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Engineering

マイクロ波光伝導減衰法による半導体中のキャリア ライフ タイム測定

doi: 10.3791/59007 Published: April 18, 2019

Summary

半導体の重要な物理パラメーターのひとつとして、キャリアの寿命をマイクロ波光伝導減衰法を用いたプロトコル経由で本測定します。

Abstract

この作業は、特に SiC 半導体材料におけるキャリア寿命の測定用マイクロ波光伝導減衰 (μ PCD) を用いたプロトコルを示します。励起による半導体中の過剰キャリアは、原則として時間と再結合し、その後、平衡状態に戻ります。この再結合の時定数は、キャリアの寿命、理想的に μ PCD により非接触、非破壊計測を必要とする半導体材料・ デバイスの重要なパラメーターと呼ばれます。サンプルの照射中、電子レンジの一部は半導体サンプルに反映されます。マイクロ波の反射率は、サンプルの伝導率は、通信事業者に起因するのに依存します。したがって、キャリア寿命の推定のための減衰曲線を分析できる反射マイクロ波強度の検出による過剰キャリア減衰を観察できます。結果は、半導体材料・ デバイスのキャリア ライフ タイム測定の μ PCD プロトコルの適合性を確認します。

Introduction

半導体の過剰キャリア光伝導と価電子帯の間のギャップよりも大きなエネルギーを持つ光子の注入によって興奮しています。興奮して過剰キャリアは、キャリアの有効期間は、操作中に半導体デバイスのパフォーマンスに大きく影響として知られている時定数内電子-正孔の再結合によって消えます。半導体デバイス、材料の重要なパラメーターの 1 つとしてキャリア寿命はこれらの材料中の欠陥の存在に非常に敏感、さらに評価する便利な方法が必要です。J. Warman と M. クンスト開発過渡時間と名付けた技術解決マイクロ波電気伝導 (TRMC) マイクロ波吸収半導体1電荷キャリアのダイナミクスに従うことを含む。他の研究者は半導体産業、非接触のために一般的に採用されている材の認定技術であるマイクロ波光伝導減衰 (μ PCD)、として知られている過渡電気伝導度 (TPC) を提案し、キャリア寿命の非破壊測定します。特に、炭化ケイ素 (SiC) の 3 つの主要な手法が適用される: μ PCD、時間分解フォトルミネッ センス (TR PL)、時間分解自由キャリア吸収 (TR FCA)2,3,4,5 ,6,7。(すなわち、任意の測定可能な各種表面粗さ8,9,10 表面粗さ無感応を発揮、他の 2 つと比較してこれらの技術の間で μ PCD は最も広く使用されています。) そして、励起キャリアの高信号感度 (すなわち、使う最適なマイクロ波コンポーネント)。一般に、μ PCD は SiC とその他半導体材料2,5,6,11,12,13 キャリア寿命測定のため推奨されて ,14,15,16,17,18,19

測定プロトコル、μ PCD1,20,21の原則はここに詳しい。原則として、プローブとして反射マイクロ波を使用します。ここでは、(σ) サンプルRのマイクロ波反射率、反射マイクロ波強度P(σ) と入射マイクロ波強度P式 1 で表現される割合に相当。

Equation 1(1)

パルス レーザー照射によるサンプルσの伝導率σ + Δ 変更σ;同様に、 R (σ)R(σ + Δσ) に変換します。したがって、ΔRは式 2 によって与えられます。

Equation 2(2)

摂動 (小型 Δσ) 近似でR(σ + Δσ) は降伏するテイラー シリーズの開発します。

Equation 3(3)

Δσになる中

Equation 4、(4)

qある素電荷μpは正孔移動度、 μnは電子の移動度と Δp過剰キャリア濃度であります。上記の方程式からEquation 5ΔRと Δpの関連

Equation 6.(5)

