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Engineering

कैरियर जीवनकाल मापन अर्धचालकों में माइक्रोवेव के माध्यम से प्रकाशचालकता क्षय विधि

doi: 10.3791/59007 Published: April 18, 2019

Summary

सेमीकंडक्टर्स में महत्वपूर्ण भौतिक मापदंडों में से एक के रूप में, कैरियर जीवनकाल इस के साथ साथ एक प्रोटोकॉल माइक्रोवेव, फोटोकंडेक्टिविटी क्षय विधि को रोजगार के माध्यम से मापा जाता है ।

Abstract

इस काम के एक प्रोटोकॉल को रोजगार माइक्रोवेव, फोटोकंडेक्टिविटी क्षय (μ-pcd) अर्धचालक सामग्री में वाहक जीवनकाल के मापन के लिए, विशेष रूप से SiC प्रस्तुत करता है । सैद्धांतिक रूप से उत्तेजना द्वारा उत्पन्न अर्धचालक में अतिरिक्त वाहकों को समय के साथ संयोजित किया जाता है और बाद में साम्य अवस्था में वापस आ जाता है । इस पुनर्संयोजन के स्थिर समय को वाहक जीवनकाल, अर्धचालक सामग्री और उपकरणों में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर के रूप में जाना जाता है, जिसके लिए एक noncontact और nonविध्वंसकारी माप की आवश्यकता होती है, जो आदर्श रूप से-PCD द्वारा प्राप्त की जाती है । एक नमूने के विकिरण के दौरान, माइक्रोवेव का एक हिस्सा सेमीकंडक्टर नमूने द्वारा परिलक्षित होता है । सूक्ष्मतरंग परावर्तकता प्रतिदर्श चालकता पर निर्भर करती है, जिसका कारण वाहकों को माना जाता है । इसलिए, अधिक वाहकों के समय क्षय परिलक्षित माइक्रोवेव तीव्रता का पता लगाने के माध्यम से मनाया जा सकता है, जिसका क्षय वक्र वाहक जीवनकाल के आकलन के लिए विश्लेषण किया जा सकता है । परिणाम में अर्धचालक सामग्री और उपकरणों में वाहक जीवनकाल मापने में-PCD प्रोटोकॉल की उपयुक्तता की पुष्टि करें ।

Introduction

अर्धचालकों में अतिरिक्त वाहक फोटॉनों के इंजेक्शन द्वारा प्रकाशिक रूप से उत्तेजित हो जाते हैं, जिसमें चालन तथा संयोजकता बैंड के बीच के अंतर से अधिक ऊर्जा होती है । उत्तेजित अतिरिक्त वाहकों, तो, एक इलेक्ट्रॉन द्वारा एक समय के भीतर छेद पुनर्संयोजन गायब-वाहक जीवनकाल के रूप में जाना जाता है, जो बहुत ऑपरेशन के दौरान अर्धचालक उपकरणों के प्रदर्शन को प्रभावित करता है । सेमीकंडक्टर उपकरणों और सामग्री के लिए महत्वपूर्ण मापदंडों में से एक के रूप में, वाहक जीवनकाल इन सामग्रियों में दोषों की उपस्थिति के प्रति बहुत संवेदनशील होता है, और आगे मूल्यांकन की एक सुविधाजनक विधि की आवश्यकता होती है । जे Warman और एम Kunst एक क्षणिक तकनीक वे समय हल माइक्रोवेव चालकता (TRMC) है, जो माइक्रोवेव अवशोषण के लिए अर्धचालक1में प्रभारी वाहक गतिशीलता का पालन शामिल नाम विकसित की है । अंय शोधकर्ताओं ने क्षणिक फोटो चालकता (TPC) का प्रस्ताव किया, अन्यथा माइक्रोवेव फोटोचालकता क्षय (μ-PCD) के रूप में जाना जाता है, जो अपने noncontact के कारण अर्धचालक उद्योगों में आमतौर पर अपनाया सामग्री योग्यता तकनीक है और कैरियर जीवनकाल के nondestructive माप । विशेष रूप से, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के लिए, तीन प्रमुख तकनीकों लागू: μ-pcd, समय का समाधान photoluminescence (tr-PL), और समय का समाधान मुक्त वाहक अवशोषण (tr-fca)2,3,4,5 ,6,7. इन तकनीकों में, μ-pcd सबसे व्यापक रूप से कार्यरत है क्योंकि अन्य दो की तुलना में यह सतह खुरदरापन संवेदनहीनता को दर्शाती है (यानी, किसी भी दिए गए विभिन्न सतह खुरदरापन8,9,10 के लिए औसत दर्जे का ) और उत्तेजित वाहक के लिए उच्च संकेत संवेदनशीलता (यानी, एक इष्टतम माइक्रोवेव घटक का उपयोग कर) । सामांय में,-pcd सिक और अंय अर्धचालक सामग्री में वाहक जीवनकाल मापन के लिए पसंद किया गया है2,5,6,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19

