Som en av de viktiga fysiska parametrarna i halvledare mäts transportören livstid häri via ett protokoll som sysselsätter metoden mikrovågsugn photoconductivity förfall.
Detta arbete presenterar ett protokoll som sysselsätter mikrovågsugn photoconductivity förfalla (μ-PCD) för mätning av transportören livstid i halvledarmaterial, särskilt SiC. I princip överskjutande bärare i halvledaren genereras via excitation rekombinera med tid och därefter återvända till tillståndet jämvikt. Tidskonstanten för denna rekombination är känd som transportören livstid, en viktig parameter i halvledarmaterial och enheter som kräver en beröringsfri och icke-förstörande mätning idealiskt uppnås genom μ-PCDN. Under bestrålning av ett prov reflekteras en del av mikrovågsugn av halvledare provet. Mikrovågsugn reflektans beror på prov ledningsförmåga, som tillskrivas till bärarna. Tid förfalla av överskjutande bärare kan därför observeras genom påvisande av reflekterade mikrovågsugn intensiteten, vars förfall kurva kan analyseras för uppskattning av transportören livstid. Resultaten bekräfta lämpligheten av protokollet μ-PCD mäta carrier livstid i halvledarmaterial och enheter.
Överskjutande bärare i halvledare exciteras optiskt genom injektion av fotoner med energi som är större än avståndet mellan banden överledning och valence. Upphetsad överskjutande bärare, försvinner sedan, av en elektron-hål återkombination inom en tidskonstant som kallas carrier livstid, som kraftigt påverkar funktionen av halvledarkomponenter under drift. Som en av de viktiga parametrarna för halvledarkomponenter och material, carrier livstid är mycket känsliga för förekomsten av fel i dessa material, och ytterligare kräver en bekväm metod för utvärdering. J. Warman och M. Kunst utvecklat en övergående teknik de namngivna tiden löst mikrovågsugn ledningsförmåga (TRMC), som innebär mikrovågsugn absorption för att följa kostnad flygbolaget dynamics i halvledare1. Andra forskare föreslagit övergående foto ledningsförmåga (TPC), annars känd som mikrovågsugn photoconductivity förfalla (μ-PCD), som är den allmänt antagna materiella kvalifikation tekniken i halvledarindustrin på grund av dess noncontact och icke-förstörande mätningar av transportören livstid. I synnerhet för kiselkarbid (SiC), tre stora tekniker är tillämpliga: µ-PCD, tid löst fotoluminescens (TR-PL), och tid löst fritt fraktförare absorption (TR-FCA)2,3,4,5 ,6,7. Bland dessa tekniker är µ-PCD mest sysselsatta eftersom jämfört med de andra två som den uppvisar ytjämnhet okänslighet (d.v.s. mätbara för varje given olika yta råhet8,9,10 ) och hög signal känslighet för glada bärare (dvs. med en optimal mikrovågsugn komponent). I allmänhet har µ-PCD föredragits för carrier livstid mätning i SiC och andra halvledare material2,5,6,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19.
De mätprotokoll och principen om μ-PCD1,20,21 är detaljerat här. I princip använder mikrovågsugn återspeglas som en sond. Här, motsvarar mikrovågsugn reflektansen provvikt R(σ) förhållandet mellan den reflekterade mikrovågsugn intensiteten P(σ) och den infallande mikrovågsugn intensitet Pi som uttrycks genom ekvation 1:
(1)
Genom bestrålning av en pulse laser, ändras conductivityen av ett prov σ σ + Δσ; jämväl, R (σ) förvandlas till R(σ + Δσ). Således ΔR ges av ekvation 2:
(2)
I en störning (små Δσ) tillnärmning, är R(σ + Δσ) utvecklad i Taylor serien att ge
(3)
medan Δσ blir
, (4).
där q är den elementära laddningen, μp är hål rörlighet, μn är elektron rörlighet och Δp är den överskjutande bärare koncentrationen. Från föregående ekvationer,ΔR och Δp är relaterade genom
. (5)
Beroendet av mikrovågsugn reflektans på överskjutande bärare koncentration tillåter μ-PCD att observera tid förfalla av överskjutande bärare, som vi kan använda för att uppskatta carrier livstid av halvledarmaterial.
