4H-SiCにおけるキャリアの再結合機構と寿命制御

4H-SiC+におけるキャリアの再結合機構と寿命制御

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パワー半導体デバイスの主要な材料である 4H-SiC のキャリア寿命は、デバイスの性能と信頼性に決定的な影響を与えます。キャリアの寿命は、ショックレーリードホール (SRH) のバルク再結合、放射再結合、オージェ再結合、表面再結合などのさまざまな再結合メカニズムによって支配されます。 PIN ダイオードや IGBT などの SiC バイポーラデバイスでは、キャリア寿命の制御は、伝導損失とスイッチング損失のバランスをとり、バイポーラの劣化を抑制するために重要です。正確な寿命制御を達成するには、バルクキャリア寿命 (τ B) と表面再結合速度 (S) という 2 つの重要なパラメータを深く理解し、正確に評価する必要があります。

1。キャリア R組み合わせM仕組み

1.1 SRHR組み合わせ

SRH 再結合は、バンドギャップ内の欠陥エネルギーレベルを通じて発生する非発光再結合プロセスであり、4H-SiC バルクの寿命を決定する主なメカニズムです。 τSRH はキャリア注入のレベルに強く依存します。低注入条件下では、τSRH は少数キャリアの寿命にほぼ等しくなります。高噴射条件下では、τn+τp に向かう傾向があります。 τSRH に対する温度の影響は、欠陥エネルギー準位の位置に依存します。 4H-SiC では、Z1/2 センター（炭素空孔に由来）が主な再結合中心であり、その濃度は炭素リッチなエピタキシャル成長や熱酸化などの後処理プロセスを通じて効果的に低減でき、それによってバルク寿命が向上します。

図1 4H-SiCにおけるτ SRH と注入の依存性

1.2 放射線再結合とオージェ再結合

間接バンドギャップを持つ 4H-SiC における放射再結合の寄与は比較的小さいです。オージェ再結合は、非常に高いキャリア濃度 (通常は >5×10) でのみ顕著になります。¹⁸CM^-3)、オージェ再結合係数はキャリア濃度と温度の影響を受けます。 4H-SiC では、フォノン支援プロセスが支配的です。従来のデバイスの動作濃度では、これら 2 つの固有の再結合メカニズムの影響は、SRH 再結合および表面再結合の影響よりもはるかに小さくなります。

1.3 表面R組み合わせ

表面再結合速度は、キャリアの再結合に対する表面状態の影響を特徴付ける重要なパラメータです。結晶の周期構造の終端である表面には、SRH 再結合の強化として現れる多数の欠陥状態があります。表面再結合速度の値は固定されておらず、表面状態密度、エネルギー準位の位置、表面ポテンシャル障壁、注入レベルによって大きく影響されます。

2. 実験的S勉強してくださいS表面R組み合わせV雄弁さとP不活性化C制御する

研究者らは、マイクロ波光伝導減衰（μ-PCD）法を使用して、さまざまな表面処理（CMP、酸化、酸化+POA）、さまざまな結晶面（Si面、C面）、およびさまざまな励起濃度の下で4H-SiCの表面再結合速度値を体系的に測定しました。この結果は、結晶表面や処理プロセスに関係なく、励起キャリア濃度が増加すると表面再結合率が増加することを示しています。酸化結合後の酸化アニール処理により、表面再結合率が大幅に低下し、この処理が Si 面および C 面に効果的な不動態化効果を発揮することがわかります。

図2 表面再結合速度と注入光子密度（IPD）の関係

さらに、高注入条件下では、温度による表面再結合速度の変化は顕著ではなく、低注入条件下での挙動とは異なり、表面に潜在的な障壁または浅いエネルギー準位が存在するという見解をさらに裏付けています。これらの研究は、以前の文献における表面再結合速度値の大きな違いを説明するための重要な証拠を提供し、デバイス設計とプロセスの最適化にとって重要な指針となる重要性を持っています。

図3 IPDが1.9×1014cm−2の場合の表面再結合速度とバルクキャリア寿命の温度依存性

図3 IPDが1.9×10の場合の表面再結合速度とバルクキャリア寿命の温度依存性¹⁴CM⁻²

の比較M測定TのためのテクニックC配達人Lイフェタイム

キャリア寿命の正確な測定は、材料の評価とデバイスの分析にとって非常に重要です。一般的な手法には次のようなものがあります。

μ-PCD: 導電率の変化に基づいて、信号強度は高くなりますが、高注入下では非線形性を示します。

TR-PL: 放射再結合発光に基づいており、少数キャリア濃度に敏感で、トラップ効果が現れやすい。

TR-FCA: 自由キャリア吸収に基づいており、高注入下でも良好な信号直線性を持ち、高い空間分解能測定を実現できます。

原理が異なるため、これらの方法では同じサンプルでも異なる減衰曲線と寿命値が得られる場合があります。たとえば、TR-PL は少数キャリアトラップに対して非常に敏感であり、その減衰曲線は多くの場合、高速と低速の 2 つの要素を示しますが、μ-PCD と TR-FCA は総自由キャリア濃度の減衰をより反映します。測定結果を正しく解釈するには、これらの違いを理解することが重要です。

4.キャリアLイフェタイムC4Hで制御–SiCの Devices

キャリア寿命の制御は、4H-SiC デバイスのパフォーマンスを最適化するための中心的な手段の 1 つであり、その戦略はデバイスのタイプに応じて異なります。

MOSFET およびその他のユニポーラデバイス: ボディダイオードのバイポーラ動作 (積層欠陥伝播など) によって引き起こされるバイポーラ劣化を抑制するには、イオン注入 (プロトンやヘリウムイオンなど) によって点欠陥を導入するか、高ドープのバッファ層を成長させてドリフト領域のキャリア寿命を局所的に短縮し、基板への過剰な少数キャリア注入を防ぐ必要があります。

PIN ダイオードや IGBT などのバイポーラデバイスでは、導電率変調効果を高め、導電損失を低減するために、できるだけ長いボディ寿命が必要です。これは、エピタキシャル成長条件 (炭素が豊富な環境など) を最適化し、熱酸化などの後処理技術を使用して Z1/2 センターなどの深いレベルの欠陥を低減することによって実現されます。バイポーラデバイスの場合、伝導損失とスイッチング損失の間にはトレードオフの関係があります。高エネルギー粒子の局所照射およびその他の技術を使用することにより、キャリア寿命の局所的な制御が達成され、その結果、より優れた性能のトレードオフがもたらされる。

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参考文献：

加藤正史、小川明、ハン・L.、加藤哲也 (2024) 4H-SiC の表面再結合速度: 励起キャリア濃度と表面不動態化の依存性。半導体プロセスにおける材料科学、170、107980。
加藤正史 (2025) SiC および関連するワイドバンドギャップ半導体材料におけるキャリアのバルクおよび表面再結合。応用物理学雑誌、64(6)、060101。