第５章 p 型 SiC 結晶のキャリア寿命の向上
5.4 考察
Substrate Epilayer
N
TZ
1/2S r1
x
τ
epi≈ τ
Z1/2Tr ap conc ent ra tion
Depth 147 µ m
図 5.12： 数値解析で用いた as-grown のエピタキシャル成長層における深い準位の欠陥密度の結晶深さ 方向分布のモデル （ライフタイムキラーとしてZ1/2センターを仮定し，Z1/2センターの欠陥密度がエピタキシャ ル成長層中に均一に分布していると仮定）
図 5.13： 図5.12のモデルに従い行った数値解析による減衰曲線とのフィッティングの結果 （減衰曲線の 測定値を実線，数値解析による計算値を破線で示す．フィッティングの結果エピタキシャル成長層のキャリ ア寿命𝝉𝐞𝐩𝐢=𝟎.𝟗 µ𝐬 表面再結合速度𝑺𝐫𝟏=𝟏𝟎𝟎𝟎 𝐜𝐦/𝐬が得られた）
Time ( µ s)
Int egr at ed Ca rr ie r Conc ent ra tio n (nor m al iz ed )
0 1 2 3 4 5
10 0
10 -1
10 -2
Measurement (solid-line)
τ epi = 0.9 µ s S
r1= 1000 cm/s Calculation
(dashed-line)
as-grown
Time ( µ s)
Int egr at ed Ca rr ie r Conc ent ra tio n (nor m al iz ed )
0 1 2 3 4 5
10 0
10 -1
10 -2
Measurement (solid-line)
τ epi =
3 µ s Calculation (dashed-line)
Oxidation
2 µ s 1.5 µ s 0.9 µ s
Substrate Epilayer
N
TZ
1/2x
τ
epi≈ τ
bulkTr ap conc ent ra tion
147 µ m
S r1 = 1000 cm/s
Depth
図 5.14： 数値解析で用いた熱酸化処理後のエピタキシャル成長層における深い準位の欠陥密度の結晶 深さ方向分布のモデル① （ライフタイムキラーとしての Z1/2センターがエピタキシャル成長層中全域で消滅 していると仮定）
図 5.15： 図5.12の深い準位の分布モデル①に従い行った数値解析による減衰曲線とのフィッティングの 結果（減衰曲線の測定値を実線，数値解析による計算値を破線で示す）
Time ( µ s)
Int egr at ed Ca rr ie r Conc ent ra tio n (nor m al iz ed )
0 1 2 3 4 5
10 0
10 -1
10 -2
Measurement (solid-line)
Calculation (dashed-line)
(as-grown)
Oxidation
Tr ap conc ent ra tion
Substrate Epilayer
N
Tτ bulk τ Z1/2
= 0.9µs
τ sur
Z 1/2 HK0
ON1
147 µ m
S r1 = 1000 cm/s
W
bulkW
surW
Z1/2Depth
図 5.16： 数値解析で用いた熱酸化処理後のエピタキシャル成長層における深い準位の欠陥密度の結晶 深さ方向分布のモデル② （熱酸化処理により生成されるHK0センターやON1センターの深い準位の分布，
およびそれに伴うキャリア寿命の深さ方向分布を考慮）
図 5.17： 図5.16の深い準位の分布モデル②に従い行った数値解析による減衰曲線とのフィッティングの 結果（減衰曲線の測定値を実線，数値解析による計算値を破線で示す）
した３層モデルを用いて数値解析を行った。用いたモデルを図 5.16 に示す。ここで表面再結合速 度を𝑆r1= 1000 cm/s、as-grown 結晶のキャリア寿命を𝜏Z1/2= 0.9 µsと固定し、フィッティングパ ラメータを表面層と中間層の厚み(𝑊sur,𝑊sub)およびその領域のキャリア寿命(𝜏sur,𝜏bulk)とし、フィ ッティングを試みた。測定により得られた減衰曲線とフィッティングの結果を図 5.17 に示す。こ の結果、HK0 センターと ON1センターの存在する表面層のキャリア寿命𝜏sur= 0.7 µsおよび厚み 𝑊sur= 35 µm、深い準位の消滅領域のキャリア寿命𝜏sub= 9 µsおよび厚み𝑊sub= 70 µmとなる結果 が得られた。
