CN114216939A - 碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法、系统及存储介质，先分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线，然后根据瞬态电容变化曲线，得到耗尽层宽度曲线，再根据所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，最后根据瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，从而得出碳化硅晶圆的缺陷态态密度能级分布规律。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅的技术领域，特别涉及一种碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法、系统及存储介质。
背景技术
碳化硅晶圆(衬底)的质量可以通过少数载流子寿命来进行表征，而碳化硅晶圆的少数载流子寿命由两部分确定，即表面复合速率和体寿命。表面复合速率对碳化硅晶圆的少数载流子寿命有很大的影响，但是其本身也是一个等效的笼统概念。表面复合速率实际上受到许多不同能级上的缺陷态的态密度，电子/空穴捕获面积等因素的影响。
深能级是半导体中远离导带底或价带顶的杂质能级或缺陷能级，深能级有多种检测方法，而近年来，深能级瞬态谱(Deep Level Transient Spec troscopy，DLTS)受到了越来越广泛的关注。采用传统的少数载流子寿命分析方法，只可以得到碳化硅晶圆的等效表面复合速率的数值，而不能确定碳化硅晶圆的表面缺陷态的能级分布情况和各能级上缺陷态的电子/空穴捕获面积。传统的少数载流子分析方法还有一个缺点，即只能得到整个表面的等效平均表面复合速率值，而不能区分碳化硅晶圆表面不同位置，不同形貌区域的表面电学特性差异。故如何运用深能级瞬态谱的技术手段获得碳化硅晶圆的表面缺陷态能量分布是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是解决背景技术中提到的上述问题，提出一种碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法、系统及存储介质。
为实现上述目的，本发明首先提出了一种碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法，包括以下步骤：
分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线，所述金属电极点为在所述碳化硅晶圆表面的不同位置处蒸镀的金属点；
根据公式
以及所述瞬态电容变化曲线，得到耗尽层宽度曲线，其中C代表瞬态电容变化曲线的瞬态电容值、εSiC代表碳化硅的介电常数、dR代表耗尽层宽度值；
根据公式
以及所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，其中V代表瞬态电压值、q代表基本电荷量、Na代表碳化硅晶圆的掺杂浓度；
根据公式
所述瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，其中NT代表碳化硅晶圆某个能级上的缺陷态态密度、t代表时间。
可选的，还包括：根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴发射速率，其中ep代表空穴的发射速率。
可选的，还包括：根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴捕获面积，其中γ代表常数、σp代表空穴的捕获面积、T代表绝对温度、k代表玻尔兹曼常数、ET代表缺陷态在碳化硅禁带中的能级位置。
可选的，还包括：测量不同金属电极点的瞬态电容变化曲线，从而得出碳化硅晶圆表面不同位置处的表面态电学性质差异。
本发明实施例还提供了一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统，包括：
瞬态电容变化曲线获取模块，被配置为分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线，所述金属电极点为在所述碳化硅晶圆表面的不同位置处蒸镀的金属点；
耗尽层宽度曲线计算模块，被配置为根据公式
以及所述瞬态电容变化曲线，得到耗尽层宽度曲线，其中C代表瞬态电容变化曲线的瞬态电容值、εSiC代表碳化硅的介电常数、dR代表耗尽层宽度值；
瞬态电压曲线计算模块，被配置为根据公式
以及所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，其中V代表瞬态电压值、q代表基本电荷量、Na代表碳化硅晶圆的掺杂浓度；
缺陷态能量分布模块，被配置为根据公式
所述瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，其中NT代表碳化硅晶圆某个能级上的缺陷态态密度、t代表时间。
可选的，还包括：发射速率计算模块，被配置为根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴发射速率，其中ep代表空穴的发射速率。
可选的，还包括：捕获面积计算模块，被配置为根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴捕获面积，其中γ代表常数、σp代表空穴的捕获面积、T代表绝对温度、k代表玻尔兹曼常数、ET代表缺陷态在碳化硅禁带中的能级位置。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种利用深能级瞬态谱仪器测量碳化硅晶圆的表面缺陷态能量分布的新方法。先分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线,然后根据瞬态电容变化曲线，计算得到耗尽层宽度曲线，再根据所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，最后根据瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，从而得出碳化硅晶圆的缺陷态态密度能级分布规律。
进一步的，通过计算出各能级上缺陷态中电子/空穴发射速率以及各能级上缺陷态中电子/空穴捕获面积，相比传统方法能更全面得表征碳化硅晶圆的表面缺陷态能量分布。
进一步的，通过在碳化硅晶圆的不同位置区域制作金属电极，然后通过本发明方法实现区分碳化硅晶圆不同位置上表面电学特性的差异。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法的流程框图之一；
图2为本发明实施例提供的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法的流程框图之二；
图3为本发明实施例提供的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法的流程框图之三；
