基于深度分辨光電導法的半導體缺陷檢測---Freiberg Instruments MDP技術
隨著半導體器件結構向多層化、薄層化發展，傳統載流子壽命檢測技術已難以滿足精度需求。固定激發深度的測量方法無法區分表面重組效應與體材料/界面缺陷，導致工藝優化缺乏針對性指導。Freiberg Instruments公司在相關期刊發表的突破性研究表明，其新型微波檢測光電導率系統（MDP）通過可編程脈沖激光激發與深度關聯算法，首次實現5-300μm范圍內缺陷分布的三維可視化(圖1)。
圖1. 厚度為300 µm的樣品在短脈沖 (200 ns) 激發和穩定狀態(200 µs)激發后產生的模擬載流子分布
核心技術原理
1. 可變脈沖激光激發系統
·脈沖寬度連續調節：200ns至10ms，覆蓋瞬態至準穩態測量
·深度控制方程：；其中表示載流子滲透深度（檢測深度），是載流子擴散系數（材料相關常數），為激光脈沖寬度（系統可控變量），為材料光吸收系數（與波長相關），代表入射光子通量（與激光功率相關）
·可實現從表層（5μm）到基板界面（>50μm）的逐層掃描。
2. 高靈敏度微波檢測(圖2)
·9.3GHz共振腔：信噪比較傳統系統提升100倍
·雙相位鎖定放大：可檢測最低1E8 cm?³載流子濃度
圖2。靈敏度提高100倍的示例；50 µm p摻雜硅外延層位于高摻雜硅基板上3. 深度分辨算法
基于載流子擴散模型的逆向求解，將不同脈沖寬度下的壽命測量值轉換為深度分布函數，空間分辨率達±2μm。
a. 表面與體缺陷分離能力(圖3)
對30μm n型硅外延層的測試顯示：
·短脈沖（500ns）：壽命值2.7μs（表面重組主導）
·長脈沖（5ms）：壽命值升至9.1μs（體材料缺陷顯現）
·低注入條件（Δn=1E13 cm?³）：界面缺陷響應靈敏度提升5倍
b. 超薄層檢測極限
在5μm碳化硅外延層的對比測試中：
·MDP系統信噪比達23:1
·可識別表面10nm氧化層導致的壽命降低（Δτ＞15%）
c. 效率提升驗證
·單點檢測速度：200ms（傳統方法＞3s）
·全深度掃描效率：15組脈沖參數僅需45s
圖3. 用熱氧化物鈍化的6 µm n-Si 外延層 (a)和用非晶Si鈍化的30 µm n-Si外延層(b)在不同脈沖寬度下的注入相關壽命曲線。
技術優勢與價值
1. 三維缺陷可視化
·通過脈沖寬度掃描生成壽命-深度曲線，直接輸出：
·表面重組速率（S）
·體材料壽命（τbulk）
·界面態密度
2. 超薄材料分析能力
·支持≥5μm薄層檢測（傳統方法極限：20μm）
·表面粗糙度容忍度提升300%
3. 全流程兼容性
·非接觸測量：避免探針損傷，適用于在線工藝監控
·寬溫區測試：-190℃~300℃
技術應用方向
1.外延生長工藝優化
o實時監測外延層缺陷密度梯度
o量化評估生長速率波動對界面質量的影響
2.鈍化層質量評估
o檢測表面鈍化層厚度均勻性
o分析界面態密度與鈍化工藝參數的關聯性
3.先進器件研發
oSiC/GaN功率器件失效分析
o超薄SOI晶圓界面缺陷定位
綜上，Freiberg instruments公司的MDP技術以其變脈沖長度測量、高靈敏度、對多層結構材料的精準分析能力、定量數據優勢以及廣泛的應用前景，成為材料檢測領域的卓越技術。無論是在科研機構探索材料的微觀世界，還是在工業生產中保障產品質量，MDP技術都發揮著不可替代的作用，引領著材料檢測技術的發展方向，為材料科學和相關產業的進步注入了強大動力。