माप प्रोटोकॉल और के सिद्धांत-pcd1,20,21 यहां विस्तृत है । सिद्धांत रूप में, यह एक जांच के रूप में परिलक्षित माइक्रोवेव का उपयोग करता है । यहाँ एक प्रतिदर्श त्(σ) का माइक्रोवेव परावर्तकता परावर्तित माइक्रोवेव तीव्रता च्(σ) तथा आपतित माइक्रोवेव तीव्रता च् के मध्य अनुपात के समतुल्य है जैसाकि समीकरण 1 द्वारा व्यक्त किया गया है:

Equation 11

एक नाड़ी लेजर के विकिरण द्वारा, एक नमूना σ की चालकता के लिए σ + Δσ; इसी प्रकार, त् (σ) r+ δσ) में परिवर्तित हो जाता है । इस प्रकार, ΔR समीकरण 2 द्वारा दिया जाता है:

Equation 22

क्षोभ में (छोटे Δσ) सन्निकटन, त्(σ + δσ) टेलर श्रृंखला में उपज के लिए विकसित किया गया है

Equation 33

जबकि Δσ हो जाता है

Equation 4, (4)

जहां प्राथमिक आवेश है,- च् होल गतिशीलता है,- इलेक्ट्रॉन गतिशीलता है, तथा Δच् अधिक वाहक सांद्रता है । पिछले समीकरणों से,Equation 5ΔR और Δp इससे संबंधित है

Equation 6. 5

अधिक वाहक सांद्रता पर माइक्रोवेव परावर्तन की निर्भरता की अनुमति देता है-PCD अतिरिक्त वाहकों के समय क्षय का निरीक्षण करने के लिए, जिसका उपयोग हम सेमीकंडक्टर सामग्री के वाहक जीवनकाल का अनुमान लगाने के लिए कर सकते हैं ।

Protocol

1. नमूने की तैयारी

  1. एक n-प्रकार 4H-सिक एपिलेयर (सामग्री की तालिका) तैयार करें ।
  2. एसीटोन के साथ नमूना धोने और फिर पानी के साथ, प्रत्येक के लिए 5 मिनट, एक का उपयोग
  3. अल्ट्रासोनिक वॉशर ।
  4. नमूना सतह पर नमी को दूर करने के लिए नाइट्रोजन गन का प्रयोग करें ।

2. जलीय समाधान की तैयारी

  1. 1 उ2तो4, एचसीएल, एनए2तो4, naoh, या HF 1 wt% एकाग्रता में से प्रत्येक तैयार करें । का चयन करें और एक जलीय समाधान तैयार करने के लिए मापा जाएगा ।
  2. 5 मिमी (लंबाई) x 20 मिमी (चौड़ाई) x ४० मिमी (ऊंचाई) आयामों के साथ एक क्वार्ट्ज सेल तैयार करें और फिर उसमें जलीय घोल डाल दें । तैयार सैंपल को सेल में डालें और फिर उसे जलीय घोल में विसर्जित कर दें ।
    नोट: क्वार्ट्ज कोशिका में जलीय घोल के कम से 4 मिलीलीटर के लिए आवश्यक है के लिए नमूने पूरी तरह से डूब सकता है । जब समाधान बदलने, अल्ट्रासोनिक एसीटोन और शुद्ध पानी का उपयोग कर सफाई के साथ नमूना का इलाज ।

