Som en av viktige fysiske parametere i halvledere måles bærer levetid her via en protokoll ansette metoden mikrobølgeovn photoconductivity forfall.
Dette arbeidet presenterer en protokoll ansette mikrobølgeovn photoconductivity forfall (μ-PCD) for måling av transportøren levetiden i halvleder materiale, spesielt SiC. I prinsippet overflødig operatører i halvleder generert via eksitasjon recombine med tid og deretter returnere til likevekt tilstand. Tiden konstant for denne rekombinasjon kalles carrier levetiden, en viktig parameter i halvleder materiale og enheter som krever en noncontact og destruktiv måling ideelt oppnås ved μ-PCD. Under bestråling av et utvalg, er en del av mikrobølgeovn reflektert av halvleder utvalget. Mikrobølgeovn refleksjon, avhenger av prøven ledningsevne, som er tilskrevet bærere. Derfor kan tiden forfallet av overflødig bærere observeres gjennom oppdagelsen reflektert mikrobølgeovn intensitet, som forfallet kurve kan bli analysert for estimering av transportøren levetiden. Resultatene bekrefter hensiktsmessigheten av μ-PCD protokollen måle carrier levetiden i halvleder materiale og enheter.
Overflødig operatører i halvledere er optisk begeistret av injeksjon av fotoner energi større enn gapet mellom ledning og valence band. Glade overflødig bærere, deretter forsvinner ved et elektron-hull rekombinasjon i en tidskonstant kjent som bærer levetid, som sterkt påvirker ytelsen av halvleder utstyr under drift. Som en av den viktige parametere for halvleder utstyr og materialer, bærer levetiden er svært følsomme for tilstedeværelsen av disse utførelsesmessige, og krever en praktisk metode for evaluering. J. Warman og M. Kunst utviklet en forbigående teknikken de kalte tiden løst mikrobølgeovn ledningsevne (TRMC), som innebærer mikrobølgeovn absorpsjon å følge kostnader bærer dynamikk i halvledere1. Andre forskere foreslått forbigående Foto ledningsevne (TPC), ellers kjent som mikrobølgeovn photoconductivity forfall (μ-PCD), som er den allment vedtatte materiale kvalifisering teknikken på halvledere på grunn av sin noncontact og ikke-ødeleggende målinger av transportøren levetiden. Spesielt for silisiumkarbid (SiC), tre store teknikker er gjeldende: μ-PCD, tid løst photoluminescence (TR-PL), og tid løst gratis transportør absorpsjon (TR-FCA)2,3,4,5 ,6,7. Blant disse teknikkene er μ-PCD den mest ansatt fordi forhold til to andre som det utstillinger overflateruhet insensitivitet (dvs. målbare for enhver ulike overflaten råhet8,9,10 ) og høy signal følsomhet for glade operatører (dvs. med en optimal mikrobølgeovn komponent). Generelt har μ-PCD vært foretrukket for carrier levetid måling i SiC og andre halvleder materiale2,5,6,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19.
Måling protokollen og prinsippet μ-PCD1,20,21 er beskrevet her. I prinsippet bruker den reflektert mikrobølgeovn som en sonde. Her, er mikrobølgeovn refleksjon av en prøve R(σ) tilsvarende forholdet mellom reflektert mikrobølgeovn intensiteten P(σ) og hendelsen mikrobølgeovn intensitet Pi som uttrykt av Formel 1:
(1)
Ved bestråling av en puls laser, ledningsevne et eksempel σ endres til σ + Δσ; likeledes, R (σ) transformeres til R(σ + Δσ). Dermed ΔR er gitt av ligningen 2:
(2)
I en forstyrrelsene (liten Δσ) tilnærming, er R(σ + Δσ) utviklet i Taylor-rekker å gi
(3)
mens Δσ blir
, (4)
der q er elementære kostnader, μp er hull mobilitet, μn er elektron mobilitet og Δp er overflødig carrier konsentrasjonen. Fra foregående formlene,ΔR og Δp er relatert ved
. (5)
Avhengigheten av mikrobølgeovn refleksjon på overflødig carrier konsentrasjon kan μ-PCD å observere tiden forfallet av overflødig operatører, som vi kan bruke til å beregne carrier levetiden av halvleder materiale.
