SiCキャリア寿命評価法標準化 に向けての課題

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1 SiCキャリア寿命評価法標準化 に向けての課題
加藤　正史 名古屋工業大学大学院工学研究科 @m34kato

2 キャリア寿命評価の困難さ 見かけの値だけでエピ膜の欠陥（品質）は議論できない 比較できてる？ キャリア寿命は ・エピ膜の欠陥
Mater. Sci. Forum (2013) 637.のFig.3 比較できてる？ キャリア寿命は 　・エピ膜の欠陥 　・表面および基板/エピ界面欠陥 　・エピ膜厚・ドーピング 　・励起光・温度（評価法） 　　　に依存する 見かけの値だけでエピ膜の欠陥（品質）は議論できない

3 標準化の重要性 キャリア寿命 ウェハの品質評価に適す しかし標準がない場合 欠陥密度を反映 非接触評価法が存在
デバイス（バイポーラ・光）性能に直結 ウェハの品質評価に適す しかし標準がない場合 ユーザー側：採用すべきベンダーがわからない 　　　　　　デバイス性能が予測できない ベンダー側：開発目標が立てづらい アンフェアな値を採用する動機に

4 SEMIでは Document Origin Topic
MF-28 ~1961 IEEE/ASTM/SEMI contacted photoconductance decay on rectangular bars MF ~1994 ASTM/SEMI m-pcd (microwave reflectance), wafers AUX SEMI General lifetime-test framework common to all sensors PV SEMI m-pcd (microwave reflectance) wafers, bricks PV SEMI eddy current, PCD and QSSPC,

5 SiCキャリア寿命評価法 励起光を使う手法（ウェハのまま評価可能） 電流注入を使う手法（pn接合で評価）
マイクロ波光導電減衰法(m-PCD) マイクロ波でプロープ 時間分解フォトルミネッセンス (TR-PL) バンド端発光でプローブ 時間分解自由キャリア吸収 (TR-FCA) サブバンドギャップ光でプローブ 電流注入を使う手法（pn接合で評価） Open circuit voltage decay (OCVD) ウェハで測定できないため、今回の議論からは除外

6 m-PCD 導電率変化をマイクロ波の反射により検出 R  q(mp+mn)p 励起光 試料 導波管 マイクロ波 反射
　mn,p：移動度、p:過剰キャリア密度

7 TR-PL バンド端ルミネッセンスの時間変化を検出 励起光 BPF 理論上、高水準注入では補正が必要 試料 フォトマルorPD
g：輻射再結合係数 理論上、高水準注入では補正が必要

8 TR-FCA プローブ光強度の変化を検出 試料 PD オシロ プローブ光 励起光 = 𝑁 𝑞 2 λ 2 𝑚 ∗ 8𝜋𝑛 𝑐 3 𝜏
[1] J. Linnros, J. Appl. Phys. 84 (1998). = 𝑁 𝑞 2 λ 2 𝑚 ∗ 8𝜋𝑛 𝑐 3 𝜏 光吸収断面積を通じた信号 N：キャリア密度、：光の波長 m*：キャリア有効質量 n：屈折率、c:光速、：緩和時間 J. I. Pankove, “Optical processes in semiconductors,” Dover Publications (1971).

9 評価法間の比較 課題１ 正確かつ、使いやすい評価法は？ キャリア寿命t のマッピング t は評価法間で異なる（若干の高水準注入条件）
P. B. Klein, J. Appl. Phys. 103, (2008)のFig.2 t は評価法間で異なる（若干の高水準注入条件） 課題１ 　正確かつ、使いやすい評価法は？

10 測定条件による違い：注入・温度 注入水準による違い 温度による違い
T. Hayashi et al., J. Appl. Phys. 109, (2011)のFig.2 注入水準による違い T. Hayashi et al., J. Appl. Phys. 109, (2011)のFig.3 温度による違い

11 測定条件による違い：波長・伝導型 様々な条件でt は変わる 励起波長による違い 伝導型による違い
T. Miyazawa et al., Appl. Phys. Lett. 97, (2010)のFig.1 励起波長による違い T. Hayashi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 53, (2014)のFig.3 様々な条件でt は変わる 伝導型による違い

12 試料条件による違い：膜厚、表面 膜厚が厚いほど、 表面・界面の品質が良い（SRVが低い）ほど、t が長い
T. Kimoto et al., J. Appl. Phys. 108, (2010)のFig.4 T. Kimoto et al., J. Appl. Phys. 108, (2010)のFig.3 膜厚依存性 表面依存性 膜厚が厚いほど、 表面・界面の品質が良い（SRVが低い）ほど、t が長い