3. मापने के उपकरण की तैयारी

  1. प्रकाश स्रोत उत्तेजित करने के लिए २६६-एनएम स्पंदित लेजर की बिजली की आपूर्ति चालू करें । बाद में, स्टैंडबाय पर लेजर मोड सेट ।
  2. एक संगीन Neill-Concelman (BNC) केबल के माध्यम से स्पंदित लेजर और एक थरथरानवाला कनेक्ट. थरथरानवाला और इनपुट एक १०० हर्ट्ज पल्स लहर पर स्पंदित लेजर मुड़ें.
  3. एक BNC केबल के साथ आस्टसीलस्कप के एक ट्रिगर इनपुट चैनल के माध्यम से ट्रिगर अधिग्रहण के लिए एक photodiode कनेक्ट.
  4. फोटोडायोड की विद्युत आपूर्ति चालू करें ।
  5. स्पंदित लेजर किरणित और प्रकाश के लिए सामान्य दिशा में लेजर प्रकाश के ऑप्टिकल पथ पर माइक्रोवेव तरंग गाइड के एपर्चर जगह है ।
    चेतावनी: उत्तरार्द्ध प्रक्रिया में, प्रयोगकर्ता लेजर विकिरण के दौरान सुरक्षा नेत्र चश्मा पहनना चाहिए ।
  6. स्पंदित लेजर के ऑप्टिकल पथ पर एक आधा दर्पण स्थापित करें, जैसा कि चित्र 1में दिखाया गया है, और फोटोडायोड के स्पंदित लेज़र को प्रतिबिंबित करते हैं ।
  7. आस्टसीलस्कप चालू करें और फिर अपने ट्रिगर थ्रेशोल्ड सेट करने के लिए एक वोल्टेज photodiode से संकेत करने के लिए पर्याप्त है ।
    नोट: थ्रेशोल्ड मान ट्रिगर संकेत के शिखर से छोटा सेट किया जा सकता है । जब एक गैर-इरादतन परिलक्षित प्रकाश photodiode में प्रवेश करती है, आस्टसीलस्कप एक आवृत्ति है कि स्पंदित लेजर आवृत्ति से बहुत अलग प्रदर्शित करता है. इस स्थिति में, दोहराएं चरण ३.६ ।
  8. एक आस्टसीलस्कप के साथ ट्रिगर आवृत्ति की जाँच करें और थरथरानवाला बिल्कुल धुन.
  9. लेजर मोड को स्टैंडबाई पर रखें ।
  10. एक bnc केबल के माध्यम से परिलक्षित माइक्रोवेव का पता लगाने और आस्टसीलस्कप के एक संकेत इनपुट चैनल के लिए एक माइक्रोवेव तरंग पथक में एक schottky बाधा डायोड कनेक्ट.
  11. एक Gunn डायोड के लिए एक ९.५ V ऑपरेटिंग वोल्टेज लागू करें ।
  12. क्वार्ट्ज सेल (कदम २.२) के रूप में संभव के रूप में बंद एपर्चर के सामने खड़े पर रखें । टेप के साथ फिक्स ।

4. मापन और डेटा सहेजा जा रहा है

  1. लेजर प्रकाश दोलन चालू करें और नमूना करने के लिए प्रकाश विकीर्ण ।
  2. एक अर्ध-तरंगप्लेट (λ ध2), एक ध्रुवण, और प्रकाशीय पथ पर एक विद्युत मीटर रखें (चित्र 1) ।
  3. स्पंदित लेजर बिजली मीटर के लिए किरणित, के रूप में चित्र 1में दिखाया गया है । लेजर की उत्तेजना की तीव्रता की जांच करें ।
  4. उत् तेजन की तीव्रता के नियंत्रण के लिए λ ध2 कोण को समायोजित कीजिए ।
    नोट: λ ध2 लेजर प्रकाश की ध्रुवण दिशा को बदलता है, जबकि ध्रुवण केवल एक प्रकाश ध्रुवीकरण दिशा को संचारित करता है, जिसके माध्यम से उत्तेजन तीव्रता नियंत्रित होती है । इंजेक्शन फोटॉन घनत्व 8 x 1013 सेमी− 2 करने के लिए सेट कर रहे हैं और २६६-एनएम लेजर के लिए, 4h-SiC में उत्तेजना कैरियर डेंसिटी ४.५ x 1017 सेमी− 3है ।
  5. ऑप्टिकल पथ से बिजली मीटर निकालें ।
  6. समय/div और V/div आस्टसीलस्कप की ताकि पीक संकेत आस्टसीलस्कप पर प्रदर्शित किया जाता है समायोजित करें ।
  7. एक ई – एच ट्यूनर के माध्यम से माइक्रोवेव के आयाम और चरण को समायोजित करें । आस्टसीलस्कप की जाँच करें और ई – एच ट्यूनर के लिए देखो, जहां पीक संकेत अधिकतम पर है । E-H ट्यूनर परिणाम में संकेत हानि, के रूप में चित्र 2में दर्शाए का विफल समायोजन ।
    नोट: एक प्रवर्धक के लिए अपर्याप्त बड़े संकेत पृष्ठभूमि शोर के सापेक्ष या जब यह भी ई-एच ट्यूनर समायोजन के बाद नहीं मनाया जाता है के मामले में क्षय संकेत को मजबूत करने के लिए प्रयोग किया जाता है । प्रवर्धक schottky बाधा डायोड और एक bnc केबल के साथ आस्टसीलस्कप के संकेत इनपुट चैनल के बीच रखा गया है, के रूप में चित्रा 1में सचित्र.
  8. ट्यूनिंग को पूरा करने के लिए ४.६ और ४.७ चरणों को दोहराएँ ।
  9. आस्टसीलस्कप का समय/div समायोजित करें और आस्टसीलस्कप पर माप क्षेत्र में एक क्षय वक्र स्केच ।
  10. सिग्नल-से-रव अनुपात को सुधारने के लिए मनमाने ढंग से कई बार सिग्नल का औसत ।
  11. माप डेटा एक स्मृति के लिए एक इलेक्ट्रॉनिक फ़ाइल के रूप में सहेजें और फिर इसे आस्टसीलस्कप से निकालें ।

