Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

מדידות שלמים המוביל בתחום המוליכים למחצה דרך השיטה קרינת מיקרוגל Photoconductivity

doi: 10.3791/59007 Published: April 18, 2019

Summary

בתור אחד של פרמטרים פיזיים חשוב בתחום המוליכים למחצה, נושאת החיים נמדד בזאת באמצעות פרוטוקול כשנוקטים בשיטה קרינת מיקרוגל photoconductivity.

Abstract

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.

Introduction

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:

Equation 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:

Equation 2(2)

בהערכה פרטורבציה (Δ קטןσ), R(σ + Δσ) הוא פותח בסדרת טיילור להניב

Equation 3(3)

בזמן הופך Δσ

Equation 4, (4).

איפה קיו מטען אלמנטרי, μp מייצג הניידות חור, μn הניידות, Δp הוא ריכוז נושא עודף. מן המשוואות הקודם,Equation 5ΔR וδp קשורים על ידי

Equation 6. (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.

Protocol

1. הכנת המדגם

  1. הכינו את epilayer n-type 4H-סיק (טבלה של חומרים).
  2. לשטוף את הדגימה עם אצטון ולאחר מכן עם מים, כל אחד למשך 5 דקות, שימוש
  3. מכונת כביסה אולטראסוניות.
  4. השתמש אקדח חנקן להסרת לחות על פני מדגם.

2. אופן ההכנה של פתרונות מימית

  1. להכין 1 מ' כל אחד H2אז4, HCl, נה2אז4, NaOH או HF-1 wt % ריכוז. בחר והכן של תמיסה מימית כדי למדוד.
  2. להכין תא קוורץ עם 5 מ מ (אורך) x 20 מ מ (רוחב) x מידות 40 מ מ (גובה), ואז לשפוך תמיסה מימית לתוכו. שים המדגם מוכן לתוך התא, ואז לטבול אותו לתוך תמיסה מימית.
    הערה: לפחות 4 מ"ל של התמיסה המימית בתא קוורץ נדרש עבור המדגם שקועים לחלוטין. בעת שינוי הפתרון, התייחס הדגימה עם אולטרה סאונד ניקוי באמצעות אצטון ומים טהורים.

3. הכנת ציוד מדידה

  1. הפעל את ספק הכוח 266 ננומטר לייזר פעמו לגרות את מקור האור. לאחר מכן, הגדר את מצב לייזר בכוננות.
  2. מחברים את לייזר פעמו מתנד דרך כבל הכידון ניל-Concelman (BNC). הפעל את מכשיר המעקב ולאחר קלט גל הדופק 100 הרץ לייזר פעמו.
  3. לחבר של פוטודיודה עבור רכישת ההדק ההדק בערוץ קלט של אוסצילוסקופ עם כבל BNC.
  4. הפעל את ספק הכוח של פוטודיודה.
  5. להאיר את לייזר פעמו ולמקם את הצמצם של גלבו מיקרוגל בנתיב האופטי של אור הלייזר-כיוון נורמלי אל האור.
    התראה: בתהליך האחרון, הנסיין צריך משקפיים בטיחות עין במהלך הקרנה לייזר.
  6. להתקין חצי-מראה על השביל אופטי לייזר פעמו, כפי שמוצג באיור1, והם משקפים את לייזר פעמו כדי פוטודיודה.
  7. להפעיל את אוסצילוסקופ ולאחר מכן הגדר הסף המפעיל שלה כדי מספיקות לאותת מ פוטודיודה מתח.
    הערה: ערך הסף ניתן להגדיר קטן יותר לשיא לחצן האות במוקש. כאשר האור משתקף לא מכוונת מזין את פוטודיודה, אוסצילוסקופ הצגת בתדר שונה באופן משמעותי תדירות פעמו לייזר. במקרה זה, חזור על שלב 3.6.
  8. בדוק את התדר עם אוסצילוסקופ, לכוון את מתנד בדיוק.
  9. שים את מצב לייזר בכוננות.
  10. חבר של דיודה מכשול Schottky גלבו מיקרוגל לגילוי משתקף מיקרוגל ו אות קלט ערוץ של אוסצילוסקופ, דרך כבל BNC.
  11. חלות של 9.5 V פועל מתח דיודת גאן.
  12. מקם את התא קוורץ (שלב 2.2) על הדוכן מול הצמצם קרוב ככל האפשר. לתקן עם קלטת.

