P型4H-SiC少数载流子寿命的研究

高冬美，陆绮荣，韦艳冰，黄 彬

（1.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学现代教育技术中心，广西 桂林 541004）

0 引言

由于其突出的化学和热稳定性，优良的热电导率和高击穿场，碳化硅突破了以硅为基础的技术理论局限性，已成为高功率微波器件和高压开关设备的重要物质基础。因为4H-SiC的优良性能，所以在所有的SiC多型体中4H-SiC引起人们的广泛关注，国外有不少文献报道了对其性能的研究[1-2]。少数载流子寿命是半导体材料和半导体器件的一个重要参数，直接反映了材料的质量以及器件的特性是否符合要求。对于主要是依靠少数载流子输运（扩散为主）来工作的双极型半导体器件，为了保证少数载流子在基区的复合尽量少（以获得较大的电流放大系数），要求基区的少数载流子寿命越长越好。而对IGBT开关器件，则寿命减少的直接效果使器件拖尾延迟变小，开关速度提高。目前国内对碳化硅材料和器件的研究正处于起步阶段，因此，研究4H-SiC的少数载流子寿命，是评价其晶体质量的一个重要方法，对半导体器件的研制也具有重要意义。

该文用微波光电导率衰减方法（μ-PCD）描述了P型4H-SiC晶片经过高温退火前后载流子寿命的变化，是一种对载流子寿命没有接触和破坏的测量方法。

1 理论基础

少数载流子寿命即是P型半导体中的电子或者N型半导体中的空穴在导带停留的平均时间。处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。当半导体受外界（光或电的）作用，热平衡状态被破坏，载流子浓度发生变化，产生非平衡载流子（过剩载流子）。外界作用消失后，非平衡载流子逐渐消失，也就是原来激发到导带的电子又回到价带，电子-空穴对又成对消失。直至最后，载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到了平衡状态。由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处于主导的，决定的地位，因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。

半导体内的非平衡载流子浓度是按指数规律衰减[3]，即

所以非平衡载流子浓度减小到初始值的e-1所经历的时间即为少数载流子寿命，用τ表示。由于载流子浓度变化与半导体材料的电压变化成正比，一般为了方便测量，将测量载流子浓度转化为测量半导体材料的电压变化，这样将能更直观方便地把电压变化趋势通过示波器等实验器材显示。

随着激光和微波技术的飞速发展，将激光作为光源应用在半导体材料测试中，使得载流子寿命的测试更加方便快捷。

2 实验装置

微波光电导技术是通过测试从样品表面发射的微波功率随时间变化曲线来记录光电导的衰减，其测试系统示意图如图1所示。系统包括激光脉冲光源、微波源、环形器（将微波反射功率从入射的微波功率中分离）以及一个检测器和显示装置。YAG激光泵浦源作为样品的注入光源，可在半导体材料中激发过剩载流子，改变样品的导电性；微波源给出探测信号，检测半导体材料的光电导，微波经样品反射后进人检测器。微波反射探测器检测是通过波导环行连接，微波反射强度转换为电信号，以便在示波器中输出电压的变化曲线。

图1 微波光电导衰减法测试系统示意图

3 实验与结果讨论

3.1 实验

实验中，10GHz的Gunn二极管作为微波源，其探测功率为20mW；波长为355nm的YAG激光器作为激发光源；样品为抛光处理后的P型4H-SiC晶圆；显示装置为500MHz LeCory示波器。抛光处理不仅能减小表面复合的影响，而且能降低表面沾污的影响。先用脉冲激光来激发样品中的少数载流子，当光激发快速停止时，载流子开始复合，其浓度呈指数衰减。非平衡载流子浓度衰减趋势及拟合曲线如图 2（a）所示。

获得载流子寿命以后，把该晶圆切成几片，每片约1cm2。分别将这几片样品在1000℃的氩气（1L/min）保护气中作退火1h3h5h处理。经过不同时间退火处理后的样品，再用该μ-PCD测试系统进行测量，其非平衡载流子浓度衰减趋势及拟合曲线分别如图 2（b）、图 2（c）、图 2（d）所示。

由式（1）可知载流子浓度是按指数规律衰减的，利用LabVIEW的数学分析功能[4]，可以方便地将测试数据进行指数拟和。指数拟和得到的指数因子系数β与半导体材料的少数载流子寿命τ的关系为τ=-1/β，因此可以很方便地得到少数载流子的拟合寿命。

图2中的所有图的纵坐标都作了归一化处理。入射激光停止前的某时刻，非平衡载流子浓度达到最大值，其电压幅度最大，以此时浓度为标准1，t=0。入射激光快速停止后，样品中的非平衡载流子浓度开始衰减，电压幅值也相应减小，将该时刻与t=0时刻的载流子浓度进行比例计算，就可得出此时的相对浓度。因此，从停止入射激光到载流子浓度恢复平衡态，非平衡载流子的相对浓度恰好落在0～1区间。

由图2中的测试与拟合曲线对比中可以看出，测试结果拟合良好。经过不同方法处理的样品载流子寿命测试与拟合结果列于表1中。通过实验结果数据可以明显看出，高温退火可以提高载流子寿命，其测量误差均在5%以内。

3.2 高温退火对少数载流子寿命的影响

半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的深能级，它们除了影响半导体的电特性外，对非平衡载流子的寿命也有很大的影响。因为缺陷可以捕获移动电荷载体（电子或空穴），杂质和缺陷有促进复合的作用，杂质越多，晶格缺陷越多，少数载流子寿命也就越短，从而导致重要电性能的退化[5]。高温退火对于修复注入引起的晶格损伤缺陷及激活杂质起到至关重要的作用。

图2 测试结果与拟合曲线对比

表1 不同退火时间的载流子测试寿命

在P型4H-SiC中有超过2个的少量载流子势阱存在[6]，它们的能级分散在Ec-0.16 eV附近，但是高温退火使其不再稳定，随着退火时间的增长，其缺陷可能会减少或消退。因此经过高温退火后的晶片，其少数载流子寿命增加。

4 结束语

该文应用μ-PCD系统测量P型4H-SiC晶圆中的少数载流子寿命，通过实验说明了经过高温退火处理的晶圆其少数载流子寿命的变化，并且用LabVIEW软件进行数据拟合。结果表明测量结果拟合较好，该测试方法快捷、准确。

通过对高温退火前后P型4H-SiC材料的少数载流子寿命的研究，说明其少子寿命除了受表面复合的影响外，还跟其体内的缺陷和杂质有重大关系。适当的高温退火可以提高载流子寿命，对改善材料的性能有非常重要的意义。但是在退火过程中材料内部结构的具体变化还不清楚，这需要通过深能级瞬态谱（DLTS）[7]进行观察，在以后的过程中将继续研究。

[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]杨德仁.半导体材料测试与分析[M].北京：科学出版社，2010.

[4]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，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.