Muonium dynamics as a probe for depth-resolved properties of 4H-SiC

技术摘要：利用胶状氢动力学探测 4H-SiC 的深度分辨特性

问题陈述
碳化硅 (4H-SiC) 是高功率和高温应用中关键的宽禁带半导体。虽然外延生长可以实现精确的层控制，但器件制造通常依赖离子注入进行选择性掺杂。这一过程会引入显著的晶格损伤，需要通过后注入退火 (PIA) 来恢复并激活掺杂剂。表征由此产生的缺陷密度、掺杂激活度和载流子分布（特别是近表面区域，即前 100 nm）具有挑战性。传统的深度能谱 (DLTS) 技术受限于掺杂浓度，且对近表面区域缺乏敏感性。因此，需要一种能够量化自由载流子浓度并识别由不同掺杂方法（氮 N 与磷 P）及注入通量引入的缺陷的深度分辨探测手段。

实验方法
本研究采用低能缪子自旋旋转 (LE-µSR) 和高场 µSR 来研究 n 型 4H-SiC。

• 样品： 研究使用了通过外延生长掺杂氮 (N)（浓度为 $4 \times 10^{15}$ 和 $1 \times 10^{17}$ cm$^{-3}$）以及离子注入（N 和 P，具有 $2 \times 10^{17}$ 和 $1 \times 10^{18}$ cm$^{-3}$ 的盒式分布）的样品。注入样品在 1650 °C 下使用碳盖进行了 PIA 处理。
• 技术：
  • 高场 µSR (6 T)： 在 HAL-9500 仪器上进行，用于识别体相中不同的胶状氢 (Mu) 能级（Mu$_1$ 和 Mu$_2$）及其超精细常数。
  • LE-µSR： 在 LEM 仪器上进行，采用 0.7 mT 和 10 mT 的横向磁场。通过改变缪子注入能量（2–22 keV），将探测深度调节至从近表面到 ~130 nm 的范围。
  • 温度依赖性： 测量范围在 10 K 至 310 K 之间，以观察热激活电荷转变。
  • 建模： 使用蒙特卡洛模拟来模拟电子捕获过程 ($Mu^0 + e^- \rightarrow Mu^-$)，并将捕获率与自由电子浓度联系起来。

主要结果

1. 胶状氢能级与转变： 高场测量证实了存在两种截然不同的 Mu$^0$ 中心（Mu$_1$ 和 Mu$_2$），其超精细常数分别为 ~3030 MHz 和 ~2825 MHz。0.7 mT 下的 LE-µSR 显示出 Mu$_1$ 超精细耦合的微弱各向异性，导致进动频率发生分裂。
2. 电荷态动力学： 温度依赖性测量展示了通过电子捕获从中性胶状氢 (Mu$^0$) 向负态 (Mu$^-$) 的转变。这种转变是热激活的，提取的激活能 ($E_A$) 在 48 到 61 meV 之间。这些数值与 4H-SiC 中浅 N 和 P 施主的电离能一致，证实了该转变是由掺杂剂的热电离驱动的。
3. 深度分辨载流子剖面：
   • 表面耗尽： 所有样品在表面附近均表现出电子耗尽区（耗尽宽度 $w_D$ 在 8 到 34 nm 之间），这归因于原生氧化层或表面降解中的固定电荷。
   • 掺杂方法比较： 虽然 N 和 P 注入表现出相当的电学激活度（~100%），但 $2 \times 10^{17}$ cm$^{-3}$ 的 P 注入样品显示出更高的抗磁组分，表明与 N 注入相比，其碳空位 ($V_C$) 浓度更高。
   • 通量效应： 更高的注入通量（$1 \times 10^{18}$ cm$^{-3}$）导致了无法通过 PIA 完全修复的永久性晶格损伤，这通过增加的抗磁组分和更宽的耗尽宽度得到了证实。
4. 载流子浓度的定量提取： 通过将抗磁组分 ($F_D$) 和相位偏移 ($\phi_D$) 与电子捕获率相关联，作者建立了 LE-µSR 可观测物理量与自由电子浓度之间的定量关系。研究确定在 260 K 时，电子捕获截面 $\sigma_{0/-} \approx 2 \times 10^{-16}$ cm$^2$。

意义与结论
本文建立了将胶状氢电荷交换动力学作为 n 型 4H-SiC 探测手段的基准。其主要贡献在于证明了 LE-µSR 是一种强大的、具有深度分辨能力的工具，能够：

• 直接探测传统电学方法失效的近表面及注入区域（0–150 nm）。
• 通过分析 Mu$^0$ 到 Mu$^-$ 的转变，定量测量自由电子浓度和掺杂激活水平。
• 区分由不同掺杂剂（N 与 P）和注入通量产生的缺陷，特别是在识别碳空位形成方面。

作者得出结论，结合实验 LE-µSR 数据和蒙特卡洛模拟，提供了一种提取自由电子浓度的定量方法。这种能力为通过表征掺杂激活度和载流子深度分布（具有纳米级分辨率）来优化可靠功率电子用 SiC 器件的制造提供了见解。