Den μ-PCD-protokollen er trinn 4.7 det viktigste punktet. Den E-T-tuneren ble innlemmet med en bevegelig kortslutning i E og H fly, henholdsvis. Derfor flytter kortslutning E tuner eller H tuner endrer amplitude og fase av reflektert mikrobølgeovn og maksimerer signal amplituden. Tuning har stor innflytelse på bølgeform forfallet kurve og må utføres strengt. I et svakt signalstyrke der tuning kan være vanskelig, kan noen titalls tuning gjennomsnitt brukes. For mislyktes tuning er μ-PCD forfall kurvene ikke observerbare; bare støyen signalet av et oscilloskop er observert. Figur 2 viser oscilloskop bølgeform i et slikt tilfelle.
Det er enkelt å måle svært resistiv prøver som det er ingen nedre ledningsevne grense. Når prøven resistivitet er lav eller når prøven er tykke, er hud effekten av mikrobølgeovn ikke ubetydelig. Avstanden til elektrisk felt intensiteten av mikrobølgeovn blir 1/e ganger omtales som huden dybde , som er uttrykt ved ligningen 9:
(9)
der ω er kantete frekvensen av mikrobølgeovn og ε, ρog μ representerer prøvens dielektrisk konstant resistivitet og permeabilitet, henholdsvis. Si og SiC, tilnærmet ses verdier for 10 GHz mikrobølgeovn var 9 mm på 50 Ω∙cm, 2 mm på 10 Ω∙cm, 500 μm på 1 Ω∙cm og 150 μm på 0,1 Ω∙cm. Derfor mister mål for prøver med typiske tykkelser (flere hundre mikron) på mindre enn 0,1 Ω∙cm ses nøyaktighet. På den annen side, er mikrobølgeovn og optisk stråling hendelsen fra motsatt av kjeks i denne protokollen. En ubetydelig huden effekt angir bedre mikrobølgeovn og optisk stråling fra samme side.
Nedre grensen avhenger av resistivitet og tykkelsen på utvalget som følge av dets interaksjon med mikrobølgeovn. For svært resistiv prøver er typisk lavere grensene for overflødig operatører på 1012 cm−3. På den annen side, må elektron-hull spredning vurderes på overflødig bærere større enn 1016 cm−3, som beskrevet i ref. 13.
Μ-PCD forfall kurvene ble forsiktig på høy eksitasjon tetthet på grunn av unproportionality av mikrobølgeovn Reflektivitet til overmål carrier konsentrasjonen slik at ligningen (3) ville miste sin gyldighet13,25,26 og τ1/e ville bli overvurdert. Figur 8 viser den μ-PCD forfallet kurven en kjemisk mekanisk polering overflatebehandling n-type 4 H-SiC med eksitasjon i Si-ansiktet av 266 nm under høy eksitasjon intensitet.
Videre tid oppløsning, avhenger av ytelsen til måling apparatet som en excitation kilde, et oscilloskop og en forsterker. For eksempel i denne studien apparatet bestod av en pulsed laser med pulsbredde 1 ns excitation kilde og et oscilloskop har en frekvensbåndet for 500 MHz. Følgelig målbare Minimumslevetiden ble anslått til 2 ns.
Som nevnt tidligere, er μ-PCD svært nyttig for karakteristikk av halvledere som Si. Likevel kan sin søknad utvides til andre materialer, for eksempel i fotoaktive materiale inkludert TiO227,28,29,30.
Videre bortsett fra μ-PCD er TR-PL2 og TR-FCA introdusert på de tidligere delene de andre to bærer levetid måling teknikkene. TR-PL observerer tid endring av photoluminescence forårsaket av transportøren rekombinasjon mens TR-FCA observerer tid endre av sonden lys absorpsjon4. Spesielt oppstår gratis transportør absorpsjon når lys energi mindre enn bandet gapet er bestrålt i løpet av transportøren eksitasjon3. Likevel, i forhold til disse to, μ-PCD direkte observerer elektrisk ledningsevne av mikrobølgeovn og har en høy overflateruhet og signal følsomhet, gjør det mer perfekt metoden for carrier levetid måling for semiconductor enhet søknader.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Nagoya Institute of Technology, 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 |