4. מדידות, שמירת נתונים

  1. הפעל את תנודה אור לייזר ולאחר להאיר את האור כדי המדגם.
  2. במקום של חצי-לוחית גל (λ/2) עם מקטב, מד כוח על הנתיב אופטי (איור 1).
  3. להאיר לייזר פעמו כדי מד צריכת החשמל, כפי שמוצג באיור1. בדוק את עוצמת עירור של הלייזר.
  4. להתאים את הזווית λ/2 עבור שליטה על עוצמת עירור.
    הערה: λ/2 משנה את כיוון קיטוב, אור הלייזר בזמן מקטב מעביר אחד בלבד כיוון קיטוב האור, דרך איזה עירור העוצמה נשלטת. צפיפות הפוטונים מוזרקים נקבעו 8 x 1013 ס מ−2 ובשביל הלייזר 266-nm, צפיפות המוביל עירור SiC-4 H הוא 4.5 x17 10 ס מ−3.
  5. הסר את מד הכוח מהנתיב אופטי.
  6. להתאים את זמן/div ו- V/div של אוסצילוסקופ כך האות שיא מוצג על אוסצילוסקופ.
  7. להתאים את משרעת ואת שלב של המיקרוגל דרך טיונר E-H. בדוק את אוסצילוסקופ וחפש המקלט E – H שבו האות שיא. הוא על מקסימום. נכשל ההתאמה של התוצאות מקלט E-H האות הפסד, כפי שהיא מתוארת באיור 2.
    הערה: מגבר משמש כדי לחזק את האות דעיכה במקרה של האות מספיק גדול יחסית רעש רקע, או כאשר הוא לא ציין גם לאחר התאמת המקלט E – H. המגבר ממוקמת בין "דיודה" בגלל מחסום Schottky אות קלט ערוץ של אוסצילוסקופ עם כבל BNC, כמופיע באיור1.
  8. חזור על שלבים 4.6 ו- 4.7 כדי להשלים את כוונון.
  9. להתאים את הזמן/div של אוסצילוסקופ, סקיצה עיקול דעיכה באזור מדידה על אוסצילוסקופ.
  10. ממוצע האות עבור מספר שרירותי של פעמים כדי לשפר את יחס אות לרעש.
  11. לשמור את נתוני המדידה כקובץ אלקטרוני כדי זיכרון, ואז להסיר אותה אוסצילוסקופ.

5. עיבוד נתונים

  1. לייבא את הנתונים אות למחשב אישי.
  2. מגרש עקומות דעיכה המתקבל מהניסוי כפונקציה של הזמן.
  3. לחשב את הערך הממוצע של רמת הרעש ברקע, לחסר זה האות דעיכה, מגרש זה כפונקציה של הזמן.
  4. למצוא את הערך שיא של האות דעיכה שהושג בשלב 5.3 ולאחר מכן לחלק את האות דעיכה לפי הערך שיא.

Representative Results

איור 1 מציג תרשים כללי של המנגנון μ-יהלומים בהיקף של תדר מיקרוגל של 10 ג'יגה-הרץ, X waveguide הלהקה גלבו מלבני. המיקרוגל היה ממוקד על ידי גלבו הרכס כפול, וכן מוקרן על הדגימה. הכוח פלט דיודת גאן היה 50 mW והרעש שלב היה כמעט-80 dBc הרץ.

איור 3 מראה העקומה דעיכה μ-יהלומים של מדגם 100 μm-בעובי n-type 4 H-סיק נרגש על סי-הפנים על ידי 266 nm באוויר; Μ-יהלומים אות (V) קנה המידה באמצעות לוגריתמים המשתנה התלוי, זמן (μs) היה המשתנה הבלתי-תלוי. אות מתח השיא היה לפני כ 0.046 V הגברה. יתר על כן, המתח הנצפה של הרכיב זרם ישר (DC) של המיקרוגל משתקף המתקבל מצב DC אוסצילוסקופ היתה מספר וולט. כפי רקומבינציה של ספקים עודף התקדם עם הזמן, ירד השתקפות של המדגם מוליכות ומיקרוגל.

