過程中展現出強大的穿透能力，即使對于激發電荷載流子濃度達1017 cm-3。
實驗選用的4H-SiC外延層樣品，厚度范圍 12 – 62 μm，均生長在350μm 厚、電阻率約 0.02 Ω?cm 的n+ 4H-SiC。且統一為n型摻雜，摻雜濃度處于1014至1015 cm-3區間，在測量環節，MDP與 TRPL（時間分辨熒光測量- time-resolved PL）測量均在高注入條件下進行，使用同一臺激光器產生的 3ns 脈沖（337nm，對應注入水平約1 ~ 5×1017 cm-3)作為激發光源確保兩種技術處于相同的激發條件，增強數據的可比性。
圖 1. 在3 ns激光脈沖進行光激發后，對 55 µm 厚的 4H-SiC 外延層進行 MDP（黑色跡線）和 PL（藍色：PL 處的 NBE nm 391；綠色：510 nm 處的缺陷）測量的歸一化信號。室溫下的測量關聯：研究發現，對于厚度大于22μm的外延層，近帶邊發射（NBE）光致發光壽命的較長成分與 MDP 壽命呈現明顯的正相關趨勢。這一現象表明，在這類外延層中，MDP 衰減主要由少數載流子壽命主導。而對于厚度小于17μm的薄外延層，NBE衰減特性因靠近襯底而變得復雜，受襯底影響顯著。不過，其缺陷光致發光衰減時間卻與MDP壽命高度匹配。這一發現得益于MDP技術對襯底干擾的低敏感性，Freiberg Instrument的 MDPmap設備憑借高靈敏度和精準度，成功捕捉到了這些細微差異，為深入理解薄外延層載流子復合機制提供了關鍵線索。圖 2. 室溫 PL 衰減時間常數（藍色方塊：391 nm PL（NBE）較長衰減時間；綠色圓圈：510 nm 缺陷 PL 較長衰減時間）與MDP衰減時間常數的相關性，適用于幾種（a）“厚”（11個樣品，主要厚度為 55 µm，但也包括 22.4 至 62.2 µm 的樣品）和（b）“薄”（11個樣品，厚度范圍為 11 至 16 µm，其中大多數具有12 或15 µm）4H-SiC 外延層。對角線是視覺引導，表示PL和MDP時間常數之間的 1:1相關性。在溫度依賴特性研究方面，MDP 技術與 Freiberg Instrument 的設備再次發揮關鍵作用。對于厚外延層，在72 - 293K的溫度區間內，NBE信號衰減特性隨溫度變化呈現出明顯規律。在低溫段，主要以約150ns的與溫度無關的單指數衰減為主；當溫度超過250K時，遵循少數載流子壽命的較慢成分開始凸顯。同時，缺陷光致發光衰減和MDP衰減也呈現出復雜的多成分特征，且各成分隨溫度變化呈現不同趨勢。薄外延層的NBE衰減同樣受溫度影響明顯，隨著溫度升高，熱激活載流子擴散加劇，導致襯底和表面的載流子復合貢獻增加，NBE衰減特性發生顯著變化。而MDP衰減在薄外延層中與厚外延層具有相似的溫度相關特征，盡管由于樣品體積較小導致信噪比降低，但Freiberg Instrument的設備依然穩定采集到有效數據，確保研究順利進行。圖 3. (a) 55 µm 和 (b) 12 µm 外延層的MDP和PL衰減時間常數的溫度依賴性。研究意義與應用展望：本研究借助Freiberg Instrument的MDPmap設備與MDP技術，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信號衰減由與少數載流子壽命相關的快速衰減部分和受溫度影響的慢速成分構成，且與NBE相比，MDP和缺陷光致發光衰減受襯底載流子復合干擾更小，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4H-SiC外延層載流子復合機制的理解，也為半導體器件的設計與優化提供了重要理論依據。該文章翻譯于Institute of Applied Physics和Freiberg Instruments等機構共同研究的工作。