少數載流子壽命是影響半導體器件性能的基本參數之一，特別是對于應用在高壓器件中的SiC來說。對于外延層來說，載流子壽命的主要影響因素是相當復雜的，因為外延層表面、外延層-襯底界面、外延層和襯底這都有助于載流子復合行為。因此如何在樣品中獲取較準確的載流子壽命成為問題的關鍵。通過比較不同厚度生長的4H-SiC外延層在相同激發(fā)條件下獲得的光致發(fā)光和光電導衰減測量的時間常數，有助于更好地理解這個問題。

實驗條件和設備

12 ~ 62 µm的4H-SiC外延層通過化學氣相沉積在350 µm厚的4H-SiC n+型襯底上(電阻率約為0.05 Ω?cm)。所有外延層為n型摻雜，載流子濃度為1014~ 1015cm-3。

微波檢測光電導測量(MDP)以及時間分辨光致發(fā)光測量(TR-PL)是在高注入條件下進行測試的，由同一氮激光器發(fā)出3 ns的脈沖激發(fā)，穿透深度為14 µm。（337 nm，10-50 µJ/脈沖對應于約1 ~ 5?′ 1017cm-3的注入水平)。其中MDP設備如下圖所示。

MDPmap: Mono- and Multi-crystalline wafer lifetime measurement device

圖文解析

圖1：在55 µm厚的4H-SiC外延層上測量MDP(黑色實線)和PL(藍色-近帶邊激發(fā)，391 nm；綠色-缺陷光致發(fā)光，510 nm)的歸一化信號。

根據測得信號進行數據擬合，MDP信號顯示出單指數衰減，主要受電子和空穴貢獻的影響。近帶邊激發(fā)(NBE)衰減(391 nm)信號顯示出雙指數衰減趨勢，其中較慢的分量是歸因于少數載流子壽命。與缺陷相關的PL(510 nm)信號顯示出更復雜的多指數衰減行為，通常被報道與殘留硼或結構缺陷有關。這說明MDP信號較為單純，直接與載流子壽命相關。

圖2：4H-SiC外延層室溫PL衰減時間常數與MDP衰減信號的相關性。

如在圖2(a)中所示，厚度d> 22 µm的外延層近帶邊激發(fā)的PL信號的第二分量與MDP壽命之間存在直接相關性的趨勢。這表明在所研究的樣品中MDP信號衰減受少數載流子壽命的支配。MDP信號計算出的時間常數將被視為與外延層載流子壽命成比例的量度。

相比之下，d< 17 µm的薄外延層顯示出NBE衰變瞬變的不同特征。在不同的初始急劇下降之后，衰減的時間常數主要約150 ns存在,衰減時間非常短。MDP壽命仍處于與較厚外延層相同的范圍內(見圖2(b))。NBE衰變信號非常短的原因是這些樣品中幾乎一半的載流子在襯底中被激發(fā)，這導致快速的電子-空穴復合速率。因此，檢測到的NBE信號顯示了外延層和襯底貢獻的復雜疊加。另一方面，由于襯底的遷移率相當低，其電導率約為0.05 Ω?cm，而MDP信號與光激發(fā)的過量載流子濃度和遷移率的乘積成正比，因此MDP信號受外延層特性的強烈支配。這意味著：MDP信號無論是在薄層還是厚層，收集到的基本都是外延層的信號，基板對其的干擾較小。

小結

對于d> 22 µm的厚外延層，其近帶邊激發(fā)(NBE)衰減信號變現出雙指數衰減趨勢，其中較慢的分量和載流子壽命相關。而對于較薄的外延層（12 ~ <17 µm），NBE信號主要來自于襯底的貢獻，導致非常短的NBE衰減時間。此處，室溫下的缺陷PL衰減顯示與MDP衰減一致的時間常數。這些結果表明，與NBE相比，MDP對襯底載流子復合的扭曲影響不太敏感，因此通常更適合研究薄4H-SiC外延層中的載流子壽命。

參考文獻

Beyer, Jan, et al. "Minority carrier lifetime measurements on 4H-SiC epiwafers by time-resolved photoluminescence and microwave detected photoconductivity." Materials Science Forum. Vol. 963. Trans Tech Publications Ltd, 2019.

https://doi.org/10.4028/www.scientific。。ｎｅｔ/msf.963.313