Som en af de vigtige fysiske parametre i halvledere måles carrier levetid heri via en protokol, der anvender metoden mikroovn photoconductivity henfald.
Dette arbejde præsenterer en protokol beskæftiger mikroovn photoconductivity henfald (μ-PCD) til måling af carrier levetid i halvledermaterialer, især SiC. I princippet, overskydende luftfartsselskaber i halvleder genereret via excitation kombinere med tid, og derefter vende tilbage til tilstanden ligevægt. Konstanten tid af denne rekombination er kendt som carrier levetid, en vigtig parameter i halvledermaterialer og udstyr, der kræver en noncontact og ikke-destruktiv måling ideelt opnåede af μ-PCD. Under bestråling af en prøve afspejles en del af mikrobølgeovnen af halvleder prøven. Mikrobølgeovn Reflektionsgraden afhænger prøve ledningsevne, som er tilskrevet luftfartsselskaberne. Derfor kan tid henfald af overskydende luftfartsselskaber observeres gennem påvisning af afspejles mikrobølgeovn intensitet, hvis tænderne kurve kan analyseres for vurdering af luftfartsselskabet levetid. Resultaterne bekræfter egnetheden af μ-PCD-protokollen i at måle luftfartsselskab levetiden i halvledermaterialer og udstyr.
Overskydende luftfartsselskaber i halvledere er optisk glade ved injektion af fotoner med energi større end forskellen mellem varmeledning og valence bandene. Ophidset overskydende luftfartsselskaber, derefter forsvinde ved en elektron-hul rekombination inden for en tid konstant kendt som carrier levetid, som i høj grad påvirker udførelsen af halvlederkomponenter under drift. Som en af de vigtige parametre for halvlederudstyr og materialer, carrier levetid er meget følsomme over for tilstedeværelsen af defekter i disse materialer, og yderligere kræver en praktisk metode til evaluering. J. Warman og M. Kunst udviklet en forbigående teknik de opkaldt tiden løst mikrobølgeovn ledningsevne (TRMC), der omfatter mikrobølgeovn absorption at følge afgift carrier dynamics i halvledere1. Andre forskere har foreslået den forbigående foto ledningsevne (TPC), ellers kendt som mikroovn photoconductivity henfald (μ-PCD), der er almindeligt vedtaget materielle kvalifikation teknik i halvleder industrier på grund af dens noncontact og ikke-destruktiv målinger af carrier levetid. Især for siliciumcarbid (SiC), tre vigtigste teknikker er gældende: µ-PCD, tiden løst fotoluminescens (TR-PL), og tiden løst frit fragtfører absorption (TR-FCA)2,3,4,5 ,6,7. Blandt disse teknikker er µ-PCD den mest udbredte ansat, fordi i forhold til to andre, som det udviser overfladeruhed ufølsomhed (dvs. målbare for ethvert givet forskellige overflade ruhed8,9,10 ) og højt signal følsomhed for glade luftfartsselskaber (dvs., bruger en optimal mikrobølgeovn komponent). I almindelighed, har µ-PCD været foretrukne luftfartsselskab levetid måling i SiC og andre halvleder materialer2,5,6,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19.
Måling protokol og princippet om μ-PCD1,20,21 er detaljeret her. I princippet bruger det en afspejles mikrobølgeovn som en sonde. Her, svarer mikrobølgeovn reflektionsgrad af en stikprøve Rasmussen(σ) til forholdet mellem afspejles mikrobølgeovn intensitet Pedersen(σ) og hændelsen mikrobølgeovn intensitet Pederseni som udtrykt ved ligningen 1:
(1)
Ved bestråling af en pulse laser, ledningsevne af en stikprøve σ ændres til σ + Δσ; ligeledes, R (σ) forvandler til R(σ + Δσ). Derfor Δf er givet ved ligning 2:
(2)
I en undertrykkelse af netbårne (lille Δσ) tilnærmelse, er R(σ + Δσ) udviklet i Taylor serie til udbytte
(3)
mens Δσ bliver
, (4).
hvor q er den elementære afgift, μp er hul mobilitet, μn er electron mobilitet og Δp er den overskydende carrier koncentration. Fra de foregående ligninger,ΔRasmussen og Δp er forbundet med
. (5)
Afhængighed af mikrobølgeovn Reflektionsgraden på overskydende carrier koncentration giver μ-PCD at observere tid henfaldet af overskydende luftfartsselskaber, som vi kan bruge til at vurdere carrier levetid af halvledermaterialer.