איור 4 מראה העקומה מנורמלת μ-יהלומים דעיכה של איור 3. נורמליזציה מאפשרת השוואה של קבועי זמן עם עוצמות שונות שיא. בדרך כלל, מנשא שלמים הערכה המבוססת על העקומה דעיכה מבוצע עם הפרמטר1/e τשלמים 1/e, המציין את הזמן שהושקעו להשיג יורדת עוצמת האות של הפסגה כדי 1/e (~ 0.368). שים לב ממוצע-יהלומים דעיכה לא היה יחיד מעריכית, τ1/e הושפע בתפזורת והן משטח רקומבינציה. עם זאת, משווה את קבוע הזמן של דגימות עובי שונה או תנאי השטח המתחייבות פרמטר הפניה. השימוש τ1/e היה נוח לתת את יחס אות לרעש טוב חלקה הראשון של העקומה דעיכה ואת הפשטות של ניתוח הנתונים. כדי לאפיין את האות ממוצע-יהלומים, חיים בחצי משרה, אני40/אנימקס, קבוע kD גם מאומץ כזו פרמטרים22,23,24. למעשה, τ1/e אומצה בשנת תקן חצי: חצי MF 15358 התקנית למדידת הספק-לכל החיים-סי. העקומה דעיכה באיור4, τ1/e היה כ 0.34 μs.

איור 5, התא קוורץ, המכיל תמיסה מימית של ועם המדגם על הקיר שלה, הונח על הדוכן מול ה צמצם11. כל עוצמת במיקרוגל לקרינה ומיקרוגל משתקף מן המדגם, כמו גם את יחס אות לרעש μ-יהלומים, היו תלויים המרחק בין הדגימה את הצמצם, אשר, באופן אידיאלי, צריכה להיות הכי קרוב ככל האפשר. במדידה בפועל, המרחק שהושג היה הכי קרוב ככל האפשר; מדידה שימוש בתא קוורץ הניב מרחק של 0.5 מ מ, אשר היה זהה עובי הזכוכית תא קוורץ.

איור 6 מראה μ-יהלומים עקומות דעיכה של n-type 4 H-סיק באוויר בפתרונות מימית. עירור אור של 266 nm היה מוקרן על סי-הפנים של 4 שעות-SiC. פתרונות מימית השתמשו היו ריכוזים, כפי שהוזכר קודם לכן, כדלקמן: 1 מ' כל אחד של H2אז4, HCl, נה2אז4, NaOH, או 1% wt של HF. קבוע הזמן של עקומות דעיכה היה ארוך עם הדגימה שקוע לתוך הפתרונות מימית חומצי (קרי, H2אז4, HCl או HF), רומז כי פתרונות חומצי passivated הברית משטח על סי-הפנים, מופחתת רקומבינציה פני שטח של עודף נשאים.

איור 7 מציג את התלות ה-pH של τ1/e מדגם n-type 4 H-סיק נרגש על סי-הפנים-266 nm של אור. ה-pH מחושב מתוך ריכוז מולרי H2אז4, HCl ו NaOH. איור זה ציין את התלות שלמים המוביל פתרונות מימית pH; לכן, pH נמוך יצטרך יותר השפעות על משך החיים של הספק.

מהירות רקומבינציה משטח S מחושב כדי לשחזר את τ1/e משמש את הדגימות. הדגם דעיכה של נשאים עודף דווח בהשופט. 2 ו- 3. כדי להשיג את הריכוז המוביל עודף Dn(x, t), משוואת הרצף הבא נפתרה. . הנה, Dn(x, t) הוגדר כפונקציה של זמן t ועומק x בשכבת מוליך למחצה; לפיכך,

Equation 7, (6).

איפה τB בצובר בחיים עקב רקומבינציה שוקלי – קריאה – הול (SRH), D הוא מקדם דיפוזיה ambipolar, B הוא המקדם רקומבינציה קרינה, C רקומבינציה אוז'ה מקדם.

על פני השטח נרגש ואחרים, תנאי גבול ניתנו על ידי משוואת 7:

Equation 8Equation 9 (7)

איפה S0 ו- SW מציינות את מהירות רקומבינציה משטח נרגש ומשטחים אחרים, בהתאמה, ו- W הוא עובי השכבה.

יתר על כן, הפרופיל ריכוז נושא עודף הראשונית באמצעות תאורה הפולס אור יכול לבוא לידי ביטוי באמצעות משוואת 8:

Equation 10(8)

איפה g0 ריכוז נושא ב- x = 0 הוא מקדם הספיגה.

