CN111128783A - 一种少数载流子寿命的纵向分布测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种少数载流子寿命的纵向分布的测试系统和方法。该方法至少包括：照射激发部11，包含用于照射样品产生光致载流子的不同波长的光源14和产生对半导体材料照射的微波产生器15；经过加工的待测样品12；检测部13，用于检测穿透半导体材料的微波强度，检测部根据检测到的微波信号强度，转换为电信号，计算出样品材料的少数载流子寿命。为了实现少数载流子寿命的纵向分布的测试，待检测样品12需要进行特别处理，通过表面加工处理成梯形，依据上表面斜率计算得出不同测试点处对应的深度的少数载流子寿命，从而得出SiC厚外延少数载流子寿命的纵向分布。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料及工艺测试领域，具体为一种少数载流子寿命的纵向分布测试系统和方法。
背景技术
第三代半导体碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，也是未来我国半导体技术的战略方向。随着第三代半导体材料的不断普及与发展，在电力电子、航天航空，新能源、智能电网、电动汽车等行业都发挥了关键作用。
光照在半导体的表面，会有吸收。光子吸收同时产生一个多数载流子和一个少数载流子，称为非平衡载流子。在诸多半导体材料中，光生非平衡载流子的数目远少于材料本来就存在的由于掺杂而产生的多数载流子。因此光照时半导体中的多数载流子数目基本不变，而少数载流子却显著增加。
非平衡载流子从产生到复合的平均时间称为非平衡载流子寿命(少子寿命)，用τ表示。它反映了少子浓度的衰减快慢。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地位，所以非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命，简称少子寿命
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量,直接反映了材料的质量以及器件的特性是否符合要求。此外少数载流子寿命还是影响SiC IGBT等高压双极功率器件特性的关键因素，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(以获得很大的电流放大系数),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是使器件拖尾延迟变小，开关速度提高.准确测量4H-SiC的少数载流子寿命，是评价其外延层质量的一个重要方法，对半导体器件的研制也具有重要的意义。
目前，对于少数载流子寿命的纵向分布测量常采用光电导衰减(μ-pcd)法、表面光电压法、开路电压衰减法时间分辨光致发光、瞬态自由载流子吸收法等。在众多测试方法中，μ-pcd法是无损的、不需要制作电极等设备结构，因此为目前常见的载流子寿命测试方法，其一般步骤为：对半导体材料先采用μ-pcd法测试，然后减薄抛光，然后继续采用μ-pcd法测试当层载流子寿命，然后继续减薄抛光，重复此前测试-抛光的操作，从而得到载流子的纵向分布。对于较厚的外延材料，需要反复测试抛光循环操作，效率极其低下，例如一个100微米厚的SiC外延材料，以10微米的精度进行测试，约需要反复5次测试，抛光循环操作。
发明内容
本发明的目的在于提出一种少数载流子寿命的纵向分布测试系统，至少包括激发部和检测部；
所述激发部包括光源和微波产生器，所述光源用于照射半导体样品斜面不同测试点位置以产生不同波长的少数载流子,所述微波产生器用于照射所述半导体样品测试点处；
所述检测部用于检测所述波长和穿透半导体样品的信号强度。
优选的，所述半导体样品为厚度≥80微米的碳化硅外延材料。
本发明还提供一种少数载流子寿命的纵向分布测试方法，包括
光源照射半导体样品斜面产生少数载流子；
微波产生器照射所述半导体样品产生穿透半导体样品的微波强度；
通过光源波长和检测部检测到的微波信号强度产生的衰减的光导电压变化测算少数载流子寿命；
光脉冲消失后，光导电压随时间变化的衰减曲线可以为
两边取对数，得到
式中，Vt为t时刻衰减的光导电压，V0为初始电压值，Vt与V0单位为伏特V，t为衰减时间，单位为μs，τmeas为通过电压变化测得的少数载流子寿命，它包含体载流子复合寿命，复合中心控制的间接复合寿命和表面复合的载流子寿命，单位为μs。
τmeas满足：
其中
τbulk是体载流子复合寿命，
τdiff是由复合中心控制的间接复合寿命，满足
τsurf是表面复合的载流子寿命，满足
d是晶片的厚度
Dnp是少子的扩散系数
S是表面复合速度
优选的，所述半导体样品通过减薄成斜面，将不同深度的半导体材料裸露出来，通过常规的μ-pcd法测试测试。
本发明通过选取斜面的不同测试点位置，依据微波强度反馈的电信号电压变化测试样品的少数载流子寿命，同时依据斜面的角度换算出样品测试点的深度，从而得到不同深度处测试样品的少数载流子寿命纵向分布。
