應用分享｜少子壽命測試儀(MDP)針對碳化硅器件性能優化的關鍵作用

更新時間：2024-10-30

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應用背景

在微電子半導體行業日新月異的現狀，材料質量的提升與器件性能的優化成為推動技術進步的關鍵因素。碳化硅（SiC）作為一種新興的高性能半導體材料，以其優異的導熱性、高擊穿電場強度及耐高溫特性，在電力電子、新能源汽車、航天航空等領域展現出巨大的應用潛力。然而，碳化硅器件的性能優化并非易事，其涉及到材料質量、加工工藝、器件設計等多個層面的精細控制。在這個過程中，少數載流子壽命（少子壽命）作為評價半導體材料質量的重要參數之一，其精確測量與深度分析顯得尤為重要。

儀器介紹

德國弗萊貝格儀器有限公司（Freiberg Instruments），作為一家快速、無損電氣表征工具供應商，始終致力于技術創新與品質優異。其MDP（微波檢測光電導性）少子壽命測試儀，作為行業內前端的分析設備，以其非接觸、無損、高靈敏度的特性，在碳化硅器件性能優化中發揮著不可替代的關鍵作用。本文旨在探討MDP少子壽命測試儀在碳化硅器件性能優化中的重要作用，德國弗萊貝格儀器公司共同推動半導體技術的進步與發展。

應用分享

碳化硅器件性能優化：結合少子壽命檢測結果，可以指導SiC器件的設計和制造過程，優化器件性能，提高成品率和可靠性。

在超高壓工作條件下前景廣闊的雙極型SiC器件中，載流子壽命是影響器件性能的一個重要參數。表面復合是載流子壽命的限制因素之一，器件的設計和制造工藝的開發需要表面復合速度的定量值。

然而，在雙極SiC器件的開發中，有幾個困難需要克服，例如抑制退化和改進pn結的制造技術。其中一個重要的困難是控制載流子壽命。載流子壽命直接影響電導率調制行為；因此，器件的導通電阻和開關損耗取決于載流子壽命。

通過少子壽命值，確定了4H-SiC的Si面和C面的表面復合速度(S)及其溫度依賴性，研究者相信對表面復合速度定量值的全方面調查和討論將支持未來雙極SiC器件設計和開發的改進³。

隨著SiC型IGBT的耐壓越來越高，要求少子壽命足夠高，以進行有效的電導調制，從而降低器件的正向導通壓降和導通電阻，但是同時也追求更高的開關速度，即希望反向恢復時間越短越好，這又要求少子壽命足夠低。如何在低的正向導通壓降和低的開關損耗之間進行折衷，是IGBT設計的關鍵。

通過選擇合適的緩沖層厚度，通過局部控制器件漂移區和緩沖層的壽命，進行4H-SiC型n-IGBT功耗的優化。

4H-SiC n-IGBT正向導通壓降和關斷損耗的權衡曲線

在權衡曲線圖中，位于左上角的點所對應的壽命參數雖然正向導通壓降很低，但是于關斷損耗過大，不符合優化的條件；而位于右下角的點正向導通壓降很高，即使損耗很低，也不是選擇的合理參數。因此結果選擇的壽命參數為：漂移區少子壽命為8μs，緩沖層少子壽命為0.08~0.1μs,作為器件選擇的合理參數。

未完待續～

參考文獻：

[1] Murata, K. , et al. "Carrier lifetime control by intentional boron doping in aluminum doped p-type 4H-SiC epilayers." Journal of Applied Physics 129.2(2021):025702-.

[2] Tawara, Takeshi, et al. "Evaluation of Free Carrier Lifetime and Deep Levels of the Thick 4H-SiC Epilayers." Materials Science Forum (2004).

[3] Kato, Masashi, et al. "Surface recombination velocities for 4H-SiC: Temperature dependence and difference in conductivity type at several crystal faces." Journal of Applied Physics 127.19(2020):195702.

[4] Hahn, S. , et al. "Contact-less Electrical Defect Characterization of Semi-insulating 6H-SiC Bulk Material." International conference on silicon carbide and related materials; ICSCRM 2007 2009.

[5] Berger, Bastian , et al. "Contactless electrical defect characterization in semiconductors by microwave detected photo induced current transient spectroscopy (MD‐PICTS) and microwave detected photoconductivity (MDP)." Physica Status Solidi 208.4(2011):769-776.

[6] Hemmingsson, C. G, N. T. Son , and Janzén, E. "Observation of negative-U centers in 6H silicon carbide." Applied Physics Letters 74.6(1999):839-841.

[7] Suttrop, W., G. Pensl , and P. Lanig . "Boron-related deep centers in 6H-SiC." Applied Physics A 51.3(1990):231-237.