過剰キャリア濃度のマイクロ波反射率の依存性には、半導体材料のキャリヤ寿命を推定するために使用できる過剰キャリア減衰を観察する μ PCD ことができます。

Protocol

1. サンプルの準備

  1. N 型 4 H-sic 導電性 (材料表) を準備します。
  2. 洗うアセトンと水、それぞれ 5 分間のサンプルを使用して、
  3. 超音波洗浄機。
  4. 窒素銃を使用すると、試料表面の湿気を取除きます。

2. 水溶液の調製

  1. だから H2の各 1 M を準備4HCl、Na2SO4、水酸化ナトリウム、または 1 wt % の濃度で HF。選択し、測定する水溶液を準備します。
  2. 5 mm (長さ) で石英セルを準備 20 mm (幅) x 40 mm (高さ) 寸法とし、注ぐそれに水溶液 x。作製した試料をセルに入れるし、水溶液に浸します。
    注: 石英セルで水溶液の少なくとも 4 mL サンプルで完全に浸漬する必要です。ソリューションを変更すると、治療の超音波サンプル洗浄アセトンと純粋な水を使用しています。

3. 測定器の準備

  1. 266 nm のパルス レーザー光を励起するための電源をオンにします。その後、スタンバイ状態にレーザーのモードを設定します。
  2. 銃剣ニール Concelman (BNC) ケーブルを介してパルス レーザー発振器を接続します。発振器の切り、パルス レーザーに 100 Hz のパルス波を入力します。
  3. BNC ケーブルでオシロ スコープのトリガー入力チャンネルを介してトリガー取得フォト ダイオードを接続します。
  4. フォト ダイオードの電源をオンにします。
  5. パルス レーザーを照射し、光に垂直方向にレーザ光の光路にマイクロ波導波管の開口部を配置します。
    注意: 後者の過程で実験者を着用ください安全メガネ レーザー照射中。
  6. 図 1で示すように、パルス レーザーの光路にハーフミラーをインストールし、フォト ダイオードにパルス レーザーを反映します。
  7. オシロ スコープをオンにし、フォト ダイオードからの信号に十分な電圧をトリガーしきい値を設定します。
    注: しきい値はトリガー信号のピークよりも小さく設定する可能性があります。意図しない反射した光がフォト ダイオードに入る、オシロ スコープはパルス レーザー周波数と大幅に異なる周波数を表示します。この場合、手順 3.6.
  8. オシロ スコープでトリガー周波数を確認し、発振器を正確に調整します。
  9. レーザー モードは、スタンバイ状態に置きます。
  10. BNC ケーブルを介して反射マイクロ波検出用マイクロ波導波路とオシロ スコープの信号入力チャンネルのショットキバリア ダイオードを接続します。
  11. 9.5 V の適用 Gunn のダイオードに電圧。
  12. 可能な限り近い絞りの前にスタンドに石英セル (手順 2.2) を配置します。テープで固定します。

4. 測定とデータの保存

  1. レーザー光の発振に切り、試料に光を照射します。
  2. 光パス (図 1) に、電力計、偏光板、半波長板 (λ/2) を配置します。
  3. 図 1に示すように、電力メーターにパルス レーザーを照射します。レーザーの励起強度を確認してください。
  4. 励起強度の制御の λ/2 の角度を調整します。
    注: λ/2 は偏光板が輝度を制御する励起のみ 1 つの偏光方向を送信中にレーザー光の偏光方向を変更します。8 x 1013 cm− 2および 266 nm レーザー入射光子密度が設定されて、4 H-sic における励起キャリア密度が 1017 cm−3x 4.5。
  5. 光路からパワー メーターを削除します。
  6. ピーク信号はオシロ スコープに表示されるように、時間/div とオシロ スコープの v/div を調整します。
  7. 振幅と E-H のチューナーを通してマイクロ波の位相を調整します。オシロ スコープを確認し、ピーク信号が最大では E-H のチューナーを探します。図 2に示すように信号損失の E H チューナー結果の調整に失敗しました。
    注: アンプ、不十分な大信号のバック グラウンド ノイズを基準にして、または E-H のチューナーを調整した後でも見られない場合崩壊信号を強化する使用されます。アンプは、図 1に示すようにショットキー ・ バリア ・ ダイオードと BNC ケーブルでオシロ スコープの信号入力チャネル間配置されます。
  8. 4.6 および 4.7 の調整を完了する手順を繰り返します。
  9. オシロ スコープの時間/div を調整し、オシロ スコープの測定領域の減衰カーブをスケッチします。
  10. 信号対雑音比を改善するために任意の回数だけ信号の平均値します。
  11. 測定データをメモリに電子ファイルとして保存し、オシロ スコープから削除します。

5 データ処理

  1. 信号データをパソコンにインポートします。
  2. 時間の関数としての実験結果から得られた減衰曲線をプロットします。
  3. バック グラウンド ノイズのレベルの平均値を計算、崩壊信号から減算、時間の関数としてプロットします。
  4. ステップ 5.3 で得られた崩壊信号のピーク値を見つけるし、ピーク値によって減衰信号を分けます。

