基于深度分辨光电导法的半导体缺陷检测---Freiberg Instruments MDP技术
随着半导体器件结构向多层化、薄层化发展，传统载流子寿命检测技术已难以满足精度需求。固定激发深度的测量方法无法区分表面重组效应与体材料/界面缺陷，导致工艺优化缺乏针对性指导。Freiberg Instruments公司在相关期刊发表的突破性研究表明，其新型微波检测光电导率系统（MDP）通过可编程脉冲激光激发与深度关联算法，首次实现5-300μm范围内缺陷分布的三维可视化(图1)。
图1. 厚度为300 µm的样品在短脉冲 (200 ns) 激发和稳定状态(200 µs)激发后产生的模拟载流子分布
核心技术原理
1. 可变脉冲激光激发系统
·脉冲宽度连续调节：200ns至10ms，覆盖瞬态至准稳态测量
·深度控制方程：；其中表示载流子渗透深度（检测深度），是载流子扩散系数（材料相关常数），为激光脉冲宽度（系统可控变量），为材料光吸收系数（与波长相关），代表入射光子通量（与激光功率相关）
·可实现从表层（5μm）到基板界面（>50μm）的逐层扫描。
2. 高灵敏度微波检测(图2)
·9.3GHz共振腔：信噪比较传统系统提升100倍
·双相位锁定放大：可检测最低1E8 cm⁻³载流子浓度
图2。灵敏度提高100倍的示例；50 µm p掺杂硅外延层位于高掺杂硅基板上3. 深度分辨算法
基于载流子扩散模型的逆向求解，将不同脉冲宽度下的寿命测量值转换为深度分布函数，空间分辨率达±2μm。
a. 表面与体缺陷分离能力(图3)
对30μm n型硅外延层的测试显示：
·短脉冲（500ns）：寿命值2.7μs（表面重组主导）
·长脉冲（5ms）：寿命值升至9.1μs（体材料缺陷显现）
·低注入条件（Δn=1E13 cm⁻³）：界面缺陷响应灵敏度提升5倍
b. 超薄层检测极限
在5μm碳化硅外延层的对比测试中：
·MDP系统信噪比达23:1
·可识别表面10nm氧化层导致的寿命降低（Δτ＞15%）
c. 效率提升验证
·单点检测速度：200ms（传统方法＞3s）
·全深度扫描效率：15组脉冲参数仅需45s
图3. 用热氧化物钝化的6 µm n-Si 外延层 (a)和用非晶Si钝化的30 µm n-Si外延层(b)在不同脉冲宽度下的注入相关寿命曲线。
技术优势与价值
1. 三维缺陷可视化
·通过脉冲宽度扫描生成寿命-深度曲线，直接输出：
·表面重组速率（S）
·体材料寿命（τbulk）
·界面态密度
2. 超薄材料分析能力
·支持≥5μm薄层检测（传统方法极限：20μm）
·表面粗糙度容忍度提升300%
3. 全流程兼容性
·非接触测量：避免探针损伤，适用于在线工艺监控
·宽温区测试：-190℃~300℃
技术应用方向
1.外延生长工艺优化
o实时监测外延层缺陷密度梯度
o量化评估生长速率波动对界面质量的影响
2.钝化层质量评估
o检测表面钝化层厚度均匀性
o分析界面态密度与钝化工艺参数的关联性
3.先进器件研发
oSiC/GaN功率器件失效分析
o超薄SOI晶圆界面缺陷定位
综上，Freiberg instruments公司的MDP技术以其变脉冲长度测量、高灵敏度、对多层结构材料的精准分析能力、定量数据优势以及广泛的应用前景，成为材料检测领域的卓越技术。无论是在科研机构探索材料的微观世界，还是在工业生产中保障产品质量，MDP技术都发挥着不可替代的作用，引领着材料检测技术的发展方向，为材料科学和相关产业的进步注入了强大动力。
该文章翻译于Freiberg Instruments机构研究的工作。本文发表于Aip Conference American Institute of Physics中，详情可查阅：Injection Dependent Lifetime Spectroscopy with a Varying Pulse Length
图1. 厚度为300 µm的样品在短脉冲 (200 ns) 激发和稳定状态(200 µs)激发后产生的模拟载流子分布核心技术原理
1. 可变脉冲激光激发系统
·脉冲宽度连续调节：200ns至10ms，覆盖瞬态至准稳态测量
·深度控制方程：；其中表示载流子渗透深度（检测深度），是载流子扩散系数（材料相关常数），为激光脉冲宽度（系统可控变量），为材料光吸收系数（与波长相关），代表入射光子通量（与激光功率相关）
·可实现从表层（5μm）到基板界面（>50μm）的逐层扫描。
2. 高灵敏度微波检测(图2)
·9.3GHz共振腔：信噪比较传统系统提升100倍
·双相位锁定放大：可检测最低1E8 cm⁻³载流子浓度
图2。灵敏度提高100倍的示例；50 µm p掺杂硅外延层位于高掺杂硅基板上3. 深度分辨算法基于载流子扩散模型的逆向求解，将不同脉冲宽度下的寿命测量值转换为深度分布函数，空间分辨率达±2μm。
a. 表面与体缺陷分离能力(图3)
对30μm n型硅外延层的测试显示：
·短脉冲（500ns）：寿命值2.7μs（表面重组主导）
·长脉冲（5ms）：寿命值升至9.1μs（体材料缺陷显现）
·低注入条件（Δn=1E13 cm⁻³）：界面缺陷响应灵敏度提升5倍
b. 超薄层检测极限
在5μm碳化硅外延层的对比测试中：
·MDP系统信噪比达23:1
·可识别表面10nm氧化层导致的寿命降低（Δτ＞15%）
c. 效率提升验证
·单点检测速度：200ms（传统方法＞3s）
·全深度扫描效率：15组脉冲参数仅需45s
图3. 用热氧化物钝化的6 µm n-Si 外延层 (a)和用非晶Si钝化的30 µm n-Si外延层(b)在不同脉冲宽度下的注入相关寿命曲线。技术优势与价值
1. 三维缺陷可视化
·通过脉冲宽度扫描生成寿命-深度曲线，直接输出：
·表面重组速率（S）
·体材料寿命（τbulk）
·界面态密度
2. 超薄材料分析能力
·支持≥5μm薄层检测（传统方法极限：20μm）
·表面粗糙度容忍度提升300%
3. 全流程兼容性
·非接触测量：避免探针损伤，适用于在线工艺监控
·宽温区测试：-190℃~300℃
技术应用方向
1.外延生长工艺优化
o实时监测外延层缺陷密度梯度
o量化评估生长速率波动对界面质量的影响
2.钝化层质量评估
o检测表面钝化层厚度均匀性
o分析界面态密度与钝化工艺参数的关联性
3.先进器件研发
oSiC/GaN功率器件失效分析
o超薄SOI晶圆界面缺陷定位
综上，Freiberg instruments公司的MDP技术以其变脉冲长度测量、高灵敏度、对多层结构材料的精准分析能力、定量数据优势以及广泛的应用前景，成为材料检测领域的卓越技术。无论是在科研机构探索材料的微观世界，还是在工业生产中保障产品质量，MDP技术都发挥着不可替代的作用，引领着材料检测技术的发展方向，为材料科学和相关产业的进步注入了强大动力。
该文章翻译于Freiberg Instruments机构研究的工作。本文发表于Aip Conference American Institute of Physics中，详情可查阅：Injection Dependent Lifetime Spectroscopy with a Varying Pulse Length