本发明仅需要对样品进行一次制样即可获得全部数据，简单快捷，无需按照常规方法反复的对样品进行测试，减薄，清洗。本测试方法简单快捷，可以一次性的测试出少数载流子寿命的纵向分布。
附图说明
图1为现有技术的SiC厚外延少数载流子寿命的纵向分布μ-pcd测试法示意图。
图2为本实施例的一种SiC厚外延少数载流子寿命的纵向分布测试系统示意图。
图3为本实施例的一种SiC厚外延少数载流子寿命的纵向分布测试方法示意图。
图4为本实施例的一种SiC厚外延少数载流子寿命的光导电压随时间衰减变化图。
具体实施方式
下文结合特定实例说明的实施方式，此处的实施例及各种特征和有关细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的描述使此处的实施例难以理解。在进行所述操作时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示为现有技术的SiC厚外延少数载流子寿命的纵向分布μ-pcd测试法示意图，先采用μ-pcd法测试，然后减薄抛光，继续采用μ-pcd法测试当层载流子寿命，然后继续减薄抛光，重复此前测试-抛光的操作，此方法用于测试厚外延如SiC外延尤其费时费力，测量周期5天以上。
实施例1本实施例提供一种SiC厚外延材料少数载流子寿命的纵向分布测试系统
如图2所示系统包括激发部11和检测部13，激发部11包含光源14和微波产生器15，光源14用于照射碳化硅外延材料的斜面12不同测试点位置产生不同波长的少数载流子，微波产生器15用于照射碳化硅外延材料产生穿透半导体样品的微波信号，检测部用于检测微波信号并转换为电信号，根据电和光的波长计算出斜面不同测试点位置的少数载流子寿命，从而测得其纵向分布。
本实施例还提供一种SiC厚外延少数载流子寿命的纵向分布的测试方法，如图3所示，具体步骤为：
S1.以经过洁净清洗的常规商业用100微米厚4英寸碳化硅外延片为测试标的；
S2.减薄碳化硅外延片样品表面，使其形成梯形斜面12；
S3.激发部11的光源14照射半导体样品斜面产生少数载流子；
S4.激发部13的微波产生器15照射所述半导体样品产生穿透半导体样品的微波强度；
S5.通过光源波长和检测部13检测的电信号测算少数载流子寿命；
S6.通过选取斜面的不同高度测算所述少数载流子寿命得到纵向分布。
在优选的实施例中，碳化硅外延片的厚度为100um，在更优选的实施例中，碳化硅外延片的厚度为200um。
如图4所示，为本实施例少数载流子寿命的光导电压随时间衰减变化图，y轴坐标为光导电压对数值，x轴坐标为衰减时间，通过线性拟合得到拟合直线，在直线上随意选取两点，得出斜率值k，按公式
得出
从而计算出τmeas。
本发明通过选取斜面的不同测试点位置，依据微波强度，光的波长计算出测试样品的少数载流子寿命，同时依据斜面的角度换算出样品测试点的深度，从而得到不同深度处测试样品的少数载流子寿命纵向分布。
本发明仅需要对样品进行一次制样即可测出少数载流子寿命的纵向分布，简单快捷，无需按照常规方法反复的对样品进行测试，减薄，清洗，缩短检测时间，降低检测成本，一天以内即可完成测量。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术发案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围，将本发明实施例中的碳化硅或氮化镓材料替换为其他半导体材料，也应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种少数载流子寿命的纵向分布测试系统，其特征在于：至少包括
激发部和检测部；
所述激发部包括光源和微波产生器，所述光源用于照射半导体样品斜面不同测试点位置以产生不同波长的少数载流子,所述微波产生器用于照射所述半导体样品表面；
所述检测部用于检测所述波长和穿透半导体样品的信号强度。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述半导体样品为厚度≥80微米的碳化硅外延材料。
3.一种少数载流子寿命的纵向分布测试方法，其特征在于：包括
光源照射半导体样品的斜面产生少数载流子；
微波产生器照射所述半导体样品产生穿透半导体样品的微波强度；
通过光源波长和检测部检测的微波信号强度转换为衰减的电压测算少数载流子寿命；
通过选取所述斜面的不同高度测算所述少数载流子寿命得到纵向分布。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述半导体样品斜面通过减薄半导体样品表面形成。
5.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述衰减的电压与时间关系为
式中，Vt为衰减电压，V0为初始电压值，Vt与V0单位为伏特V，t为衰减时间，单位为μs，τmeas为少数载流子寿命，单位为μs。
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