Come uno dei parametri fisici importanti nel settore dei semiconduttori, vettore vita viene misurata nel presente documento tramite un protocollo che impiegano il metodo di deperimento di fotoconduttività a microonde.
Questo lavoro presenta un protocollo che impiegano il deperimento di fotoconduttività (μ-PCD) di forno a microonde per la misura della durata dell’elemento portante in materiali semiconduttori, soprattutto SiC. In linea di principio, i vettori in eccesso nel semiconduttore generato tramite eccitazione ricombinano con il tempo e, successivamente, ritorno allo stato di equilibrio. La costante di tempo di ricombinazione è conosciuta come la durata dell’elemento portante, un parametro importante in materiali semiconduttori e dispositivi che richiede una misurazione senza contatto e non distruttiva, idealmente raggiunta da μ-PCD. Durante l’irradiazione di un campione, una parte del microonde è riflessa dal campione dei semiconduttori. Forno a microonde riflettanza dipende la conducibilità del campione, che è attribuita ai vettori. Di conseguenza, il decadimento temporale dei vettori in eccesso può essere osservato attraverso il rilevamento dell’intensità riflessa forno a microonde, cui curva di decadimento possa essere analizzato per la stima della durata dell’elemento portante. Risultati confermano l’idoneità del protocollo μ-PCD nella misurazione della durata di vettore in materiali semiconduttori e dispositivi.
I vettori in eccesso nei semiconduttori sono eccitati otticamente tramite l’iniezione di fotoni con energia più grande il divario tra le bande di Valenza e di conduzione. Entusiasti i vettori in eccesso, poi, scompaiono da una ricombinazione elettrone-lacuna all’interno di una costante di tempo conosciuta come la durata dell’elemento portante, che influenza notevolmente le prestazioni di dispositivi a semiconduttore durante il funzionamento. Come uno dei parametri importanti per materiali e dispositivi a semiconduttore, la durata dell’elemento portante è molto sensibile alla presenza di difetti in questi materiali e inoltre richiede un metodo conveniente di valutazione. J. Warman e M. Kunst sviluppato un transitorio tecnica chiamarono il tempo risolto conducibilità di forno a microonde (TRMC), che coinvolge l’assorbimento di forno a microonde per seguire carica carrier dynamics in semiconduttori1. Altri ricercatori hanno proposero la conducibilità foto transitoria (TPC), altrimenti nota come il deperimento di fotoconduttività di forno a microonde (μ-PCD), che è la tecnica di qualificazione materiale comunemente adottato nelle industrie di semiconduttori a causa sua non contatto e misure non distruttive della durata dell’elemento portante. In particolare, carburo di silicio (SiC), tre tecniche principali sono applicabili: µ-PCD, risolta in tempo fotoluminescenza (TR-PL) e ora risolto Franco vettore assorbimento (TR-FCA)2,3,4,5 ,6,7. Tra queste tecniche, µ-PCD è il più ampiamente autonomo perché rispetto agli altri due in quanto esibisce l’insensibilità di rugosità di superficie (cioè, misurabili per qualsiasi dato vari superficie rugosità8,9,10 ) e sensibilità di segnale alto per vettori eccitati (cioè, utilizzando un componente ottimale forno a microonde). In generale, µ-PCD è stato comodo per la misura di vita di vettore in SiC e altri semiconduttori materiali2,5,6,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19.
Il principio di μ-PCD1,20,21 e protocollo di misurazione è dettagliate qui. In linea di principio, utilizza un forno a microonde riflessa come una sonda. Qui, la riflettanza di forno a microonde di un campione R(σ) è equivalente al rapporto tra l’intensità riflessa microonde P(σ) e il forno a microonde incidente intensità Pin espressa dalla equazione 1:
(1)
Da irradiazione di un impulso laser, la conducibilità di un campione σ cambia a σ + Δσ; allo stesso modo, R (σ) si trasforma in R(σ + Δσ). Così, ΔR è dato dall’equazione 2:
(2)
In un’approssimazione di perturbazione (piccola Δσ), R(σ + Δσ) è sviluppato in serie di Taylor di cedere
(3)
mentre Δσ diventa
, (4).
dove q è la carica elementare, μp è la mobilità di foro, μn è la mobilità di elettrone e Δp è la concentrazione in elemento portante in eccesso. Dalle precedenti equazioni,ΔR e Δp sono legati da
. (5)
La dipendenza della riflettanza di forno a microonde sulla concentrazione in elemento portante in eccesso permette μ-PCD di osservare il decadimento temporale dei vettori in eccesso, che possiamo utilizzare per stimare la durata di vettore di materiali semiconduttori.
Nel protocollo μ-PCD, passo 4.7 è il punto più importante. Il sintonizzatore E – H è stato integrato con un corto circuito mobile sui piani E ed H, rispettivamente. Così, il corto circuito E tuner o il sintonizzatore H in movimento cambia l’ampiezza e la fase del microonde riflesso e massimizza l’ampiezza del segnale. Tuning ha una grande influenza sulla forma d’onda della curva di decadimento e deve essere eseguita rigorosamente. In caso di un debole segnale dove sintonizzazione potrebbe essere difficile, a poche decine di tuning medie possono essere utilizzate. Per venuto a mancare tuning, le curve di decadimento del μ-PCD non sono osservabili; solo il segnale di rumore di un oscilloscopio è osservato. La figura 2 Mostra la forma d’onda dell’oscilloscopio in un caso del genere.