5. डेटा प्रोसेसिंग

  1. सिग्नल डेटा को किसी व्यक्तिगत कंप्यूटर पर आयात करें ।
  2. प्लॉट क्षय घटता समय के एक समारोह के रूप में प्रयोग से प्राप्त की ।
  3. पृष्ठभूमि शोर स्तर के औसत मूल्य की गणना, यह क्षय संकेत से घटाना, और यह समय के एक समारोह के रूप में साजिश.
  4. चरण ५.३ में प्राप्त क्षय संकेत के शिखर मान का पता लगाएं और फिर पीक मान द्वारा क्षय संकेत विभाजित करें ।

Representative Results

चित्रा 1 एक 10 गीगा माइक्रोवेव आवृत्ति, एक्स तरंग पथक बैंड, और एक आयताकार तरंग गाइड से मिलकर-pcd तंत्र का एक योजनाबद्ध आरेख से पता चलता है. माइक्रोवेव डबल रिज तरंग पथक द्वारा ध्यान केंद्रित किया गया था और नमूने पर विकिरणित । Gunn डायोड उत्पादन शक्ति ५० मेगावाट थी और चरण शोर लगभग-८० डीबीसी/हर्ट्ज था.

चित्र 3 में--२६६ १००--------------------------------------------------------- -PCD सिग्नल (V) लघुगणनीयता पर निर्भर चर और समय (μs) स्वतंत्र चर था । सिग्नल वोल्टेज पीक लगभग ०.०४६ V प्रवर्धन से पहले था । इसके अलावा, परिलक्षित माइक्रोवेव के प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) घटक आस्टसीलस्कप डीसी मोड से प्राप्त की है कि कई वोल्ट के आदेश की थी । अतिरिक्त वाहकों के पुनर्संयोजन के रूप में समय के साथ प्रगति की है, नमूना की चालकता और माइक्रोवेव परावर्तकता कम हो गई.

चित्र 3के सामान्यीकृत μ-पीसीडी क्षय वक्र को दर्शाता है । सामान्यीकरण विभिन्न शिखर तीव्रता के साथ समय स्थिरांक की तुलना सक्षम करता है । सामान्यत, क्षय वक्र के आधार पर वाहक जीवनकाल का आकलन 1/e जीवनकाल τ1/ e पैरामीटर के साथ किया जाता है, जो यह दर्शाता है कि पीक से 1/e (~ ०.३६८) तक सिग्नल तीव्रता घटने के लिए समय खर्च होता है । ध्यान दें कि-PCD क्षय कोई एकल घातीय नहीं था और τ1/e दोनों थोक और सतह पुनर्संयोजन द्वारा प्रभावित किया गया था । हालांकि, अलग मोटाई या सतह हालत वाले नमूनों की समय स्थिर तुलना एक संदर्भ पैरामीटर आवश्यक हो गया । Τ1/e का उपयोग क्षय वक्र के आरंभिक भाग में अच्छे संकेत-रव अनुपात और डेटा विश्लेषण की सरलता को देखते हुए सुविधाजनक था । के लिए-pcd संकेत, आधे समय रहता है, मैं४०/मैंअधिकतम, और kD लगातार भी ऐसे मानकों को अपनाया22,23,24। वास्तव में, अर्ध-मानक अर्ध-एमएफ १५३५8 में τ1/ई को अपनाया गया । चित्र 4में क्षय वक्र के लिए, τ1/e लगभग ०.३४ μs था ।

