熱氧化和氫退火延長 P 型 4H-SiC 外延層載流子壽命的研究

核心概念

結合熱氧化和氫退火可以有效減少碳化矽外延層中的碳空位缺陷，從而顯著提高 P 型 4H-SiC 外延層的少數載流子壽命。

摘要

文獻信息

Zhang, R., 等人. (年份). 熱氧化和氫退火延長 P 型 4H-SiC 外延層載流子壽命. 期刊名稱, 卷(期), 頁碼. https://doi.org/XXXX/XXXX

研究目標

本研究旨在探討熱氧化和氫退火對 P 型 4H-SiC 外延層少數載流子壽命的影響，並闡明其背後的物理機制。

研究方法

• 採用微波光電導衰減法（μ-PCD）測量 P 型 4H-SiC 外延層在不同處理條件下的少數載流子壽命。
• 利用光致發光（PL）和光學顯微鏡觀察外延層的缺陷形貌。
• 結合深能級瞬態譜（DLTS）和電子自旋共振（ESR）技術分析缺陷類型和濃度的變化。

主要發現

• 熱氧化可以通過減少碳空位來提高少數載流子壽命，但也會產生碳簇和表面蝕坑，對少數載流子壽命產生負面影響。
• 高溫氫退火可以有效減少堆垛層錯和位錯密度，但高溫下氫的刻蝕效應也會造成蝕坑的形成。
• 低壓低溫氫退火可以保護 4H-SiC 外延層表面，並通過分解碳簇和促進碳原子擴散來顯著減少碳空位，從而提高少數載流子壽命。

主要結論

• 熱氧化和氫退火對 4H-SiC 外延層缺陷的產生和消除具有協同作用。
• 雙重熱氧化和延長的低壓氫退火相結合可以顯著提高 P 型 4H-SiC 外延層的少數載流子壽命，達到 25.46 μs。

研究意義

本研究揭示了熱氧化和氫退火處理對 4H-SiC 外延層缺陷和少數載流子動力學的影響機制，為提高碳化矽基器件的性能提供了重要的理論依據和實驗指導。

研究局限和未來方向

• 未對氫退火過程中新產生的缺陷（HP1/2 和 HP3）進行深入研究。
• 需要進一步優化熱氧化和氫退火的工藝參數，以最大限度地提高少數載流子壽命。
• 未來研究可以探討其他缺陷鈍化技術對碳化矽外延層性能的影響。

統計資料

經過兩次熱氧化和氫退火處理後，P 型 4H-SiC 外延層的少數載流子壽命從 2.23 μs 顯著提高到 25.46 μs。
氫退火前的 g 因子為 1.9968，氫退火 3 小時後變為 1.9965，表明碳空位缺陷在氫退火前後都是主要的點缺陷。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Prolonging Carrier Lifetime in P-type 4H-SiC Epilayer by Thermal Oxidation and Hydrogen Annealing

by Ruijun Zhang... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10777.pdf

深入探究

除了熱氧化和氫退火，還有哪些其他的表面處理技術可以應用於改善碳化矽外延層的品質？

除了熱氧化和氫退火，還有其他表面處理技術可以應用於改善碳化矽外延層的品質，以下列舉幾種：

磷酸退火（Phosphoric acid annealing）: 這是一種濕法氧化技術，可以在碳化矽表面形成一層SiO2，並有效減少表面缺陷，例如螺型位錯（TSD）和邊緣位錯（TED）。與熱氧化相比，磷酸退火可以在較低溫度下進行，降低熱應力造成的缺陷產生。
離子佈植（Ion implantation）: 這是一種通過將特定離子注入材料來改變其物理性質的技術。在碳化矽中，可以利用碳離子佈植來補償碳空位缺陷，進而提升少數載流子壽命。然而，離子佈植也可能引入新的缺陷，需要後續退火處理來修復。
化學機械拋光（Chemical mechanical polishing, CMP）: 這是一種利用化學和機械作用去除材料表面的技術。CMP可以有效降低碳化矽表面的粗糙度，減少表面缺陷密度，進而改善少數載流子壽命。
磊晶層剝離和接合技術（Epitaxial layer transfer and bonding techniques）: 這些技術可以將高品質的碳化矽磊晶層轉移到其他基板上，從而避免基板缺陷對磊晶層品質的影響。例如，可以將磊晶層生長在高品質的碳化矽單晶基板上，然後再將其轉移到價格較低的碳化矽襯底上。

需要注意的是，不同的表面處理技術各有優缺點，需要根據具體應用需求選擇合適的技術。

該研究主要關注碳空位缺陷的影響，其他類型的缺陷，例如雜質和界面缺陷，對載流子壽命的影響如何？

該研究的確主要關注碳空位缺陷對載流子壽命的影響，但其他類型的缺陷，例如雜質和界面缺陷，也會對載流子壽命產生顯著影響：

雜質缺陷:

金屬雜質: 過渡金屬雜質，例如鐵、鎳、鉻等，會在碳化矽中形成深能級缺陷，充當載流子的複合中心，縮短載流子壽命。
非金屬雜質: 氮、硼等非金屬雜質，雖然是碳化矽中常用的摻雜元素，但過高的濃度也會形成缺陷，影響載流子壽命。

界面缺陷:

氧化層/碳化矽界面: 界面態、懸掛鍵等缺陷會捕獲載流子，降低界面處的載流子壽命。
磊晶層/襯底界面: 由於晶格失配和熱膨脹係數差異，界面處容易產生缺陷，影響載流子傳輸和複合。
這些缺陷會影響載流子的產生、傳輸和複合過程，進而影響器件性能。例如，深能級缺陷會捕獲載流子，降低載流子濃度和遷移率，增加器件的導通電阻。界面缺陷會導致載流子在界面處散射和複合，降低器件的開關速度和效率。
因此，在製備高品質碳化矽材料和器件時，需要盡可能減少各種缺陷的產生。

如果將此技術應用於大規模生產，成本和良率將會面臨哪些挑戰？

將熱氧化和氫退火技術應用於大規模生產碳化矽外延層，確實會面臨成本和良率方面的挑戰：

成本:

高溫處理: 熱氧化和氫退火都需要高溫處理，這需要高溫爐管和精密的溫度控制系統，增加了設備成本和能耗。
長時間處理: 為了達到理想的缺陷消除效果，熱氧化和氫退火都需要較長的處理時間，這降低了生產效率，增加了生產成本。
氫氣安全: 氫氣是一種易燃易爆氣體，使用氫氣退火需要特殊的安全措施，例如防爆裝置和氣體洩漏監測系統，這也增加了生產成本。

良率:

晶圓翹曲: 碳化矽材料在高溫處理過程中容易發生翹曲，這會影響後續製程的良率。
缺陷控制: 雖然熱氧化和氫退火可以減少缺陷，但難以完全避免新的缺陷產生，例如氧化層/碳化矽界面缺陷。
均勻性控制: 大尺寸晶圓的熱氧化和氫退火需要保證處理的均勻性，這對工藝控制提出了更高的要求。
為了克服這些挑戰，需要開發新的低成本、高效率、高良率的表面處理技術，例如：

低溫處理技術: 例如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，可以在較低溫度下形成高质量的氧化层，降低成本和缺陷产生。
快速處理技術: 例如快速熱退火（RTA）技術，可以縮短處理時間，提高生產效率。
原位處理技術: 例如在磊晶生長過程中進行原位氫退火，可以減少後續處理步驟，提高良率。
此外，还需要加强工艺控制，提高设备自动化程度，以及开发新的缺陷检测技术，才能有效降低成本，提高良率，推动碳化矽器件的大规模应用。