בתור אחד של פרמטרים פיזיים חשוב בתחום המוליכים למחצה, נושאת החיים נמדד בזאת באמצעות פרוטוקול כשנוקטים בשיטה קרינת מיקרוגל photoconductivity.
עבודה זו מציגה נוהל העסקת את העששת photoconductivity מיקרוגל (μ-יהלומים) למדידת משך החיים של מנשא בחומרים מוליכים למחצה, במיוחד סיק. בעקרון, נושאות עודף של מוליכים למחצה שנוצרו באמצעות עירור חלל עם הזמן, לאחר מכן להחזיר למצב שיווי משקל. קבוע הזמן של רקומבינציה זו ידועה בשם משך החיים של המוביל, פרמטר חשוב חומרים מוליכים למחצה, מכשירים הדורש מידה ללא מגע, לא הורסות באופן אידיאלי מושגת על ידי μ-יהלומים. במהלך הקרנה של מדגם, חלק במיקרוגל משתקפת המדגם מוליכים למחצה. מיקרוגל השתקפות תלוי מוליכות מדגם, המיוחס נשאים. לכן, ניתן לצפות את זמן הדעיכה של נשאים עודף באמצעות זיהוי של עוצמת מיקרוגל משתקף, עקומת ריקבון אשר ניתן לנתח על אומדן אורך החיים המוביל. תוצאות לאשר את התאמתו של פרוטוקול μ-יהלומים במדידת משך החיים של המוביל חומרים מוליכים למחצה, מכשירים.
עודף נושאות במוליכים שטיחות מתרגשות ההזרקה של פוטונים באנרגיה גדול יותר הפער בין הלהקות הולכה, ערכיות. נושאות עודף נרגש, נעלמים, מאת רקומבינציה – חור בתוך זמן קבוע המכונה משך החיים של המוביל, המשפיע במידה רבה את הביצועים של התקני מוליכים למחצה במהלך המבצע. בתור אחד הפרמטרים החשובים עבור התקני מוליכים למחצה וחומרים, משך החיים של נושא רגיש מאוד לנוכחות של פגמים בחומרים אלה, נוסף מחייב שיטה נוחה של הערכה. Warman ג ו מ מודרנית פיתח ארעי טכניקה קראו הפעם נפתרה מיקרוגל מוליכות (TRMC), הכוללת מיקרוגל הקליטה לעקוב אחרי תשלום הדינמיקה המוביל של מוליכים למחצה1. חוקרים אחרים הציעו את מוליכות צילום ארעי (TPC), הידוע גם העששת photoconductivity מיקרוגל (μ-יהלומים), אשר הוא הטכניקה המאומץ כלל הכשרה חומרים מוליכים למחצה תעשיות בגלל noncontact שלה, מדידות לא הורסות של משך החיים של הספק. בפרט, עבור סיליקון קרביד (SiC), שלוש טכניקות העיקריים הינם ישימים: ממוצע-יהלומים, זמן נפתרה פוטולומיניסנציה (TR-PL), וזמן נפתרה מנשא חינם הקליטה (TR-FCA)2,3,4,5 6, ,7. בין שיטות אלה, ממוצע-יהלומים הוא נרחב ביותר העובדים כי לעומת השניים האחרים כמו זה מוצגים ברישיות חספוס פני השטח (קרי, מדידה עבור כל נתון שונים על פני השטח חספוס8,9,10 ) ושימוש רגישות גבוהה אות נושאות נרגש (קרי, רכיב של האופטימלית מיקרוגל). באופן כללי, ממוצע-יהלומים היה מועדף למדידה שלמים המוביל SiC ו אחרים מוליכים למחצה חומרים2,5,6,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19.
הפרוטוקול המדידה לבין עקרון μ-יהלומים1,20,21 מפורט כאן. בעקרון, היא משתמשת מיקרוגל משתקף כמו בדיקה. . הנה, השקיפות מיקרוגל של מדגם R(σ) שווה ל היחס בין עוצמת מיקרוגל משתקף P(σ) לבין ה מיקרוגל התקרית בעוצמה P, כפי שמבוטא על ידי משוואת 1:
(1)
על ידי הקרנה של לייזר הדופק, מוליכות מדגם σ משתנה σ + Δσ; באופן דומה, R (σ) הופך ל R(σ + Δσ). לפיכך, ΔR ניתנת על ידי משוואה 2:
(2)
בהערכה פרטורבציה (Δ קטןσ), R(σ + Δσ) הוא פותח בסדרת טיילור להניב
(3)
בזמן הופך Δσ
, (4).
איפה קיו מטען אלמנטרי, μp מייצג הניידות חור, μn הניידות, Δp הוא ריכוז נושא עודף. מן המשוואות הקודם,ΔR וδp קשורים על ידי
. (5)
התלות של מיקרוגל השתקפות על ריכוז נושא עודף מאפשר μ-יהלומים לבחון את זמן הדעיכה של עודף נושאות, בו אנחנו יכולים להשתמש כדי להעריך את תוחלת החיים של המוביל של חומרים מוליכים למחצה.