Representative Results

10 GHz マイクロ波周波数、X waveguide バンド、および方形導波管から成る μ PCD 装置の概略図を図 1に示します。電子レンジは、二重リッジ導波路による集束され、サンプルに照射します。Gunn のダイオードの出力は 50 mW、位相雑音はほぼ-80 dBc/Hz。

図 3で 100 μ m 厚 n 型 4 H-sic のサンプルの μ PCD 減衰曲線興奮して Si 面上 266 nm 空気;Μ PCD 信号 (V)、対数スケールでは従属変数、(μ s) あった独立変数。信号電圧のピークは約 0.046 V まで増幅。またのオシロ スコープ DC モードから得られる反射マイクロ波直流 (DC) 成分の観測電圧が数ボルトの順序だった。過剰キャリアの再結合時間が進むにつれ、サンプルの伝導率とマイクロ波の反射率が減少しました。

図 4は、図 3の正規化された μ PCD 減衰曲線を示しています。正規化は、異なるピーク強度と時定数の比較をできます。通常、減衰曲線に基づくキャリア寿命推定はそのにピークから 1/e (~ 値 0.368) への信号強度の減少を取得するに費やされる時間を示す、1/e 寿命τ1/eパラメーターを用いて実施されます。Μ PCD 崩壊はなかった 1 つの指数、 τ1/eバルクと表面再結合の両方が影響を受けていたことに注意してください。ただし、別の厚さや表面状態を持つサンプルの時定数を比較するには、参照パラメーターが必要になりました。Τ1/eの使用法は、減衰曲線の最初の部分とデータ分析のシンプルさで良い信号対雑音比を与えられて便利でした。Μ PCD 信号、半分の時間を生活、40を特徴付ける/最大kDは定数もこのようなパラメーター22,23,24を採用します。実際には、 τ1/eは、SEMI 規格に採用された: 半 MF 15358 Si のキャリア寿命測定のための標準として。図 4の減衰曲線、 τ1/eは約 0.34 μ s です。

図 5、石英セル、水溶液を含むとその壁のサンプル、絞り11の前にスタンドが掲載されました。照射マイクロ波、μ PCD 信号対雑音比と同様に、サンプルからの反射電子レンジの各強度はサンプルと理想的には、できるだけ近くする必要がありますされる開口部間の距離に依存していた。実際の測定で求めた距離はできるだけ; 近く石英セルを用いた測定には石英セルの厚さと同じは、0.5 mm の距離が得られました。

図 6は、空気や水溶液、n 型 4 H-sic μ PCD 減衰曲線を示しています。266 の光励起 nm 4 H SiC の Si 面に照射します。水溶液使用濃度をいたは、以前、次のように述べたように: H21 M など4HCl、Na2SO4、または水酸化ナトリウム、HF の 1 wt %。酸性の水溶液に浸漬のサンプルに減衰曲線の時定数が長かった (すなわち、H2SO4HCl、HF)、酸性溶液がパッシベーションされると Si 面の表面状態との表面再結合の低減を意味過剰キャリア。

図 7は 266 の Si 面上に興奮して n 型 4 H-sic サンプルのτ1/eの pH 依存性を示す光の nm。PH は、H2のモル濃度から算出した4塩酸と水酸化ナトリウム。PH 水溶液; キャリア寿命依存がこの図に示されています。したがって、低い pH はより多くに及ぼすキャリア寿命があります。

Τを再現する計算された表面再結合速度S 1/eのサンプル使用します。過剰キャリアの減衰モデルは、文献で報告されています。2 と 3。過剰キャリア濃度 Dn(x, t) を得るためには、次の継続の同等化を解決しました。ここでは、Dn(x, t) は時間tと深さx ; 半導体層の関数として定義されました。したがって、

Equation 7、(6)

場所τB一括ショックレー-読み取り-ホール (SRH) 再結合寿命、 Dは両極性拡散係数、放射再結合係数、 Bは、 Cはオージェ再結合係数。

興奮して、他の面で境界条件を式 7 で与えられました。

Equation 8Equation 9 (7)

