【摘要】：在過(guò)去的數(shù)十年中,由于碳化硅(SiC)材料具有熱穩(wěn)定性、高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢(shì),SiC雙極型器件在高壓、高頻和大功率等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。少數(shù)載流子壽命是反映半導(dǎo)體材料和器件質(zhì)量的重要參數(shù)之一,對(duì)SiC功率器件性能的改善和優(yōu)化起著舉足輕重的作用。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)是降低高壓雙極器件導(dǎo)通電阻的關(guān)鍵,為了實(shí)現(xiàn)有效的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),要求漂移層中的少數(shù)載流子壽命足夠高。然而,目前的研究顯示:N型4H-SiC的禁帶內(nèi)存在一定濃度的深能級(jí)缺陷(Z_(1/2)和EH_(6/7)),而且是制約其少子壽命的主要因素,但是對(duì)于P型4H-SiC少子壽命的研究還不夠深入,且影響P型4H-SiC少子壽命的深能級(jí)類型和具體位置并無(wú)定論,因此限制了從少子壽命方面提升SiC高壓大功率器件的性能。本文結(jié)合μ-PCD(微波光電導(dǎo)衰減)法、PL(光致發(fā)光)法和ESR(電子自旋共振)法研究了P型4H-SiC外延材料中的少數(shù)載流子壽命以及深能級(jí)缺陷。首先,我們對(duì)P型4H-SiC材料進(jìn)行了不同時(shí)間的熱氧化和高溫退火處理,經(jīng)過(guò)μ-PCD法測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)原始樣片平均少子壽命為223.2ns,高溫1150℃熱氧化處理5小時(shí),15小時(shí),25小時(shí)的樣片壽命分別為219.82ns、212.84ns和217.27ns,與未處理的樣片結(jié)果對(duì)比均未有明顯變化;(2)只進(jìn)行高溫退火的SiC樣片少子壽命為276.38ns,而經(jīng)過(guò)5小時(shí),15小時(shí),25小時(shí)氧化后并進(jìn)行高溫退火的樣片少子壽命分別為366.24ns,370.11ns和443.29ns,相比于只進(jìn)行高溫退火的樣片壽命有顯著提升,最多能夠提升將近一倍,說(shuō)明熱氧化對(duì)樣品的少子壽命的影響需要通過(guò)高溫退火來(lái)激活。而且,樣片少子壽命隨氧化時(shí)間加長(zhǎng)而增大。其次,使用PL技術(shù)和ESR技術(shù)檢測(cè)P型4H-SiC材料中的缺陷類型和能級(jí)位置,同時(shí)結(jié)合氧化及高溫退火實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:(1)經(jīng)過(guò)高溫?zé)嵫趸幚砗髽悠w內(nèi)的碳空位濃度明顯降低,說(shuō)明熱氧化能夠有效減少SiC外延層內(nèi)的碳空位缺陷;(2)氧化后再經(jīng)過(guò)高溫退火的樣片中碳空位與只經(jīng)過(guò)熱氧化處理的樣片相比,并沒(méi)有明顯的變化,說(shuō)明高溫退火對(duì)碳空位缺陷的影響不大。(3)影響P型4H-SiC少子壽命的主要能級(jí)缺陷也是碳空位缺陷,經(jīng)PL測(cè)試得到兩種缺陷位于導(dǎo)帶下0.905eV和1.203eV,而熱氧化后退火能夠有效減少碳空位,從而增加少子壽命。同時(shí),使用開路電壓衰減(OCVD)法測(cè)試封裝10kV、漂移區(qū)為100μm,摻雜濃度是3×10~(14) cm~(-3)的SiC PiN二極管漂移區(qū)(i區(qū))電壓衰減曲線,并計(jì)算得到室溫下少子壽命為720 ns,結(jié)合將得到的少子壽命值作為復(fù)合參數(shù)帶入到仿真軟件ISE-TCAD中,得到PiN二極管的正向特性曲線,與實(shí)際測(cè)試的正向曲線比較后,通過(guò)二者基本重合證明OCVD法的可行性和準(zhǔn)確性。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,熱氧化后再進(jìn)行高溫退火處理能夠有效減少P型4H-SiC外延材料內(nèi)影響少子壽命的深能級(jí)缺陷,從而有效提升少子壽命,從本征下的223.2ns最多能夠提升到443.29ns,將近提高一倍,同時(shí)也說(shuō)明OCVD法能夠很好地彌補(bǔ)μ-PCD法測(cè)試器件少子壽命方面的不足。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN303
【圖文】：

圖1.1 碳化硅與硅器件對(duì)比 IGBT 是復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式的半導(dǎo)體功率器件，具有柵極驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、電流開關(guān)能力大等優(yōu)點(diǎn)。目前，Si 基 IGBT 在電力電子的應(yīng)用中已經(jīng)取得巨大成功，它的閉鎖電壓在 1.2-6.5 kV 之間。然而新世紀(jì)以來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和對(duì)器件的要求不斷提高，Si 基 IGBT 已慢慢達(dá)到了器件性能的瓶頸，無(wú)法繼續(xù)滿足新型能源、智能電網(wǎng)和高速通信等新型應(yīng)用的發(fā)展。因此，對(duì)于 IGBT 器件研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到具有高

(c)樣片 6 (d)樣片 7 圖3.1 μ-PCD 測(cè)試原生及氧化樣品少子壽命結(jié)果 此外，μ-PCD 測(cè)試結(jié)果如圖 3.2 所示，顯示只進(jìn)行高溫退火的樣片 2 少子壽命測(cè)試結(jié)果為 276.38ns，比樣片 1 和只經(jīng)過(guò)熱氧化處理的樣片 4、6、7 壽命有所提高。而經(jīng)過(guò) 5 小時(shí)，15 小時(shí)，25 小時(shí)氧化后并進(jìn)行高溫退火的樣片 3、5、8 少子壽命分別為 366.24ns, 370.11ns 和 443.29ns，相比于只進(jìn)行高溫退火的樣片壽命提升更多。而且，由圖 3.3 可知

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