图4为本发明实施例提供的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统的系统框图之一；
图5为本发明实施例提供的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统的系统框图之二；
图6为本发明实施例提供的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统的系统框图之三。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
由于采用传统的少数载流子寿命分析方法，只可以得到碳化硅晶圆的等效表面复合速率的数值，一方面，该种方法分析结果缺乏准确性和可靠性，另一方面，该种方法也不能很好测量出碳化硅晶圆不同位置处的表面缺陷电学性质差异。
因此，针对上述问题，本发明提出一种碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法、系统及存储介质。
请参考图1，本发明实施例提供了一种碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法，包括下列步骤：
步骤S10，分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线，所述金属电极点为在所述碳化硅晶圆表面的不同位置处蒸镀的金属点；
步骤S20，根据公式
以及所述瞬态电容变化曲线，得到耗尽层宽度曲线，其中C代表瞬态电容变化曲线的瞬态电容值、εSiC代表碳化硅的介电常数、dR代表耗尽层宽度值；
步骤S30，根据公式
以及所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，其中V代表瞬态电压值、q代表基本电荷量、Na代表碳化硅晶圆的掺杂浓度；
步骤S40，根据公式
所述瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，其中NT代表碳化硅晶圆某个能级上的缺陷态态密度、t代表时间。
本发明提供了一种碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法，先分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线,然后根据瞬态电容变化曲线，计算得到耗尽层宽度曲线，再根据所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，最后根据瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，从而得出碳化硅晶圆的缺陷态态密度能级分布规律。
下面，将结合附图及实施例对本发明实施例中的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法的各个步骤进行更详细的说明。
在步骤S10中，分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线，所述金属电极点为在所述碳化硅晶圆表面的不同位置处蒸镀的金属点。
本实施例中，通过只改变上述三个条件中任意一个条件，保持其他两个条件不变，来在测量碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线。
例如，在不同施加电压、相同温度以及电压脉冲时间下，测得所述肖特基结构的第一瞬态电容变化曲线。在不同温度、相同施加电压以及电压脉冲时间下，测得所述肖特基结构的第二瞬态电容变化曲线。在不同电压脉冲时间、相同温度以及施加电压下，测得所述肖特基结构的第三瞬态电容变化曲线。
在上述条件中，不同的施加电压目的用来改变费米能级划过的能级区域，从而计算碳化硅的不同能级位置上的缺陷态密度。不同的温度目的用于计算发射速率与温度的函数关系，从而计算出缺陷能级位置和少子捕获面积。不同电压脉冲时间目的为了验证缺陷能级是分立的能级还是连续的能级。
具体的，通过对碳化硅晶圆与金属电极点施加适当的电压，并叠加一周期性的脉冲电压。在脉冲的作用下，电子在深能级上有一个填充、释放的过程：在脉冲期间，结势垒降低，空间电荷区宽度减小，变成中性区的那一段深能级将被电子填充，脉冲过后，结偏压恢复到原来的静态值，空间电荷区变宽，填充在深能级上的电子将向导带发射而形成瞬态电容。在施加周期性脉冲的过程中，碳化硅晶圆表面形成瞬态电容。
在步骤S20中，根据公式
以及所述瞬态电容变化曲线，通过计算机数值计算出耗尽层宽度曲线。
上述公式
描述了测量的电容与耗尽层宽度之间的关系。其中，C代表瞬态电容变化曲线的瞬态电容值、εSiC代表碳化硅的介电常数、dR代表耗尽层宽度值。
数值计算软件作为一种工具，可以对输入到数值计算软件中的公式以及相应数据进行计算。在本实施例中，采用MATLAB作为数值计算软件根据公式
以及所述瞬态电容变化曲线计算出耗尽层宽度曲线。在其他实施例中，可采用其他具有相同或相似功能的数值计算软件来实现。
在步骤S30中，根据公式
以及所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线。
上述公式
描述了瞬态电压与碳化硅耗尽层宽度之间的关系。其中，V代表瞬态电压值、q代表基本电荷量、Na代表碳化硅晶圆的掺杂浓度。需要说明的是，瞬态电压代表了碳化硅耗尽层积累的电荷所产生的电压。
在步骤S40中，根据公式
所述瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度。
上述公式
其中NT代表碳化硅晶圆某个能级上的缺陷态态密度、t代表时间。
请参考图2，为了获得缺陷态中电子/空穴发射速率，在一实施例中，碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法还包括以下步骤：
在步骤S50中，根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴发射速率。其中，ep代表空穴的发射速率。
请参考图3，为了获得缺陷态中电子/空穴捕获面积，在一实施例中，种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法还包括以下步骤：
在步骤S60中，根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴捕获面积。
其中，γ代表常数、σp代表空穴的捕获面积、T代表绝对温度、k代表玻尔兹曼常数、ET代表缺陷态在碳化硅禁带中的能级位置。
通过计算得出缺陷态中电子/空穴发射速率、缺陷态中电子/空穴捕获面积等碳化硅表面态的电学参数特性，可以更加科学直观地表征碳化硅晶圆的表面缺陷。
综上所述，本发明一种碳化硅表面缺陷态能量分布测量方法，通过利用碳化硅晶圆不同位置蒸度金属电极的方法，来实现表征和区分晶圆不同位置的表面缺陷电学性质差异。相比传统方法，具有表面缺陷态表征信息全面，能表征碳化硅晶圆表面不同区域等优点，适用于碳化硅材料科研和工业生产。