I protokollet μ-PCD är steg 4.7 den viktigaste punkten. E – H tunern införlivades med lös kortslutning i E och H plan, respektive. Alltså flyttar kortslutningen E tuner eller H tunern ändrar amplitud och fas av den reflekterade mikrovågsugnen och maximerar signalen amplituden. Trimningen har en stor påverkan på vågformen i förfall kurvan och måste utföras strikt. Vid en svag signalstyrka där tuning kan vara svårt, kan några tiotals tuning medelvärden användas. För misslyckades tuning, är μ-PCD decay kurvorna inte observerbara; bara buller signalen av ett oscilloskop observeras. Figur 2 visar oscilloskop vågformen i ett sådant fall.
Det är lätt att mäta mycket resistiv prover eftersom det finns ingen lägre gräns för konduktivitet. När det prov resistivitet är låg eller när provet är tjock, är hud effekten av mikrovågsugn inte försumbar. Avståndet tills elektriska fältet intensiteten i mikron blir 1/e gånger kallas huden djup , som uttrycks av ekvation 9:
(9)
där ω är kantiga frekvensen av mikrovågsugn och ε, ρoch μ representera provets Dielektricitetskonstant, resistivitet och permeabilitet, respektive. När det gäller Si och SiC, ungefärlig δ värden för 10 GHz mikrovågsugn var 9 mm vid 50 Ω∙cm, 2 mm vid 10 Ω∙cm, 500 μm på 1 Ω∙cm och 150 μm vid 0,1 Ω∙cm. Därför förlorar mätningar för prover med typiska tjocklekar (flera hundra mikron) på mindre än 0,1 Ω∙cm δ noggrannhet. Däremot, är mikrovågsugnen och optisk strålning incident från motsatsen till rånet i detta protokoll. En försumbar Skineffekten indikerar bättre mikrovågsugn och optisk strålning från samma sida.
Lägre gränser beror på resistivitet och tjocklek av provet som härrör från dess interaktion med mikrovågsugn. För mycket resistiv prover är typiska nedre gränserna för de överskjutande bärarna storleksordningen 1012 cm−3. Däremot, måste elektron-hål-spridning betraktas på överskjutande bärare större än 1016 cm−3, som diskuterats i ref. 13.
Μ-PCD decay kurvorna blev mild på hög excitation densitet på grund av proportionell av mikrovågsugn reflexion i överskjutande bärare koncentrationen sådan ekvation (3) skulle förlora sin giltighet13,25,26 och τ1/e skulle överskattas. Figur 8 visar kurvan μ-PCD förfall av en kemikalie mekanisk polering ytbehandling n-typ 4 H-SiC med excitation i Si-ansiktet av 266 nm under hög excitation intensitet.
Dessutom beror tidsupplösning på resultatet av mätningen apparaten som en exciteringskälla, ett oscilloskop och en förstärkare. Till exempel i denna studie apparaten bestod av en pulsad laser med pulsbredd 1 ns som exciteringskälla och ett oscilloskop har ett frekvensband på 500 MHz. Följaktligen, den minsta mätbara livstiden uppskattades till 2 ns.
Som tidigare nämnts, är μ-PCD mycket användbart för karakterisering av halvledare såsom Si. Ändå kan dess tillämpning utvidgas till andra material, exempelvis i fotoaktiva material inklusive TiO227,28,29,30.
Dessutom bortsett från de μ-PCD är TR-PL2 och TR-FCA infördes i tidigare avsnitt de andra två bärare livstid mätteknik. TR-PL observerar tid ändringen av fotoluminescens orsakas av transportören rekombination medan TR-FCA observerar tiden ändra sonden light absorption4. Specifikt, uppstår fritt fraktförare absorption när ljus med energi mindre än bandet klyftan är bestrålades under carrier excitation3. Ändå, jämfört med dessa två, μ-PCD direkt har påpekat elektrisk ledningsförmåga av mikrovågsugn och har en hög ytjämnhet och signal känslighet, vilket gör det den mer idealisk metoden för carrier livstid mätning för halvledarapplikationer enhet.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av Nagoya tekniska högskolan, Japan.
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 |