È facile da misurare campioni altamente resistivi come non c’è nessun limite di conduttività inferiore. Quando la resistività del campione è bassa o quando il campione è spesso, l’effetto di pelle del microonde non è trascurabile. La distanza fino a quando l’intensità di campo elettrico del forno a microonde diventa 1/e volte viene riferita come profondità di pelle , che è espresso dall’equazione 9:
(9)
dove ω è la frequenza angolare del microonde e ε, ρe μ rappresentano l’esempio costante dielettrica, resistività e permeabilità, rispettivamente. Nel caso Si e SiC, approssimare i valori δ per il forno a microonde 10GHz erano 9 mm a 50 Ω∙cm, 2 mm a 150 μm a 0.1 Ω∙cm Ω∙cm 10 e 500 μm a 1 Ω∙cm. Di conseguenza, misure per campioni con spessori tipici (diverse centinaia micron) a meno di 0,1 Ω∙cm perderanno δ precisione. D’altra parte, il forno a microonde e le radiazioni ottiche sono incidente dall’opposto del wafer in questo protocollo. Un trascurabile effetto di pelle indica meglio forno a microonde e radiazioni ottiche dallo stesso lato.
Limiti inferiori dipendono la resistività e lo spessore del campione derivanti dalla sua interazione con il forno a microonde. Per campioni altamente resistente, i tipici limiti inferiori dei vettori in eccesso sono dell’ordine di 1012 cm− 3. D’altra parte, scattering di elettroni – foro deve essere considerato a vettori in eccesso maggiore di 1016 cm− 3, come discusso in rif. 13.
Le curve di decadimento del μ-PCD è diventato gentile a densità alta eccitazione a causa di unproportionality della riflettività di forno a microonde per la concentrazione in elemento portante in eccesso, tale che l’equazione (3) perderebbe la sua validità13,25,26 e τ1/e sarebbe essere sovrastimati. Figura 8 Mostra la curva di decadimento del μ-PCD di una sostanza chimica meccanica lucidatura trattamento superficiale n-tipo 4h-SiC con eccitazione sulla Si-faccia da 266 nm in intensità alta eccitazione.
Inoltre, risoluzione temporale dipende dalle prestazioni dell’apparato di misura come una sorgente di eccitazione, un oscilloscopio e un amplificatore. Ad esempio, in questo studio, l’apparato ha consistito di un laser pulsato con larghezza di impulso di 1 ns come la sorgente di eccitazione e un oscilloscopio avendo una banda di frequenza di 500 MHz. Di conseguenza, la durata minima misurabile è stata stimata a 2 ns.
Come accennato in precedenza, μ-PCD è molto utile per la caratterizzazione di semiconduttori come Si. Tuttavia, l’applicazione può essere estesa ad altri materiali, per esempio, in materiali fotoattivi cui TiO227,28,29,30.
Inoltre, a parte il μ-PCD, TR-PL2 e TR-FCA presentata alle sezioni precedenti sono le altre tecniche di misura delle durata di due carrier. TR-PL osserva il cambiamento di orario della fotoluminescenza causato tramite la ricombinazione di vettore mentre TR-FCA osserva il tempo cambiare della sonda luce assorbimento4. In particolare, Franco vettore assorbimento si verifica quando la luce con energia inferiore a band gap è irradiato durante vettore eccitazione3. Tuttavia, rispetto a questi due, μ-PCD direttamente osserva conduttività elettrica di forno a microonde e ha un’elevata rugosità superficiale e la sensibilità del segnale, rendendo il metodo più ideale per la misura di vita di vettore per applicazioni per dispositivi a semiconduttore.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato supportato dall’Istituto di tecnologia di Nagoya, Giappone.
n-type 4H-SiC epilayer | Ascatron AB http://ascatron.com/ | Sample | |
266 nm pulsed laser | CryLaS GmbH http://www.crylas.de/ | FQSS 266-50 | Excitation light source |
Photodiode | THORLABS https://www.thorlabs.com/index.cfm | DET10A/M | Trigger signal detection |
Schottky barrier diode | ASI http://www.advancedsemiconductor.com/ | 1N23WE | Reflected microwave detection |
Gun diode | Microsemi https://www.microsemi.com/ | MO86751C | Microwave generation source |
E-H tuner | SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html | microwave component | |
Circulator | SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html | microwave component | |
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Double ridge waveguide | SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html | microwave component | |
Crystal mount | SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html | microwave component | |
Acetone | KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/ | GE00001 | Sample cleaning |
Sulfuric acid | KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/ | GE00257 | Acidic aqueous solution |
Hydrochloric acid | KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/ | GE00238 | Acidic aqueous solution |
Hydrogen fluoride | KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/ | 18083-1B | Acidic aqueous solution |
Sodium hydroxide | KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/ | 37184-00 | Alkaline aqueous solution |
Sodium sulfate | KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/ | 37280-00 | Neutral aqueous solution |