פתרון משוואה 6 בהחלת תנאי גבול המשוואה 7 והתנאי הראשוני של משוואת 8 סיפק את העששת המוביל עודף עקומות. בתהליך, S הוערך על-ידי השוואת את τ1/e מתקבל מן הניסויים ומן את עקומות דעיכה מחושב. התאמת הריבועים הפחותים למזער שגיאות בין ניסיוני τ1/e את כל התנאים, מחושב τ1/e עם פרמטרי S0, S, w, τB.

כפי שהיא מתוארת 6 משוואת המוביל רקומבינציה הוא הסיכום של רכיבים דעיכה שונים, כלומר, השטח, SRH, קרינה, ו אוז'ה recombinations, השתיים האחרונות שיש צפיפות הספק גבוהה יוצאת דופן. מצד שני, רקומבינציה SRH תלוי נקודת פגמים וחבישה בכמויות של חומר מוליך למחצה בצורת רמות האנרגיה בהפער הלהקה מוליכים למחצה. רמות האנרגיה לשמש אבני מוביל ולמעבר בין הלהקות הערכי, הולכה.

m-יהלומים גם מראה nonlinearity על מצב זריקה גבוהה, מגזים בהערכת נושאת חיים13,25,26. איור 8 מראה של יהלומים-m נמדד בתנאי עירור גבוהה. הערה כי העיקול דעיכה צפיפות הפוטונים מוזרק של15 10 ס מ−2 הפך יותר הדרגתית לעומת זה פוטון צפיפות של 1014 ס מ−2, בשל nonlinearity מיקרוגל. יתר על כן, התקבלו הדוגמאות המדידה המוצגת באיור 3, איור 4, ו -6 איור צפיפות הפוטונים מוזרק של 8 x 1013 ס מ−2 הנוצרת nonlinearity מיקרוגל זניח, אוז'ה, קרינה recombinations אבל SRH דומיננטי, משטח recombinations.

איור 6 ניתן לנקוט כדי להדגים דעיכה עקומת חישובים עבור n-type 4 H-סיק סי-הפנים נרגש 266 אור ננומטר, על ידי פנייה קווים מקווקווים, איפה τB = 3 μs ו- S עבור Sפני-SiSi = 200 ס"מ/s או 700 ס"מ/s . עבור שתי הגדרותסי S, העקומה דעיכה ניסיוני נמדד ב- pH נייטרלי (אוויר, 1 מ ' נה2אז4) ואת מצב חומצי (1 M H2אז4), בהתאמה, היו טוב לשכפל, שאומר את S Si עבור significantly n-type 4 H-סיק הופחת מ- 700 ס"מ/s 200 ס"מ/s בפתרונות מימית חומצי כמו מימן passivated הברית משטח על סי-הפנים.