基于上述一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法，本发明实施例还提供了一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统，如图4所示，该系统包括以下模块：
瞬态电容变化曲线获取模块100，被配置为分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线，所述金属电极点为在所述碳化硅晶圆表面的不同位置处蒸镀的金属点；
耗尽层宽度曲线计算模块200，被配置为根据公式
以及所述瞬态电容变化曲线，得到耗尽层宽度曲线，其中C代表瞬态电容变化曲线的瞬态电容值、εSiC代表碳化硅的介电常数、dR代表耗尽层宽度值；
瞬态电压曲线计算模块300，被配置为根据公式
以及所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，其中V代表瞬态电压值、q代表基本电荷量、Na代表碳化硅晶圆的掺杂浓度；
缺陷态能量分布计算模块400，被配置为根据公式
所述瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，其中NT代表碳化硅晶圆某个能级上的缺陷态态密度、t代表时间。
请参考图5，在一实施例中，还包括：发射速率计算模块，被配置为根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴发射速率，其中ep代表空穴的发射速率。
请参考图6，在一实施例中，还包括：捕获面积计算模块，被配置为根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴捕获面积，其中γ代表常数、σp代表空穴的捕获面积、T代表绝对温度、k代表玻尔兹曼常数、ET代表缺陷态在碳化硅禁带中的能级位置。
综上所述，本发明实施例的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统，该系统可以实现为一种程序的形式，在计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统的各个程序模块，比如，图4所示的瞬态电容变化曲线获取模块100、耗尽层宽度曲线计算模块200、瞬态电压曲线计算模块300、缺陷态能量分布计算模块400。各个程序模块构成的程序使得处理器执行本说明书中描述的本申请各个实施例的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本申请各个实施例的一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法中的步骤。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线，所述金属电极点为在所述碳化硅晶圆表面的不同位置处蒸镀的金属点；
根据公式
以及所述瞬态电容变化曲线，得到耗尽层宽度曲线，其中C代表瞬态电容变化曲线的瞬态电容值、εSiC代表碳化硅的介电常数、dR代表耗尽层宽度值；
根据公式
以及所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，其中V代表瞬态电压值、q代表基本电荷量、Na代表碳化硅晶圆的掺杂浓度；
根据公式
所述瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，其中NT代表碳化硅晶圆某个能级上的缺陷态态密度、t代表时间。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法，其特征在于，还包括：根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴发射速率，其中ep代表空穴的发射速率。
3.根据权利要求2所述的碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法，其特征在于，还包括：根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴捕获面积，其中γ代表常数、σp代表空穴的捕获面积、T代表绝对温度、k代表玻尔兹曼常数、ET代表缺陷态在碳化硅禁带中的能级位置。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法，其特征在于，还包括：测量不同金属电极点的瞬态电容变化曲线，从而得出碳化硅晶圆表面不同位置处的表面态电学性质差异。
5.一种碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统，其特征在于，包括：
瞬态电容变化曲线获取模块，被配置为分别在不同施加电压、不同温度、不同电压脉冲时间的条件下，通过深能级瞬态谱仪器测量得到碳化硅晶圆与金属电极点构成的肖特基结构的瞬态电容变化曲线，所述金属电极点为在所述碳化硅晶圆表面的不同位置处蒸镀的金属点；
耗尽层宽度曲线计算模块，被配置为根据公式
以及所述瞬态电容变化曲线，得到耗尽层宽度曲线，其中C代表瞬态电容变化曲线的瞬态电容值、εSiC代表碳化硅的介电常数、dR代表耗尽层宽度值；
瞬态电压曲线计算模块，被配置为根据公式
以及所述耗尽层宽度曲线，计算出瞬态电压曲线，其中V代表瞬态电压值、q代表基本电荷量、Na代表碳化硅晶圆的掺杂浓度；
缺陷态能量分布计算模块，被配置为根据公式
所述瞬态电压曲线计算出碳化硅晶圆表面缺陷态的能级位置以及对应缺陷态密度，其中NT代表碳化硅晶圆某个能级上的缺陷态态密度、t代表时间。
6.根据权利要求5所述的碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统，其特征在于，还包括：发射速率计算模块，被配置为根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴发射速率，其中ep代表空穴的发射速率。
7.根据权利要求6所述的碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量系统，其特征在于，还包括：捕获面积计算模块，被配置为根据公式
计算出缺陷态中电子/空穴捕获面积，其中γ代表常数、σp代表空穴的捕获面积、T代表绝对温度、k代表玻尔兹曼常数、ET代表缺陷态在碳化硅禁带中的能级位置。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～4任一项所述的碳化硅晶圆表面缺陷态能量分布测量方法。
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|---|---|
| CN114216939B (zh) | 2024-01-30 |
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