अंक 5में स्फटिक कोशिका, जलीय घोल युक्त और उसकी दीवार पर नमूने के साथ अपर्चर11के सामने स्टैंड पर रखा गया था । विकिरण माइक्रोवेव की प्रत्येक तीव्रता और नमूना से परिलक्षित माइक्रोवेव, साथ ही साथ--PCD संकेत करने के लिए शोर अनुपात, नमूना और एपर्चर के बीच की दूरी पर निर्भर थे, जो, आदर्श रूप में संभव के रूप में बंद होना चाहिए. वास्तविक माप में, प्राप्त दूरी के रूप में संभव के रूप में बंद था; क्वार्ट्ज सेल का उपयोग कर माप ०.५ मिमी, जो क्वार्ट्ज सेल ग्लास की मोटाई के रूप में एक ही था की दूरी मिली ।

चित्र 6 से पता चलता है-पीसीडी क्षय हवा में और जलीय समाधान में n-प्रकार 4H-SiC के curves । 4H-SiC के Si-चेहरे के लिए २६६ एनएम की उत्तेजना प्रकाश को विकिरणित किया गया था । जलीय समाधान का इस्तेमाल किया सांद्रता था, जैसा कि पहले उल्लेख किया है, के रूप में निम्नानुसार है: 1 एम प्रत्येक एच2तो4, एचसीएल, एनए2तो4, या naoh, या HF के 1 wt%. क्षय curves के समय स्थिर अम्लीय जलीय समाधान में डूबे नमूने के साथ अब था (यानी, एच2तो4, एचसीएल, या HF), जिसका अर्थ है कि अम्लीय समाधान Si पर सतह राज्यों निष्क्रियकृत-चेहरा और कम सतह के पुनर्संयोजन अतिरिक्त वाहकों ।

चित्र 7 में द-प्रकार 4H-सिक प्रतिदर्श के τ1/e की pH निर्भरता को दर्शाया गया है, जो पै-चेहरे पर २६६ दउ प्रकाश पर उत्तेजित है । पीएच2के मोलर सांद्रता से गणना की गई थी तो4, एचसीएल, और naoh. यह आंकड़ा पीएच जलीय समाधान पर वाहक जीवन भर निर्भरता संकेत; इसलिए, कम पीएच वाहक जीवन पर और अधिक प्रभाव पड़ता है ।

पृष्ठीय पुनर्योजन वेग का परिकलन नमूनों के लिए प्रयुक्त τ1/e को पुन: उत्पन्न करने के लिए किया गया था । अतिरिक्त वाहकों का क्षय मॉडल refs में सूचित किया गया है । 2 और 3. अतिरिक्त वाहक एकाग्रता प्राप्त करने के लिए डीएन(एक्स, टी), निरंतरता के निम्नलिखित समीकरण हल किया गया था. यहां, डीएन(एक्स, टी) एक अर्धचालक परत में समय टी और गहराई x के एक समारोह के रूप में परिभाषित किया गया था; इस प्रकार

Equation 7, (6)

जहां τ थोक shockley के कारण जीवनकाल है-पढ़ें-हॉल (srh) पुनर्संयोजन, डीएक उभय ध्रुवीय प्रसार गुणांक, बी है विकिरण पुनर्संयोजन गुणांक है, और सी बरमा पुनर्संयोजन है गुणांक.

उत्तेजित और अन्य सतहों पर, सीमा की स्थिति समीकरण 7 द्वारा दी गई थी:

Equation 8और Equation 9 (7)

जहां एस0 और एसडब्ल्यू उत्तेजित और अंय सतहों, क्रमशः की सतह पुनर्संयोजन वेग निरूपित, और डब्ल्यू परत मोटाई है ।

इसके अलावा, प्रारंभिक अतिरिक्त वाहक एकाग्रता प्रकाश पल्स रोशनी का उपयोग प्रोफाइल 8 समीकरण का उपयोग कर व्यक्त किया जा सकता है:

Equation 108

जहाँ = 0 पर वाहक सांद्रण है तथा एक अवशोषण गुणांक है ।

समीकरण 7 की सीमा की स्थिति और समीकरण 8 की प्रारंभिक स्थिति को नियोजित करने के द्वारा समाधान 6 को हल करने से अतिरिक्त वाहक क्षय घटता है । इस प्रक्रिया में प्रयोगों से प्राप्त किए गए τ1/e और परिकलित क्षय वक्रों से तुलना करते हुए एस का अनुमान लगाया गया । न्यूनतम वर्ग सभी स्थितियों में प्रायोगिक τ1/e के बीच न्यूनतम की गई त्रुटियों को ढाले और परिकलित τ1/e पैरामीटर S0, sw, और τBके साथ ।