בפרוטוקול μ-יהלומים, הצעד 4.7 הוא הנקודה החשובה ביותר. המקלט E – H סופחה עם קצר מטלטלין המטוסים E ו- H, בהתאמה. לכן, העברת את מעגל קצר של המקלט E או המקלט H תשנה את משרעת שלב של המיקרוגל משתקף ומגדיל את משרעת האות. כוונון יש השפעה גדולה על waveform של העקומה דעיכה, חייב להתבצע אך ורק. במקרה של חוזק האות חלש איפה כוונון עשויה להיות קשה, כמה עשרות כוונון ממוצעים עשוי לשמש. עבור נכשל כוונון, עקומות דעיכה μ-יהלומים הם לא הנצפה; רק האות רעש של תנודות הוא ציין. איור 2 מציג waveform אוסצילוסקופ במקרה כזה.
קל למדוד התנגדות מאוד דוגמאות כמו אין גבול מוליכות נמוכה יותר. כאשר resistivity הדגימה נמוך, או כאשר המדגם הוא עבה, השפעת העור במיקרוגל אינו זניח. המרחק עד עוצמת שדה חשמלי של המיקרוגל הופך פעמים 1/e מכונה עומק העור , אשר בא לידי ביטוי 9 המשוואה:
(9)
איפה ω הוא תדירות זוויתית של המיקרוגל, חדוה, ρ, μ מייצגים קבוע דיאלקטרי של המדגם, resistivity, חדירות, בהתאמה. במקרה של סי, SiC, משוער אלפא ערכים עבור מיקרוגל 10 GHz היו 9 מ מ 50 Ω∙cm, 2 מ מ- 10 Ω∙cm μm 500-1 Ω∙cm, 150 μm ב 0.1 Ω∙cm. לכן, מידות עבור דגימות עם טיפוסי עוביים (מספר מאות מיקרון)-פחות מ 0.1 Ω∙cm יאבדו דיוק אלפא . מצד שני, מיקרוגל, קרינת אופטי הן האירוע מן ההפך כשהפחד ב פרוטוקול זה. אפקט זניח העור מציין מיקרוגל טוב יותר, קרינה אופטית מן באותו הצד.
גבולות התחתון תלויות resistivity ואת עובי של המדגם הנובע ביחסיו עם המיקרוגל. לקבלת דוגמאות מאוד resistive, לגבולות התחתון טיפוסי של נשאים עודף הם גודל12 10 ס מ−3. מצד שני, חור – פיזור הריכוזיות-נשאים עודף גדול מ ס 1016 −3, כמתואר הפניה למעורר 13.
עקומות דעיכה μ-יהלומים הפכה עדין-צפיפות עירור גבוהה בשל unproportionality של השתקפות מיקרוגל לריכוז נושא עודף כזה משוואה (3) יאבד את תוקפו13,25,26 טיפשה או τ1/e . איור 8 מראה העקומה דעיכה μ-יהלומים של חומר כימי מכניים ליטוש טיפול פני שטח n-type 4 H-סיק עם עירור על סי-הפנים על ידי 266 nm תחת עוצמת עירור גבוהה.
יתר על כן, זמן רזולוציה תלוי הביצועים של המנגנון מדידה כגון מקור עירור, אוסצילוסקופ מגבר. לדוגמה, במחקר זה, המנגנון כללה לייזר פעמו עם רוחב של 1 ns המקור עירור, אוסצילוסקופ שיש להקה תדר של 500 מגה-הרץ. כתוצאה מכך, החיים מדיד המינימלי נאמד ב 2 ns.
כפי שהוזכר קודם, μ-יהלומים הוא מאוד שימושי עבור אפיון של מוליכים למחצה כגון סי. עם זאת, היישום שלה ניתן להרחיב לחומרים אחרים, למשל, חומרים photoactive כולל TiO227,28,29,30.
יתר על כן, מלבד μ-יהלומים, TR-PL2 ות ר-FCA הציגה בתערוכת הסעיפים קודמות הן אחרות נושאת שני שלמים מדידה טכניקות. TR-PL מתבונן השינוי זמן של פוטולומיניסנציה הנגרמת על ידי הספק רקומבינציה בזמן TR-FCA מתבונן הזמן לשנות של בדיקה אור הקליטה4. באופן ספציפי, מנשא חינם הקליטה מתרחשת כאשר אור עם אנרגיה קטן יותר הפער הלהקה הוא מוקרן במהלך המוביל עירור3. למרות זאת, בהשוואה לשני אלה, μ-יהלומים ישירות מתבונן מוליכות חשמלית על ידי מיקרוגל, כולל חספוס פני שטח גבוהה, רגישות אות, שהופך אותו את שיטת יותר אידיאלי עבור מנשא המדידה לכל החיים עבור יישומי המכשיר מוליכים למחצה.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי נאגויה במכון הטכנולוגי של, יפן.
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 | |
Rectangular waveguide | SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html | microwave component | |
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 |