該文章翻譯于Freiberg Instruments機構研究的工作。本文發表于Aip Conference American Institute of Physics中，詳情可查閱：Injection Dependent Lifetime Spectroscopy with a Varying Pulse Length
圖1. 厚度為300 µm的樣品在短脈沖 (200 ns) 激發和穩定狀態(200 µs)激發后產生的模擬載流子分布核心技術原理
1. 可變脈沖激光激發系統
·脈沖寬度連續調節：200ns至10ms，覆蓋瞬態至準穩態測量
·深度控制方程：；其中表示載流子滲透深度（檢測深度），是載流子擴散系數（材料相關常數），為激光脈沖寬度（系統可控變量），為材料光吸收系數（與波長相關），代表入射光子通量（與激光功率相關）
·可實現從表層（5μm）到基板界面（>50μm）的逐層掃描。
2. 高靈敏度微波檢測(圖2)
·9.3GHz共振腔：信噪比較傳統系統提升100倍
·雙相位鎖定放大：可檢測最低1E8 cm?³載流子濃度
圖2。靈敏度提高100倍的示例；50 µm p摻雜硅外延層位于高摻雜硅基板上3. 深度分辨算法基于載流子擴散模型的逆向求解，將不同脈沖寬度下的壽命測量值轉換為深度分布函數，空間分辨率達±2μm。
a. 表面與體缺陷分離能力(圖3)
對30μm n型硅外延層的測試顯示：
·短脈沖（500ns）：壽命值2.7μs（表面重組主導）
·長脈沖（5ms）：壽命值升至9.1μs（體材料缺陷顯現）
·低注入條件（Δn=1E13 cm?³）：界面缺陷響應靈敏度提升5倍
b. 超薄層檢測極限
在5μm碳化硅外延層的對比測試中：
·MDP系統信噪比達23:1
·可識別表面10nm氧化層導致的壽命降低（Δτ＞15%）
c. 效率提升驗證
·單點檢測速度：200ms（傳統方法＞3s）
·全深度掃描效率：15組脈沖參數僅需45s
圖3. 用熱氧化物鈍化的6 µm n-Si 外延層 (a)和用非晶Si鈍化的30 µm n-Si外延層(b)在不同脈沖寬度下的注入相關壽命曲線。技術優勢與價值
1. 三維缺陷可視化
·通過脈沖寬度掃描生成壽命-深度曲線，直接輸出：
·表面重組速率（S）
·體材料壽命（τbulk）
·界面態密度
2. 超薄材料分析能力
·支持≥5μm薄層檢測（傳統方法極限：20μm）
·表面粗糙度容忍度提升300%
3. 全流程兼容性
·非接觸測量：避免探針損傷，適用于在線工藝監控
·寬溫區測試：-190℃~300℃
技術應用方向
1.外延生長工藝優化
o實時監測外延層缺陷密度梯度
o量化評估生長速率波動對界面質量的影響
2.鈍化層質量評估
o檢測表面鈍化層厚度均勻性
o分析界面態密度與鈍化工藝參數的關聯性
3.先進器件研發
oSiC/GaN功率器件失效分析
o超薄SOI晶圓界面缺陷定位
綜上，Freiberg instruments公司的MDP技術以其變脈沖長度測量、高靈敏度、對多層結構材料的精準分析能力、定量數據優勢以及廣泛的應用前景，成為材料檢測領域的卓越技術。無論是在科研機構探索材料的微觀世界，還是在工業生產中保障產品質量，MDP技術都發揮著不可替代的作用，引領著材料檢測技術的發展方向，為材料科學和相關產業的進步注入了強大動力。
該文章翻譯于Freiberg Instruments機構研究的工作。本文發表于Aip Conference American Institute of Physics中，詳情可查閱：Injection Dependent Lifetime Spectroscopy with a Varying Pulse Length