I protokollen μ-PCD er skridt 4.7 det vigtigste punkt. E-T-tuner blev indarbejdet med en bevægelig kortslutning i E og H fly, henholdsvis. Således flytte kortslutning af E-tuner eller H tuner ændrer amplitude og fase af afspejles mikrobølgeovn og maksimerer signal amplituden. Tuning har stor indflydelse på bølgeform af henfald kurven og skal udføres nøje. I tilfælde af en svag signalstyrke hvor tuning kan være vanskeligt, kan der anvendes et par snese tuning gennemsnit. For mislykkedes, tuning, er μ-PCD henfald kurver ikke observerbare; kun støj signalet på et oscilloskop er observeret. Figur 2 viser oscilloskop bølgeform i et sådant tilfælde.
Det er nemt at måle meget resistive prøver, som der er ingen nedre ledningsevne grænse. Når prøven resistivitet er lav, eller når prøven er tyk, er huden virkning af mikrobølgeovnen ikke ubetydelig. Afstand indtil den elektriske felt intensiteten af mikrobølgeovnen bliver 1/e gange omtales som huden dybde , som er udtrykt ved ligningen 9:
(9)
hvor ω er kantede hyppigheden af mikrobølgeovnen, og ε, Rhoog μ repræsenterer prøven dielektricitetskonstant, resistivitet og permeabilitet, henholdsvis. Si og SiC var omtrentlige δ værdier til 10 GHz mikrobølgeovn 9 mm på 50 Ω∙cm, 2 mm på 10 Ω∙cm, 500 μm i 1 Ω∙cm og 150 μm på 0,1 Ω∙cm. Derfor, mister målinger for prøver med typiske lagtykkelser (flere hundrede micron) på mindre end 0,1 Ω∙cm δ nøjagtighed. På den anden side, er mikroovn og optisk stråling hændelse fra modsat af wafer i denne protokol. En ubetydelig huden virkning angiver bedre mikroovn og optisk stråling fra samme side.
Nedre grænser afhænger resistivitet og tykkelse som følge af dets interaktion med mikrobølgeovn. For meget resistive prøver er de typiske lavere grænser for de overskydende luftfartsselskaber på rækkefølgen 1012 cm−3. På den anden side skal elektron-hul spredning betragtes på overskydende luftfartsselskaber større end 1016 cm−3, som beskrevet i ref. 13.
Μ-PCD henfald kurver blev blid på høj excitation tæthed på grund af unproportionality af mikrobølgeovn refleksionsevne til overskydende carrier koncentration at ligning (3) ville miste sin gyldighed13,25,26 og τ1/e ville være overvurderet. Figur 8 viser μ-PCD henfald kurven af en kemisk mekaniske polering overfladebehandling n-type 4 H-SiC med excitation i Si-ansigtet af 266 nm under høj excitation intensitet.
Derudover afhænger tidsopløsning af udførelsen af måling apparater såsom en magnetisering kilde, et oscilloskop og en forstærker. For eksempel, i denne undersøgelse, apparatet bestod af en pulserende laser med pulse bredde på 1 ns som magnetisering kilde og et oscilloskop at have et frekvensbånd på 500 MHz. Derfor den mindste målelige levetid blev anslået til 2 ns.
Som tidligere nævnt, er μ-PCD meget nyttigt for karakterisering af halvledere som Si. Ikke desto mindre, dens anvendelse kan udvides til andre materialer, for eksempel i photoactive materialer herunder TiO227,28,29,30.
Endvidere, bortset fra μ-PCD, TR-PL2 og TR-FCA introduceret på de tidligere afsnit er de andre to carrier levetid måling teknikker. TR-PL bemærker tidsændring af fotoluminescens forårsaget af carrier rekombination mens TR-FCA bemærker tid ændre af sonden lys absorption4. Frit fragtfører absorption opstår især, når lys med energi mindre end band gap er bestrålet under carrier excitation3. Ikke desto mindre i forhold til disse to, μ-PCD direkte bemærker elektriske ledningsevne af mikrobølgeovn og har en høj overfladeruhed og signal følsomhed, hvilket gør det den mere ideel metode til carrier levetid måling for semiconductor enhed applikationer.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af 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 |