S0SW興奮の表面再結合速度および他の表面示すとWは層の厚さ。

さらに、光パルス照明を使用して初期の過剰キャリア濃度分布は式 8 を使用して表現できます。

Equation 10(8)

g0xでキャリア濃度 = 0は吸収係数

7 方程式と方程式 8 提供過剰キャリアの減衰曲線の初期条件の境界条件を用いた方程式 6 を解決します。Τを比較することによって推定されたプロセス、 S 1/eは実験と計算される減衰曲線から得られます。二乗法実験τ1/e間の誤差を最小限に抑えるすべての条件で計算されるτ1/e τBパラメーター S0S、wと。

方程式 6 キャリアの再結合は様々 な崩壊のコンポーネント、すなわち、表面、SRH、放射とオージェの総和で表した組換え、最後の 2 つの顕著な高キャリア密度を持ちます。その一方で、SRH の再結合は半導体のバンド ギャップのエネルギー準位を形成する半導体材料の大部分の転位と点欠陥に依存します。エネルギー レベルは、原子価そして伝導バンドのキャリアの遷移のための飛石として機能します。

m PCD はまた高射出条件で非線形性を示していて、キャリア寿命13,25,26を過大評価。図 8強励起条件下で測定された m PCD を示しています。1014 cm− 2マイクロ波の非線形性のための光子密度の比較 1015 cm− 2の挿入された光子密度の減衰曲線よりゆるやかになり、注意してください。さらに、図 3、図 4、および図 6に示すように測定例が得られた 8 x 10 の13 cm− 2無視マイクロ波の非線形性とオージェの結果と放射の入射光子密度組換えが支配的な SRH と表面組換え。

図 6は、破線を参照して顔のため n 型 4 H-sic Si - 266 nm 光励起による減衰曲線の計算を実証するため取ることができる、 τB = 3 μ s とS Si 面SSi = 200 cm/s または 700 cm/s.両方SSi設定実験的減衰曲線を中性 pH で測定 (空気、1 M ナ24)、酸性条件下で (1 M H2など4) をそれぞれがよく再現、そのS を意味します。水素パッシベーション Si 面の表面状態、酸性水溶液中で 200 cm/s 700 cm/秒から減少 n 型 4 H-sic 過程のSi

Figure 1
図 1: μ PCD デバイスの概略図。レーザー光の一部は、半反射ミラーに反映されます。反射レーザー、フォト ダイオードで検出し、フォト ダイオードから来る信号はオシロ スコープのトリガーとして使用されます。電子レンジ、サーキュレータ; によって曲がっている方向に gunn から生成されます。電子レンジ、絞りを通過し、サンプルを照射します。サンプルから反射マイクロ波戻る絞りと、サーキュレータにショットキー ・ バリア ・ ダイオードで検出されます。最後に、ショットキー ・ バリア ・ ダイオードからの信号をオシロ スコープで観測します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2:E H のチューナーの失敗したチューニングの μ PCD 信号します。失敗したチューニング、測定可能なピークはみられません。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3: 266 による Si 表面の励起と n 型 4 H-sic サンプル μ PCD 減衰曲線空気で nm 。パルス レーザーは照射時間 = 0 の信号強度が最大であります。この図は、アクセス許可を持つ市川ら11から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: 266 による Si 表面の励起と n 型 4 H-sic サンプルの正規化された μ PCD 減衰曲線空気で nm2 減衰曲線の最大値は、unity に正規化されます。破線の値は、1/e とτ1/eは、約 0.34 μ s として描かれています。この図は、アクセス許可を持つ市川ら11から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 5
図 5: 石英セルで水溶液中で μ PCD 測定のイメージ。石英セルは、水溶液中で μ PCD 減衰曲線の測定を許可する絞りの前にスタンドに配置されます。セルの寸法は 20 mm × 40 mm × 5 (長さ x 幅 x 高さ)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 6
図 6: 正規化し、266 による Si 表面の励起と n 型 4 H-sic サンプル μ PCD 減衰曲線を計算 nm、空気や水溶液。実線は H2O の水溶液の μ PCD 実験曲線、H24HCL、Na2SO4、水酸化ナトリウム、または HF。破線が薄膜、 τBバルク キャリア寿命の計算曲線SSi Si 面の 3 μ s と表面再結合速度を = = 200 cm/s または 700 cm/s。この図は、アクセス許可を持つ市川ら11から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 7
図 7: τ1/eの pH 依存性のため 266 による Si 表面に励起した場合のサンプル、n 型 4 H-sic nm 。水溶液の減少 pH としてキャリアの寿命が増加します。この結果は、低い pH でお越しのキャリア寿命のさらに効果を示します。この図は、アクセス許可を持つ市川ら11から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 8
図 8: μ PCD 減衰曲線 n 型 4 H-sic の 10 の注入された光子密度の励起と14または 266 によって Si 面上の 10 の15 cm− 2 nm。1015 cm− 2の光子密度で高励起測定マイクロ波反射特性の非線形性による光子密度の低いよりもより緩やかな減衰カーブになります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Discussion