13 SiCにおいて注意すべき点 課題２ 温度・ドーピング濃度・膜厚が異なる場合は？ 温度に関して 高温でのτも重要 注入水準に関して
オン状態では高水準注入 ターンオフでは低・高水準注入どちらも重要 ただし水準はドーピング依存（注入キャリア>or<ドーピング） 励起光に関して 侵入長によるキャリア分布の影響 伝導型に関して ｎ型とｐ型では異なる 膜厚、表面・界面に関して 膜厚で表面・界面の影響が変わる。表面・界面の品質も影響 課題２ 　温度・ドーピング濃度・膜厚が異なる場合は？

14 キャリア減衰に関する式 キャリア濃度の時間変化 t で近似して書くと 1 tSRHのみ、指数関数で減衰すれば話は… 知りたいのはココ 時間
規格化信号（対数プロット） tSRHのみ、指数関数で減衰すれば話は… 時間

15 実際の減衰 指数関数であることの方が稀 ・表面/界面再結合 ・複数の再結合中心 ・表面での強い励起
P. B. Klein et al., Phys. Status Solidi 208, 2790 (2011)のFig.4 T. Miyazawa et al., Appl. Phys. Lett. 97, (2010)のFig.1 指数関数であることの方が稀 ・表面/界面再結合 ・複数の再結合中心 ・表面での強い励起 T. Okuda et al., Appl. Phys. Express 7 (2014) のFig.1

16 tSRHのみでも指数関数にならない 再結合中心のみならず やっかいな欠陥準位（トラップ）がある
P.B. Klein et al., Phys. Status Solidi 208, 2790 (2011)のFig.3 T. Okuda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 52 (2013) のFig.2 M. Ichimura, Solid. State. Electron. 50, 1761 (2006). M. Kato et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46, 5057 (2007). 再結合中心のみならず やっかいな欠陥準位（トラップ）がある

17 複数のt の見積もり方 課題３ 標準化可能なt を読み取る方法は？ 規格化信号（対数プロット） 時間 1 1/e寿命? 1/e2寿命?
指数関数ではない減衰 1/e 規格化信号（対数プロット） ある時間の微分値？ 1/e2 速い指数的減衰？ 遅い指数的減衰？ 複数の指数関数の減衰 時間 課題３ 　標準化可能なt を読み取る方法は？

18 課題のまとめ 課題１ 課題２ 課題３ 正確かつ、使いやすい評価法は？ 温度・ドーピング濃度・膜厚が異なる場合は？
　正確かつ、使いやすい評価法は？ 課題２ 　温度・ドーピング濃度・膜厚が異なる場合は？ 課題３ 　標準化可能なt を読み取る方法は？

19 課題１に対する提案 課題１ 正確かつ、使いやすい評価法は？ m-PCDはSiにおいても標準の評価法であり、悪くはない
　正確かつ、使いやすい評価法は？ TR-FCAでは低水準注入が測れない（測りづらい） 標準の評価には向かない TR-PLは高水準注入の報告がSiでもほとんどない 若干の不安がある m-PCDは高水準注入の信号に問題がある ある程度は回避可能？ m-PCDはSiにおいても標準の評価法であり、悪くはない

20 課題２に対する提案 課題２ 温度・ドーピング濃度・膜厚が異なる場合は？
　温度・ドーピング濃度・膜厚が異なる場合は？ 温度依存 室温を標準の基本とし、 高温バイポーラ向けのみのオプションとしては ドーピング密度 ドーピングの値を基準に、励起光強度（注入キャリア）を決めるべき 低水準のみ、低・高水準の両方、中間の水準　が候補 励起光波長は固定すべき 侵入長を考えると　355 or 349 nmが適す 伝導型はn型に限定すべき 膜厚は基準を複数用意 表面・界面は良好な品質・低い再結合速度を仮定 まずは350 nm程の励起光でn型、室温、基準膜厚で標準化、励起強度はドーピングの値で変えるべき

21 課題３に対する提案 課題３ 標準化可能なt を読み取る方法は？ 1/eライフタイムはSiでも採用されており、悪くはない 指数関数の傾きが理想
ただし指数関数減衰は常には期待できない どの傾きを使うかに恣意性がある ある時間における信号（1/e・1/e2ライフタイム or 微分値）は現実的 キャリア寿命が支配的に反映されてない懸念はある ただし恣意性はない 1/eライフタイムはSiでも採用されており、悪くはない

22 課題と提案のまとめ 課題１ 課題２ 課題３ 正確かつ、使いやすい評価法は？ 温度・ドーピング濃度・膜厚が異なる場合は？
　正確かつ、使いやすい評価法は？ m-PCDはSiにおいても標準の評価法であり、悪くはない 課題２ 　温度・ドーピング濃度・膜厚が異なる場合は？ まずは350 nm程の励起光でn型、室温、基準膜厚で標準化、励起強度はドーピングの値で変えるべき 課題３ 　標準化可能なt を読み取る方法は？ 1/eライフタイムはSiでも採用されており、悪くはない 継続的に助言をいただいている市村正也教授、キャリア寿命の研究を援助いただいている科研費等に感謝いたします

