在半导体器件性能参数中，少数载流子寿命占据核心地位，尤其在SiC应用于高压器件时，其对整体性能起着决定性作用。通过控制载流子寿命，能显著提升器件在不同场景下的表现。然而，4H-SiC外延层中，载流子寿命受多种复杂因素制约，外延层表面、与衬底的界面、外延层自身以及衬底都会影响载流子复合。同时，测量条件的差异，如激发波长和强度的变化，也会干扰有效载流子寿命的准确测定。这使得精准把握载流子寿命变得极具挑战性，亟待创新的测量方法与技术来突破困境。

研究采用的MDP技术（微波探测光电导衰减技术），依托 Freiberg Instrument 的MDPmap设备开展测量工作。该设备具备卓越性能，其微波频率为9.4 GHz，在测量过程中展现出强大的穿透能力，即使对于激发电荷载流子浓度达10¹⁷ cm^-3。

实验选用的4H-SiC外延层样品，厚度范围 12 – 62 μm，均生长在350μm 厚、电阻率约 0.02 Ω・cm 的n+ 4H-SiC。且统一为n型掺杂，掺杂浓度处于10¹⁴至10¹⁵ cm-3区间，在测量环节，MDP与 TRPL（时间分辨荧光测量- time-resolved PL）测量均在高注入条件下进行，使用同一台激光器产生的 3ns 脉冲（337nm，对应注入水平约1 ~ 5×10¹⁷ cm^-3)作为激发光源确保两种技术处于相同的激发条件，增强数据的可比性。
图 1. 在3 ns激光脉冲进行光激发后，对 55 µm 厚的 4H-SiC 外延层进行 MDP（黑色迹线）和 PL（蓝色：PL 处的 NBE nm 391；绿色：510 nm 处的缺陷）测量的归一化信号。室温下的测量关联：研究发现，对于厚度大于22μm的外延层，近带边发射（NBE）光致发光寿命的较长成分与 MDP 寿命呈现明显的正相关趋势。这一现象表明，在这类外延层中，MDP 衰减主要由少数载流子寿命主导。而对于厚度小于17μm的薄外延层，NBE衰减特性因靠近衬底而变得复杂，受衬底影响显著。不过，其缺陷光致发光衰减时间却与MDP寿命高度匹配。这一发现得益于MDP技术对衬底干扰的低敏感性，Freiberg Instrument的 MDPmap设备凭借高灵敏度和精准度，成功捕捉到了这些细微差异，为深入理解薄外延层载流子复合机制提供了关键线索。
图 2. 室温 PL 衰减时间常数（蓝色方块：391 nm PL（NBE）较长衰减时间；绿色圆圈：510 nm 缺陷 PL 较长衰减时间）与MDP衰减时间常数的相关性，适用于几种（a）“厚”（11个样品，主要厚度为 55 µm，但也包括 22.4 至 62.2 µm 的样品）和（b）“薄”（11个样品，厚度范围为 11 至 16 µm，其中大多数具有12 或15 µm）4H-SiC 外延层。对角线是视觉引导，表示PL和MDP时间常数之间的 1:1相关性。在温度依赖特性研究方面，MDP 技术与 Freiberg Instrument 的设备再次发挥关键作用。对于厚外延层，在72 - 293K的温度区间内，NBE信号衰减特性随温度变化呈现出明显规律。在低温段，主要以约150ns的与温度无关的单指数衰减为主；当温度超过250K时，遵循少数载流子寿命的较慢成分开始凸显。同时，缺陷光致发光衰减和MDP衰减也呈现出复杂的多成分特征，且各成分随温度变化呈现不同趋势。薄外延层的NBE衰减同样受温度影响明显，随着温度升高，热激活载流子扩散加剧，导致衬底和表面的载流子复合贡献增加，NBE衰减特性发生显著变化。而MDP衰减在薄外延层中与厚外延层具有相似的温度相关特征，尽管由于样品体积较小导致信噪比降低，但Freiberg Instrument的设备依然稳定采集到有效数据，确保研究顺利进行。
图 3. (a) 55 µm 和 (b) 12 µm 外延层的MDP和PL衰减时间常数的温度依赖性。研究意义与应用展望：本研究借助Freiberg Instrument的MDPmap设备与MDP技术，清晰地揭示了4H-SiC外延层中载流子寿命的特性。研究表明，MDP信号衰减由与少数载流子寿命相关的快速衰减部分和受温度影响的慢速成分构成，且与NBE相比，MDP和缺陷光致发光衰减受衬底载流子复合干扰更小，更适合用于研究薄4H-SiC外延层的载流子寿命。这一成果不仅加深了科研人员对4H-SiC外延层载流子复合机制的理解，也为半导体器件的设计与优化提供了重要理论依据。


该文章翻译于Institute of Applied Physics和Freiberg Instruments等机构共同研究的工作。