さらに、高温Ar アニール処理後の減衰曲線とのフィッティングを試みた。ここでは、アニー ル処理により HK0センターが消滅し、かつZ1/2の消滅領域がさらに基板側へ拡張するというモデ ルを考えた。深い準位の消滅領域のキャリア寿命を先のフィッティングより求めた𝜏sub= 9 µs、 ON1センターで制限されるキャリア寿命をZ1/2センターのそれと同じ0.9 µsと固定し、ON1セン ターの領域は 35 µm のままとしてフィッティングを試みた。この場合の減衰曲線とフィッティン グの結果を図5.18に示す。この結果、Z1/2センターがエピタキシャル成長層から完全に消滅したと 仮定することでフィッティングと良い一致が見られた。各処理ステップに対して、数値解析により 算出したキャリア寿命と各領域の厚みを表5.1に示す。
表面パッシベーション後のモデルとして、表面再結合速度𝑆𝑟1を変化させ数値解析を試みたが、
測定された減衰曲線自体にあまり変化が見られなかったのと同様、数値解析の結果も、大きな変化 は見られなかった。測定の結果、熱酸化処理によって深い準位を低減したにもかかわらず、表面パ ッシベーション後の減衰曲線に変化が見られなかった原因は、以下の２つの要因によると考えられ る。1つはエピタキシャル成長層が厚くなり、表面再結合の影響が小さくなったこと、もう一つは、
そのような状況で、表面層にキャリア寿命の短い領域が生成したことが考えられる。表面再結合の 影響の低減については、as-grown のエピタキシャル成長層において、エピタキシャル成長層のキ ャリア寿命が0.9 µs程度であれば、すでに表面パッシベーションの効果が見えにくくなっていた(図 5.4)ことから理解できる。本来であれば深い準位の低減による SRH 再結合の低減に伴いキャリア 寿命が向上し、相対的に表面再結合の影響が現れてくる。現に 10 時間程度の熱酸化処理後では、
表面パッシベーションによるキャリア寿命の改善が見られた（図5.3）。しかし、さらに長時間の熱 酸化処理後には、表面パッシベーションによる減衰波形の変化は見られなくなった。これは表面の 深い準位の密度が増加、もしくはその領域の厚さが増加し、表面層のキャリア寿命が減少した結果、
表面付近で再びSRH再結合が表面再結合の影響を隠してしまったと考えられる。
このような仮定の基に立つと、基板除去後の自立エピタキシャル成長層のキャリア寿命の変化 も理解できる。基板除去の段階では、基板内での再結合（もしくはエピタキシャル成長層と基板界 面での再結合）の影響が排除され、効果は少ないながらも、キャリア寿命は改善した（図 5.10）。 しかし、その後熱酸化処理にともない、表面と裏面の両面の表層部にキャリア寿命の短い領域が生 成する。その結果、熱酸化処理後に図 5.11 に示すように自立エピタキシャル成長層のキャリア寿 命が減少したと考えられる。
以上より、減衰曲線に対する数値解析のフィッティングの結果、熱酸化処理により発生する HK0センターやON1センターの深い準位の分布、およびそれにともなうキャリア寿命の深さ方向
τ
surW
surτ
bulkW
bulkτ
Z1/2W
Z1/2(As-grown) - - - - 0.9 µ s
147 µmFig. 5.13
Oxidation 0.7 µ s 35 µ m 9.0 µ s 70 µ m
0.9 µs42 µ m Fig. 5.17
Oxidaion
+
Annealing
0.9 µs 35 µm 9.0 µs117 µ m
0.9 µs0 µ m Fig. 5.18
Surface Bulk As-grown
Data
分布を考慮することで、解析結果を測定された減衰曲線に比較的よく一致させることができた。ま たフィッティングの結果から、p型4H-SiCエピタキシャル成長層の深い準位の消滅した領域の真 のキャリア寿命は9 µsと見積もられた。この値の妥当性については、次章の考察にて議論する。
図 5.18： 図5.16のモデルに従い高温 Arアニール処理の後に得られた減衰曲線に対して行った 数値解析によるフィッティングの結果 （高温ArアニールによりHK0センターは消滅しZ1/2センター の消滅領域は基板の深さ方向へ拡張すると仮定）
表 5.1： 数値解析により算出した各領域のキャリア寿命と深さ方向の厚み
（太字がフィッティングパラメータ、細字が固定パラメータを示す）