23 補足：我々（名工大）の成果 ・表面再結合速度の定量化 ・高水準注入でのm-PCD測定の正確性 ・TR-FCAとm-PCDとの比較
"Surface recombination velocities for n-type 4H-SiC treated by various processes" Y. Mori et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (2014) ”Estimation of surface recombination velocities for n-type 4H-SiC surfaces treated by various processes” Y. Mori et al., Mater. Sci. Forum (2014) “Estimation of the Surface Recombination Velocity from Thickness Dependence of the Carrier Lifetime in n-type 4H-SiC Epilayers” M. Kato et al., Jpn. J. Appl. Phys. 51 (2012) 02BP12 ・高水準注入でのm-PCD測定の正確性 ”Correlation between Microwave Reflectivity and Excess Carrier Concentrations in 4H-SiC” M. Kato et al., Mater. Sci. Forum (2014) “Microwave reflectivity from 4H-SiC in the high injection condition: Impacts of the electron-hole scattering” M. Kato et al. presented at SSDM2014. ・TR-FCAとm-PCDとの比較 “Time-Resolved Observation of Free Carrier Absorption for Carrier Lifetime Measurement of SiC” M. Kato et al. presented at IUMRS-ICA2014.

24 表面再結合速度 t のエピ膜厚み依存性により見積もり可能 自立エピを作製し評価 得られたt を計算値と比較

25 定量した値 t の実験と計算の比較 また、温度依存はほとんどない p型および他の面方位も測定中

26 高水準注入でのm-PCD測定の正確性 比例、つまり実線に乗るなら正確 よって低水準注入ならば正確な評価 なぜ高水準注入では不正確か

27 原因i：マイクロ波の非線形性 マイクロ波の反射率はそもそも導電率に比例しない 導電率変化を小さくし線形近似していた
K. Lauer et al. J. Appl. Phys. 104 (2008) のFig. 5 マイクロ波の反射率はそもそも導電率に比例しない 導電率変化を小さくし線形近似していた

28 原因ii：電子正孔対散乱 キャリア同士で散乱し移動度が低下 導電率は q(mp+mn)p なので、Δpに比例しなくなる

29 原因iへの対策：ピンホールを利用 励起光 ピンホールにより試料の一部のみ励起 観測範囲の導電率変化を抑えて、原因iを抑制 試料
ガンダイオード 試料 導波管 マイクロ波 励起光 ピンホール 反射 マイクロ波 検出器 ピンホールにより試料の一部のみ励起 観測範囲の導電率変化を抑えて、原因iを抑制

30 ピンホールを用いた結果(355 nm) 高い注入でも比例に近くなる 25 mmfのピンホールでは1016 cm-2程度でも比例
しかし、完全に傾き１にはならない

31 原因ii：電子正孔対散乱の影響 SiCにおいて電子正孔対散乱は無視できない 計算と実験の信号の傾き・キャリア寿命は同傾向

32 高水準注入でのm-PCD測定 キャリア寿命を過大評価する傾向 これらを理解することで 高水準注入での正確なキャリア寿命測定へ
原因i ：マイクロ波反射率の導電率依存 ピンホールにより対策可能 原因ii：移動度のキャリア濃度依存 計算により予測可能？ これらを理解することで 高水準注入での正確なキャリア寿命測定へ

33 TR-FCAによるキャリア減衰信号 TR-FCAは測定位置分解に優れる 応用展開のため基礎検討を行い、信号を得た
Excited with 1.4×1015 cm-2 TR-FCAは測定位置分解に優れる 応用展開のため基礎検討を行い、信号を得た

34 信号の線形性 m-PCDでは >1014 cm-2で線形性を失うが TR-FCAでは逆に >1014 cm-2で線形
高水準注入では正確？

35 TR-FCAとm-PCDとの比較 𝛼= 𝑁 𝑞 2 λ 2 𝑚 ∗ 8𝜋𝑛 𝑐 3 𝜏 m-PCDの減衰はTR-FCAよりも緩やか
自由キャリア吸収係数 𝛼= 𝑁 𝑞 2 λ 2 𝑚 ∗ 8𝜋𝑛 𝑐 3 𝜏 N：キャリア密度、：光の波長 m*：キャリア有効質量 n：屈折率、c:光速、：緩和時間 J. I. Pankove, “Optical processes in semiconductors,” Dover Publications (1971). m-PCDの減衰はTR-FCAよりも緩やか 電子正孔対散乱が影響か？ それでもTR-FCAでのキャリア寿命は短すぎ。今後の確認が課題