जैसा समीकरण में दर्शाया गया है 6 वाहक पुनर्योजन विभिन्न क्षय घटकों का संकलन है, अर्थात्, सतह, एसआरएच, विकिरण, और बरमा पुनर्युग्म, पिछले दो उल्लेखनीय उच्च वाहक घनत्व वाले । दूसरी ओर, एसआरएच का पुनर्संयोजन सेमीकंडक्टर सामग्री के बल्क में बिंदु दोषों और विस्थापन पर निर्भर करता है, जो अर्धचालक बैंड अंतराल में ऊर्जा के स्तर को बनाते हैं । ऊर्जा स्तर संयोजकता और चालन बैंडों के बीच वाहक संक्रमण के लिए कदम पत्थर के रूप में कार्य करते हैं ।

एम-pcd भी एक उच्च इंजेक्शन हालत में अरैखिकता से पता चलता है, और overestimates वाहक लाइफटाइम13,25,26। चित्र 8 मापा गया m-PCD को एक उच्च उत्तेजन स्थिति के अंतर्गत दिखाता है । ध्यान दीजिए कि 1015 बउ− 2 के अंतःक्षिप्त फोटॉन घनत्व के लिए क्षय वक्र 1014 बउ− 2के प़फ़ोटॉन घनत्व की तुलना में अधिक क्रमिक हो गया, माइक्रोवेव अरैखिकता के कारण । इसके अलावा, चित्र 3, आरेख 4 और आरेख 6 में दर्शाए गए मापन उदाहरणों में 8 x 1013 बउ− 2 के इंजेक्ट किए गए फोटॉन घनत्व के लिए प्राप्त किया गया था जिसके परिणामस्वरूप नगण्य माइक्रोवेव अरैखिकता, और बरमे और विकिरणक पुनर्युग्म लेकिन प्रमुख SRH और सतह recombinations ।

चित्र 6 में द-प्रकार के लिए क्षय वक्र गणनाओं को उदाहरण के लिए लिया जा सकता है 4H-सिक पै-चेहरे को २६६ दउ प्रकाश से उत्तेजित करके, डैश्ड रेखाओं को संदर्भित करके, जहाँ τ = 3-े तथा के लिए पै-फेस पै = २०० बउ/s अथवा ७०० बउ . दोनों एसएसआई सेटिंग्स के लिए, प्रयोगात्मक क्षय तटस्थ पीएच में मापा वक्र (वायु, 1 m Na2तो4) और अम्लीय स्थिति में (1 एम एच2तो4), क्रमशः, अच्छी तरह से reproduced थे, जिसका मतलब है कि एस के लिए si -प्रकार 4h-SiC महत्वपूर्ण ७०० सेमी/s से २०० सेमी करने के लिए कम अम्लीय जलीय समाधान में एस के रूप में हाइड्रोजन si-चेहरे पर सतह राज्यों निष्क्रियकृत ।