Figure 1
איור 1: תרשים סכמטי של המכשיר μ-יהלומים- חלק אור הלייזר משתקפת במראה חצי-השתקפות. הלייזר משתקף מאותרים על ידי פוטודיודה, חוזר פוטודיודה משמש כגורם מפעיל אוסצילוסקופ. מיקרוגל מופק את דיודת גאן בכיוון כפופות מאת סירקולטור; לאחר מכן, מיקרוגל עובר דרך הפתח, irradiates את הדגימה. המיקרוגל משתקף מדגם חוזר הצמצם, לתוך סירקולטור את, היכן הוא זוהה על ידי "דיודה" בגלל מחסום Schottky. לבסוף, האות מגיע "דיודה" בגלל מחסום Schottky נצפית על ידי אוסצילוסקופ אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: Μ-יהלומים סיגנל נכשלה כיוון של מקלט E-H. לא שיא למדידה הוא ציין עבור כוונון נכשל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: עקומת דעיכה μ-יהלומים עבור המדגם n-type 4H-סיק עם עירור על סי-הפנים על ידי 266 nm באוויר. לייזר פעמו הוא מוקרן בזמן = 0 s שבו עוצמת האות. הוא על מקסימום. איור זה השתנה מ Ichikawa ואח11 עם הרשאות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: עקומת דעיכה μ מנורמל-יהלומים עבור המדגם n-type 4H-סיק עם עירור על סי-הפנים על ידי 266 nm באוויר. הערך המרבי של העקומה דעיכה באיור 2 מנורמל לאחדות. הערך של הקו המקווקו הוא 1/e, τ1/e כ 0.34 μs כמו שתוארו. איור זה השתנה מ Ichikawa ואח11 עם הרשאות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: תמונה מדידה μ-יהלומים בתמיסה המימית בתא קוורץ. התא קוורץ מושם על הדוכן מול הצמצם כדי לאפשר μ-יהלומים דעיכה עקומת מדידה בתמיסה המימית. הממד התא הוא 5 מ מ x 20 מ מ x 40 מ מ (אורך x רוחב x גובה). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: מנורמל ומחושבים μ-יהלומים עקומות דעיכה עבור המדגם n-type 4H-סיק עם עירור על סי-הפנים על ידי 266 nm, אוויר, פתרונות מימית. קווים מלאים לייצג את μ-יהלומים עקומות תוצאה ניסיוני עבור פתרונות מימית של H2O, H2אז4, HCL, נה2אז4, NaOH או HF. קווים מקווקווים הם עקומות מחושב עם החיים המוביל בכמות גדולה ב- epilayers, τB = 3 μs, את מהירות רקומבינציה משטח סי-בפנים, SSi = 200 ס"מ/s או 700 ס"מ/s. איור זה השתנה מ Ichikawa ואח11 עם הרשאות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7: התלות pH של τ1/e עבור n-type 4 H-SiC לדוגמא עם עירור על סי-הפנים על ידי 266 nm. מנשא שלמים מגדילה כמו ה-pH של ירידות תמיסה מימית. תוצאה זו מציינת שאת ה-pH נמוך יותר יהיו יותר השפעות על משך החיים של הספק. איור זה השתנה מ Ichikawa ואח11 עם הרשאות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8: μ-יהלומים דעיכה העקומה של n-type 4H-סיק עם עירור של פוטון מוזרק צפיפות של 1014 או 10 ס מ15 −2 על סי-הפנים על ידי 266 ננומטר. מדידה עם עירור גבוהה-פוטון צפיפות של15 10 ס מ−2 הופך בעקומה דעיכה הדרגתית יותר מזה עם צפיפות נמוכה יותר פוטון כתוצאה nonlinearity של מיקרוגל השתקפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

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 Equation 11 , אשר בא לידי ביטוי 9 המשוואה:

Equation 12(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.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי נאגויה במכון הטכנולוגי של, יפן.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kunst, M., Beck, G. The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. Journal of Applied Physics. 60, (10), 3558-3566 (1986).
  2. Klein, P. B. Carrier lifetime measurement in n−4H-SiC epilayers. Journal of Applied Physics. 103, 033702 (2008).
  3. Linnros, J. Carrier lifetime measurements using free carrier absorption transients. I. Principle and injection dependence. Journal of Applied Physics. 84, 275-283 (1998).
  4. Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H., Kato, M. Microscopic FCA System for Depth-Resolved Carrier Lifetime Measurement in SiC. Materials Science Forum. 924, 269-272 (2018).
  5. Miyazawa, T., Ito, M., Tsuchida, H. Evaluation of long carrier lifetimes in thick 4H silicon carbide epitaxial layers. Applied Physics Letters. 97, 202106 (2010).
  6. Kimoto, T., Danno, K., Suda, J. Lifetime-killing defects in 4H-SiC epilayers and lifetime control by low-energy electron irradiation. Physica Status Solidi B. 245, 1327 (2008).
  7. Ščajev, P., Gudelis, V., Jarašiūnas, K., Klein, P. B. Fast and slow carrier recombination transients in highly excited 4H-and 3C-SiC crystals at room temperature. Journal of Applied Physics. 108, 023705 (2010).
  8. SEMI Standard, SEMI MF1535. (2007).
  9. Hashizume, H., Sumie, S., Nakai, Y. Carrier Lifetime Measurements by Microwave Photoconductivity Decay Method. ASTM Special Technical Publication. 1340, 47 (1998).
  10. Schöfthaler, M., Brendel, R. Sensitivity and transient response of microwave reflection measurements. Journal of Applied Physics. 77, 3162 (1995).
  11. Ichikawa, Y., Ichimura, M., Kimoto, T., Kato, M. Passivation of Surface Recombination at the Si-Face of 4H-SiC by Acidic Solutions. ECS Journal Solid State Science and Technology. 7, (8), Q127-Q130 (2018).
  12. Mori, Y., Kato, M., Ichimura, M. Surface recombination velocities for n-type 4H-SiC treated by various processes. Journal of Physics D: Applied Physics. 47, 335102 (2014).
  13. Kato, M., Mori, Y., Ichimura, M. Microwave reflectivity from 4H-SiC under a high injection condition: impacts of electron-hole scattering. Journal of Applied Physics. 54, 04DP14 (2015).
  14. Kato, M., Matsushita, Y., Ichimura, M., Hatayama, T., Ohshima, T. Excess Carrier Lifetime in p-Type 4H-SiC Epilayers with and without Low-Energy Electron Irradiation. Japanese Journal of Applied Physics. 51, 028006 (2012).
  15. Kato, M., Yoshida, A., Ichimura, M. Estimation of Surface Recombination Velocity from Thickness Dependence of Carrier Lifetime in n-Type 4H-SiC Epilayers. Japanese Journal of Applied Physics. 51, 02BP12 (2012).
  16. Mori, T., et al. Excess Carrier Lifetime Measurement of Bulk SiC Wafers and Its Relationship with Structural Defect Distribution. Japanese Journal of Applied Physics. 44, 8333 (2005).
  17. Jenny, J. R., et al. Effects of annealing on carrier lifetime in 4H-SiC. Journal of Applied Physics. 100, 113710 (2006).
  18. Hayashi, T., Asano, K., Suda, J., Kimoto, T. Temperature and injection level dependencies and impact of thermal oxidation on carrier lifetimes in p-type and n-type 4H-SiC epilayers. Journal of Applied Physics. 109, 014505 (2011).
  19. Okuda, T., Miyake, H., Kimoto, T., Suda, J. Long Photoconductivity Decay Characteristics in p-Type 4H-SiC Bulk Crystals. Japanese Journal of Applied Physics. 52, 010202 (2013).
  20. Schofthaler, M., Brendel, R. Sensitivity and transient response of microwave reflection measurements. Journal of Applied Physics. 77, 3162-3173 (1995).
  21. Beck, G., Kunst, M. Contactless scanner for photoactive materials using laser-induced microwave absorption. Review of Scientific Instruments. 57, 197-201 (1986).
  22. Kolen'ko, Y. V., Churagulov, B. R., Kunst, M., Mazerolles, L., Colbeau-Justin, C. Photocatalytic properties of titania powders prepared by hydrothermal method. Applied Catalysis B: Environmental. 54, 51-58 (2004).
  23. Carneiro, J. T., Savenije, T. J., Moulijn, J. A., Mul, G. The effect of Au on TiO2 catalyzed selective photocatalytic oxidation of cyclohexane. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 217, 326-332 (2011).
  24. Luna, A. L., et al. Synergetic effect of Ni and Au nanoparticles synthesized on titania particles for efficient photocatalytic hydrogen production. Applied Catalysis B: Environmental. 191, 18-28 (2016).
  25. Kunst, M., Beck, G. The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. Journal of Applied Physics. 60, 3358 (1986).
  26. Kunst, M., Beck, G. The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. II. Journal of Applied Physics. 63, 1093 (1988).
  27. Schindler, K. -M., Kunst, M. Charge-Carrier Dynamics in TiO2 Powders. The Journal of Physical Chemistry. 94, 8222-8226 (1990).
  28. Savenije, T. J., de Haas, M. P., Warman, J. M. The Yield and Mobility of Charge Carriers in Smooth and Nanoporous TiO2 Films. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 201-206 (1999).
  29. Colbeau-Justin, C., Kunst, M., Huguenin, D. Structural influence on charge-carrier lifetimes in TiO2 powders studied by microwave absorption. Journal of Materials Science. 38, 2429-2437 (2003).
  30. Kato, M., Kohama, K., Ichikawa, Y., Ichimura, M. Carrier lifetime measurements on various crystal faces of rutile TiO2 single crystals. Materials Letters. 160, 397-399 (2015).
מדידות שלמים המוביל בתחום המוליכים למחצה דרך השיטה קרינת מיקרוגל Photoconductivity
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Asada, T., Ichikawa, Y., Kato, M. Carrier Lifetime Measurements in Semiconductors through the Microwave Photoconductivity Decay Method. J. Vis. Exp. (146), e59007, doi:10.3791/59007 (2019).More

Asada, T., Ichikawa, Y., Kato, M. Carrier Lifetime Measurements in Semiconductors through the Microwave Photoconductivity Decay Method. J. Vis. Exp. (146), e59007, doi:10.3791/59007 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter