P型4H-SiC少子寿命提升机理研究

发布时间：2020-06-21 07:33

【摘要】：在过去的数十年中,由于碳化硅(SiC)材料具有热稳定性、高击穿电压、高热导率等性能优势,SiC双极型器件在高压、高频和大功率等领域得到广泛应用。少数载流子寿命是反映半导体材料和器件质量的重要参数之一,对SiC功率器件性能的改善和优化起着举足轻重的作用。电导调制效应是降低高压双极器件导通电阻的关键,为了实现有效的电导调制效应,要求漂移层中的少数载流子寿命足够高。然而,目前的研究显示:N型4H-SiC的禁带内存在一定浓度的深能级缺陷(Z_(1/2)和EH_(6/7)),而且是制约其少子寿命的主要因素,但是对于P型4H-SiC少子寿命的研究还不够深入,且影响P型4H-SiC少子寿命的深能级类型和具体位置并无定论,因此限制了从少子寿命方面提升SiC高压大功率器件的性能。本文结合μ-PCD(微波光电导衰减)法、PL(光致发光)法和ESR(电子自旋共振)法研究了P型4H-SiC外延材料中的少数载流子寿命以及深能级缺陷。首先,我们对P型4H-SiC材料进行了不同时间的热氧化和高温退火处理,经过μ-PCD法测试结果发现:(1)原始样片平均少子寿命为223.2ns,高温1150℃热氧化处理5小时,15小时,25小时的样片寿命分别为219.82ns、212.84ns和217.27ns,与未处理的样片结果对比均未有明显变化;(2)只进行高温退火的SiC样片少子寿命为276.38ns,而经过5小时,15小时,25小时氧化后并进行高温退火的样片少子寿命分别为366.24ns,370.11ns和443.29ns,相比于只进行高温退火的样片寿命有显著提升,最多能够提升将近一倍,说明热氧化对样品的少子寿命的影响需要通过高温退火来激活。而且,样片少子寿命随氧化时间加长而增大。其次,使用PL技术和ESR技术检测P型4H-SiC材料中的缺陷类型和能级位置,同时结合氧化及高温退火实验,得出以下结论:(1)经过高温热氧化处理后样片体内的碳空位浓度明显降低,说明热氧化能够有效减少SiC外延层内的碳空位缺陷;(2)氧化后再经过高温退火的样片中碳空位与只经过热氧化处理的样片相比,并没有明显的变化,说明高温退火对碳空位缺陷的影响不大。(3)影响P型4H-SiC少子寿命的主要能级缺陷也是碳空位缺陷,经PL测试得到两种缺陷位于导带下0.905eV和1.203eV,而热氧化后退火能够有效减少碳空位,从而增加少子寿命。同时,使用开路电压衰减(OCVD)法测试封装10kV、漂移区为100μm,掺杂浓度是3×10~(14) cm~(-3)的SiC PiN二极管漂移区(i区)电压衰减曲线,并计算得到室温下少子寿命为720 ns,结合将得到的少子寿命值作为复合参数带入到仿真软件ISE-TCAD中,得到PiN二极管的正向特性曲线,与实际测试的正向曲线比较后,通过二者基本重合证明OCVD法的可行性和准确性。本文实验结果表明,热氧化后再进行高温退火处理能够有效减少P型4H-SiC外延材料内影响少子寿命的深能级缺陷,从而有效提升少子寿命,从本征下的223.2ns最多能够提升到443.29ns,将近提高一倍,同时也说明OCVD法能够很好地弥补μ-PCD法测试器件少子寿命方面的不足。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN303
【图文】：

硅器件,碳化硅

图1.1 碳化硅与硅器件对比 IGBT 是复合全控型电压驱动式的半导体功率器件，具有栅极驱动简单、电流开关能力大等优点。目前，Si 基 IGBT 在电力电子的应用中已经取得巨大成功，它的闭锁电压在 1.2-6.5 kV 之间。然而新世纪以来，随着半导体技术的发展和对器件的要求不断提高，Si 基 IGBT 已慢慢达到了器件性能的瓶颈，无法继续满足新型能源、智能电网和高速通信等新型应用的发展。因此，对于 IGBT 器件研究的重点转移到具有高

少子寿命,原生,样片,样品

(c)样片 6 (d)样片 7 图3.1 μ-PCD 测试原生及氧化样品少子寿命结果此外，μ-PCD 测试结果如图 3.2 所示，显示只进行高温退火的样片 2 少子寿命测试结果为 276.38ns，比样片 1 和只经过热氧化处理的样片 4、6、7 寿命有所提高。而经过 5 小时，15 小时，25 小时氧化后并进行高温退火的样片 3、5、8 少子寿命分别为 366.24ns, 370.11ns 和 443.29ns，相比于只进行高温退火的样片寿命提升更多。而且，由图 3.3 可知

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