Figure 1
चित्रा 1:--PCD डिवाइस के योजनाबद्ध आरेख. लेज़र प्रकाश का एक भाग अर्ध-परावर्तन दर्पण द्वारा परिलक्षित होता है । परावर्तित लेजर का पता फोटोडायोड से लगाया जाता है और फोटोडायोड से आने वाले एक संकेत को आस्टसीलस्कप के लिए ट्रिगर के रूप में प्रयोग किया जाता है । एक माइक्रोवेव Gunn डायोड से circulator द्वारा तुला दिशा में उत्पन्न होता है; फिर, एक माइक्रोवेव एपर्चर के माध्यम से चला जाता है और नमूने irradiates । नमूना से परिलक्षित माइक्रोवेव वापस एपर्चर में आता है और circulttky बाधा डायोड द्वारा पता चला है, जहां परिसंचार में,. अंत में, Schottky बाधा डायोड से आ रही संकेत आस्टसीलस्कप द्वारा मनाया जाता है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: μ-ई-एच ट्यूनर की एक असफल ट्यूनिंग के लिए PCD संकेत । कोई औसत दर्जे का पीक एक असफल ट्यूनिंग के लिए मनाया जाता है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्र 3:--२६६---------------------------------------------------। स्पंदित लेजर समय पर विकिरणित होता है = 0 ै जिस पर संकेत तीव्रता अधिकतम होती है । यह आंकड़ा अनुमति के साथ Ichikawa एट अल11 से संशोधित किया गया है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: सामांयीकृत μ-pcd क्षय वक्र के लिए n-प्रकार 4h-SiC पर उत्तेजना के साथ नमूना Si-चेहरा द्वारा हवा में २६६ एनएम । चित्रा 2 में क्षय वक्र का अधिकतम मान एकता के लिए सामान्यीकृत है । डैश्ड रेखा का मान 1/e है, और τ1/e लगभग ०.३४ μs के रूप में दर्शाया गया है । यह आंकड़ा अनुमति के साथ Ichikawa एट अल11 से संशोधित किया गया है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्र 5:-पीसीडी मापन क्वार्ट्ज कोशिका में जलीय विलयन में । क्वार्ट्ज कोशिका एक जलीय घोल में-PCD क्षय वक्र माप की अनुमति देने के लिए एपर्चर के सामने खड़े पर रखा गया है । सेल आयाम है 5 मिमी x 20 मिमी x ४० मिमी (लंबाई x चौड़ाई x ऊंचाई). इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 6
चित्रा 6: सामांयीकृत और परिकलित μ-PCD क्षय n-प्रकार के लिए 4H-SiC एसआई पर उत्तेजना के साथ-सिक नमूना-चेहरा २६६ एनएम द्वारा, हवा और जलीय समाधान में । ठोस लाइनों का प्रतिनिधित्व करते हैं--PCD प्रायोगिक परिणाम वक्र के जलीय समाधान के लिए एच2ओ,एच 2तो4, एचसीएल, एनए2तो4, naoh, या HF. डैश्ड रेखाएँ परिकलित वक्र होती हैं, जो एपिलायर्स में बल्क वाहक जीवनकाल के साथ, τ = 3-े, तथा पै-फ़ेस के लिए सतह पुनर्संयोजन वेग,पै = २०० बउ या ७०० बउ/s हैं । यह आंकड़ा अनुमति के साथ Ichikawa एट अल11 से संशोधित किया गया है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 7
चित्र 7: द-प्रकार 4H के लिए τ1/e का pH निर्भरता - २६६ दउ द्वारा चेहरे पर उत्तेजन के साथ जलीय घोल के पीएच के रूप में कैरियर जीवनकाल बढ़ जाती है । यह परिणाम इंगित करता है कि कम पीएच वाहक जीवनकाल पर अधिक प्रभाव पड़ेगा । यह आंकड़ा अनुमति के साथ Ichikawa एट अल11 से संशोधित किया गया है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 8
चित्र 8-द-पीसीडी क्षय वक्र के द-टाइप 4H-इस प्रकार के इंजेक्शन प़फ़ोटॉन घनत्व 1014 या 1015 बउ− 2 के उद्दीपित होने पर पै-फलक पर २६६ दउ द्वारा । 1015 बउ− 2 के प़फ़ोटॉन घनत्व पर उच्च उत्तेजन के साथ मापन, माइक्रोवेव परावर्तकता की अरैखिकता के कारण निम्नतर प़फ़ोटॉन घनत्व की तुलना में अधिक क्रमिक क्षय वक्र बनाता है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Discussion

Μ-PCD प्रोटोकॉल में, चरण ४.७ सबसे महत्वपूर्ण बिंदु है । ई-एच ट्यूनर ई और एच विमानों में एक जंगम शॉर्ट सर्किट के साथ शामिल किया गया था, क्रमशः । इस प्रकार, ई ट्यूनर या एच ट्यूनर की शॉर्ट सर्किट चलती है आयाम और प्रतिबिंबित माइक्रोवेव के चरण बदलता है और संकेत आयाम अधिकतम । ट्यूनिंग क्षय वक्र की तरंग पर एक बड़ा प्रभाव है और कड़ाई से किया जाना चाहिए । जहां ट्यूनिंग मुश्किल हो सकता है एक कमजोर सिग्नल की शक्ति के मामले में, ट्यूनिंग औसत के कुछ दसियों इस्तेमाल किया जा सकता है. के लिए असफल ट्यूनिंग, μ-PCD क्षय घटता नमूनीय नहीं हैं; केवल आस्टसीलस्कप के शोर संकेत मनाया जाता है । चित्रा 2 इस तरह के एक मामले में आस्टसीलस्कप तरंग से पता चलता है.