Μ PCD プロトコル 4.7 のステップは最も重要なポイントです。E-H のチューナーをそれぞれ E および H 面の可動短絡を設立されました。したがって、電子チューナーまたは H のチューナーのショート サーキットを移動の振幅と反射マイクロ波の位相を変更、信号振幅を最大化します。チューニングして、減衰曲線の波形に大きな影響を与えている、厳密に行う必要があります。チューニングが難しくなるため、弱い信号強度、場合平均をチューニングの数十を使用できます。Μ PCD 減衰曲線は観測; ないチューニング失敗した、オシロ スコープのノイズ信号のみが観察されます。図 2は、このような場合のオシロ スコープ波形を示します。

導電率の下限はありません、高抵抗試料を測定する簡単です。サンプル抵抗が低くがサンプルが厚いときは、電子レンジの美肌効果は無視できません。マイクロ波の電界強度が 1/e 倍になるまでの距離を表皮厚さと呼びますEquation 11、方程式 9 によって表現されます。

Equation 12(9)

ω は角周波数、電子レンジのμ ρ、ε 表すサンプルの誘電率、比抵抗、透磁率、それぞれ。Si、SiC の場合おおよその 10 ghz 帯マイクロ波のδ値 50 Ω∙cm、10 Ω∙cm、1 Ω∙cm で 500 μ m、0.1 Ω∙cm で 150 μ m で 2 mm、9 mm。そのため、0.1 未満の Ω∙cm の典型的な厚さ (数百ミクロン) 試料の測定δ精度も失われます。その一方で、マイクロ波と光放射は、このプロトコルではウエハの反対側から入射。ごくわずかの美肌効果より良い電子レンジと同じ側からの光放射を示します。

下限は、比抵抗とマイクロ波との相互作用から生じる試料の厚みによって異なります。高抵抗試料の過剰キャリアの典型的な下限は 1012 cm−3順序が。一方、散乱電子-正孔に考慮されなければならない過剰キャリア 1016 cm−3より大きい文献 13 で説明したよう。

式 (3) はその妥当性13,25,26を失うだろう、μ PCD 減衰曲線は過剰キャリア濃度にマイクロ波反射特性の unproportionality による高励起密度で優しくなりましたτ1/eを過大評価でしょう。図 8に示します μ PCD 減衰曲線の化学物質の機械的研磨表面処理 n 型 4 H-sic 266 による Si 表面の励起と高励起強度の下で nm。

また、時間分解能は、励起ソース、オシロ スコープ、増幅器など測定機器の性能に依存します。たとえば、本研究では、装置は 1 のパルス幅でパルス レーザーの, 励起源と 500 MHz の周波数帯域を持つオシロ スコープとして ns。その結果、最小測定可能な寿命が 2 で推定された ns。

前述のように、μ PCD はシリコンなどの半導体の特性評価のため非常に便利です。それにもかかわらず、そのアプリケーションを拡張できる他の材料、例えば、TiO227,28,29,30を含む光機能性材料の。

さらに μ-PCD 脇 TR PL2 TR FCA 導入以前のセクションでは、他の 2 つのキャリア寿命の測定技術。TR PL TR FCA 変更時間を観察しながらのキャリア再結合による、発光の時間変化を観察プローブの光吸収4。具体的には、自由キャリア吸収は、光エネルギー バンド ギャップはキャリア励起3中に照射したよりも小さい場合に発生します。それにもかかわらず、これらの 2 つに比べると、μ PCD 直接マイクロ波電気伝導度を観察する、高い表面粗さと信号の感度、それにより理想的な半導体デバイス用キャリア寿命測定法。

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作品は、名古屋工業大学、日本によって支えられました。

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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マイクロ波光伝導減衰法による半導体中のキャリア ライフ タイム測定
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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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