यह उच्च प्रतिरोधक नमूनों को मापने के लिए आसान है के रूप में कोई कम चालकता सीमा है. जब नमूना प्रतिरोधकता कम है या जब नमूना गाढ़ा है, माइक्रोवेव की त्वचा प्रभाव नगण्य नहीं है । जब तक माइक्रोवेव के विद्युत क्षेत्र की तीव्रता 1/e बार हो जाती है तब तक दूरी को त्वचा की Equation 11 गहराई के रूप में संदर्भित किया जाता है, जिसे समीकरण 9 द्वारा व्यक्त किया जाता है:

Equation 129

जहाँ ω माइक्रोवेव की कोणीय आवृत्ति है, तथा ε, ρतथा-क्रमशः प्रतिदर्श के परावैद्युत स्थिरांक, प्रतिरोधकता तथा पारगम्यता का निरूपण करते हैं । एसआई और एसआईसी के मामले में, 10 GHz माइक्रोवेव के लिए लगभग δ मान 9 मिमी पर ५० ω पर ∙ सेमी, 10 ω पर 2 मिमी ∙ सेमी, 1 ω पर ५०० μm ∙ सेमी, और ०.१ Ω पर १५० μm पर ∙ सेमी थे । इसलिए, नमूनों के लिए ठेठ thicknesses (कई सौ माइक्रोन) से कम में ०.१ Ω ∙ सेमी δ सटीकता खो देंगे के साथ नमूने के लिए माप । दूसरी ओर, माइक्रोवेव और ऑप्टिकल विकिरण इस प्रोटोकॉल में वेफर के विपरीत से घटना कर रहे हैं । एक नगण्य त्वचा प्रभाव एक ही पक्ष से बेहतर माइक्रोवेव और ऑप्टिकल विकिरण इंगित करता है ।

निचली सीमाएं माइक्रोवेव के साथ अपनी पारस्परिक क्रिया के परिणामस्वरूप नमूने की प्रतिरोधकता और मोटाई पर निर्भर करती हैं । उच्च प्रतिरोधक नमूनों के लिए, अतिरिक्त वाहकों की विशिष्ट निचली सीमाएं 1012 सेमी− 3के क्रम पर होती हैं । दूसरी ओर, इलेक्ट्रॉन-होल प्रकीर्णन 1016 बउ− 3से अधिक अधिक वाहकों पर विचार किया जाना चाहिए, जैसा कि ref .13 में चर्चा की गई है ।

इस-pcd क्षय curves उच्च उत्तेजना में कोमल बन गया अतिरिक्त वाहक एकाग्रता के लिए माइक्रोवेव परावर्तकता की असमानता के कारण घनत्व कि समीकरण (3) अपनी वैधता खो देंगे13,25,26 और τ1/e का अधिक अनुमान लगाया जाएगा । चित्रा 8 से पता चलता है-pcd क्षय वक्र के एक रासायनिक यांत्रिक चमकाने सतह उपचार n-प्रकार 4h-इस Si पर उत्तेजना के साथ SiC-चेहरा २६६ एनएम द्वारा उच्च उत्तेजना तीव्रता के तहत ।

इसके अलावा, समय संकल्प एक उत्तेजना स्रोत, एक आस्टसीलस्कप, और एक एम्पलीफायर जैसे माप तंत्र के प्रदर्शन पर निर्भर करता है. उदाहरण के लिए, इस अध्ययन में, उपकरण एक स्पंदित लेजर के शामिल 1 एनएस की चौड़ाई उत्तेजना स्रोत के रूप में और एक आस्टसीलस्कप ५०० मेगाहर्ट्ज के एक आवृत्ति बैंड होने. नतीजतन, ंयूनतम औसत दर्जे का जीवनकाल 2 एन एस पर अनुमान लगाया गया था ।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है-------------------------------। फिर भी, इसके आवेदन अंय सामग्री के लिए बढ़ाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, tio227,28,29,30सहित photoactive सामग्री में ।

इसके अलावा, एक तरफ से-PCD, TR-PL2 और TR-fca पहले वर्गों पर शुरू की अंय दो वाहक जीवन भर मापन तकनीक हैं । टी. आर.-पीएल वाहक पुनर्संयोजन के कारण प्रकाश-संदीप्ति के समय परिवर्तन को देखता है जबकि TR-FCA जांच के समय परिवर्तन लाइट अवशोषण4का अवलोकन करते हैं । विशेष रूप से, मुक्त वाहक अवशोषण तब होता है जब बैंड अंतराल से छोटी ऊर्जा के साथ प्रकाश वाहक उत्तेजन3के दौरान किरणित है । फिर भी, इन दोनों की तुलना में,-PCD सीधे माइक्रोवेव द्वारा विद्युत चालकता के अवलोकन और एक उच्च सतह खुरदरापन और संकेत संवेदनशीलता है, यह अधिक आदर्श विधि के लिए वाहक जीवनकाल मापन के लिए अर्धचालक डिवाइस अनुप्रयोगों.

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को जापान के नागॉया इंस्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलजी ने सपोर्ट किया ।

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

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कैरियर जीवनकाल मापन अर्धचालकों में माइक्रोवेव के माध्यम से प्रकाशचालकता क्षय विधि
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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).

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