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Como uno de los parámetros físicos importantes en semiconductores, vida de portador se mide aquí mediante un protocolo que emplea el método de decaimiento de fotoconductividad de microondas.
Este trabajo presenta un protocolo con el decaimiento de la fotoconductividad de microondas (μ-PCD) para la medición de la vida del portador en materiales semiconductores, especialmente SiC. En principio, exceso portadores en el semiconductor generada por excitación recombinan con el tiempo y, posteriormente, volver al estado de equilibrio. La constante de tiempo de esta recombinación se conoce como la vida del portador, un parámetro importante en materiales semiconductores y dispositivos que requiere una medición no destructiva y sin contacto, idealmente mediante μ-PCD. Durante la irradiación de una muestra, una parte de la microondas se refleja en la muestra de semiconductor. Reflectancia de microondas depende de la conductividad de la muestra, que se atribuye a los portadores. Por lo tanto, se observa el decaimiento del tiempo de exceso portadores mediante la detección de la intensidad del microondas reflejada, cuya curva de decaimiento puede ser analizada para la estimación de la vida del portador. Resultados confirman la idoneidad del protocolo en la vida del portador en materiales semiconductores y dispositivos de medición μ-PCD.
Exceso portadores en semiconductores ópticamente muy contentos por la inyección de fotones con energía mayor que la brecha entre las bandas de conducción y Valencia. Portadores del exceso excitados, luego, desaparecerán por una recombinación electrón – hueco dentro de una constante de tiempo conocida como la vida del portador, que afecta en gran medida el rendimiento de los dispositivos de semiconductor durante la operación. Como uno de los importantes parámetros para dispositivos semiconductores y materiales, la vida del portador es muy sensible a la presencia de defectos en los materiales y además requiere un método práctico de evaluación. J. Warman y M. Kunst desarrollaron un transitorio técnica llamaron el tiempo resuelto conductividad de microondas (TRMC), que implica absorción de microondas para seguir la dinámica de portador de carga en semiconductores1. Otros investigadores propusieron la conductividad foto transitoria (TPC), también conocida como el decaimiento de fotoconductividad de microondas (μ-PCD), que es la técnica de calificación material comúnmente adoptado en las industrias de semiconductores debido a su sin contacto y mediciones no destructivas de la vida del portador. En particular, carburo de silicio (SiC), tres principales técnicas son aplicables: μ-PCD, tiempo resuelto photoluminescence (PL-TR) y tiempo resuelto portador libre absorción (TR-FCA)2,3,4,5 ,6,7. Entre estas técnicas, μ-PCD es la más empleada porque en comparación con los otros dos como muestra insensibilidad de la rugosidad de la superficie (es decir, medibles por cualquier dado vario superficie rugosidad8,9,10 ) y sensibilidad de la señal alta de portadores excitados (es decir, con un componente de microondas óptima). En general, se ha preferido para medición de toda la vida del portador en SiC y otro semiconductor materiales2,5,6,11,12,13 μ-PCD ,14,15,16,17,18,19.
Aquí se detalla el protocolo de medición y principio de μ-PCD1,20,21 . En principio, utiliza un microondas reflejado como una sonda. Aquí, la reflexión de microondas de una muestra de R(σ) es equivalente a la relación entre la intensidad del microondas reflejada P(σ) y el microondas incidente intensidad Pen como se expresa en ecuación 1:
(1)
Por la irradiación de un láser de pulso, la conductividad de un σ de la muestra cambia a σ + Δσ; Asimismo, R (σ) se transforma en R(σ + Δσ). Así, ΔR es dada por la ecuación 2:
(2)
En la aproximación de una perturbación (pequeño Δσ), R(σ + Δσ) se desarrolla en serie de Taylor para obtener
(3)
mientras que se convierte Δσ
, (4).
donde q es la carga elemental, μp es la movilidad de agujero, μn es la movilidad de electrón, y Δp es la concentración de portador exceso. De las ecuaciones anteriores,ΔR y Δp están relacionados por
. (5)
La dependencia de la reflexión de microondas sobre la concentración de portador exceso permite μ-PCD observar el decaimiento del tiempo de exceso portadores, que podemos utilizar para estimar la vida útil del portador de materiales semiconductores.
1. preparación de la muestra
2. preparación de soluciones acuosas
3. preparación de los equipos de medición
4. mediciones y guardar los datos
5. procesamiento de datos
La figura 1 muestra un diagrama esquemático de los aparatos de μ-PCD que consta de una frecuencia de microondas de 10 GHz, banda X waveguide y una guía de onda rectangular. El horno de microondas fue enfocado por la guía de onda de doble cresta e irradiado en la muestra. La potencia de salida del diodo de Gunn fue 50 mW y el ruido de fase fue casi-80 dBc/Hz.
La figura 3 muestra la curva de decaimiento de μ-PCD de una muestra de 100 μm de espesor tipo n 4 H-SiC emocionado en la cara Si por 266 nm en el aire; Μ-PCD (V) escalada logarítmica es la variable dependiente y el tiempo (μs) fue la variable independiente. El pico de voltaje de la señal era aproximadamente 0.046 antes V de amplificación. Por otra parte, la tensión observada de la componente de corriente directa (DC) de microondas reflejado obtenido del modo osciloscopio DC fue del orden de varios voltios. Como recombinación de portadores exceso progresado con el tiempo, disminución de reflectancia microondas y conductividad de la muestra.
La figura 4 muestra la curva de decaimiento de μ-PCD normalizado de la figura 3. Normalización permite la comparación de las constantes de tiempo con intensidades pico diferente. Por lo general, estimación de vida portador basado en la curva del decaimiento se lleva a cabo con el parámetro 1/e por vida τ1/e , que indica tiempo gastado para obtener intensidad de señal disminuye desde el pico a 1/e (~ 0.368). Nota decaimiento de μ-PCD no era un solo exponencial y τ1/e influyó a granel y recombinación superficial. Sin embargo, comparando la constante de tiempo de las muestras con diferentes espesores o condición de la superficie hizo necesario un parámetro de referencia. Uso de τ1/e fue conveniente dada la buena relación señal a ruido en la parte inicial de la curva de decaimiento y la sencillez de los análisis de los datos. Para caracterizar la señal de μ-PCD, vidas de medio tiempo, I40máximoy kD constante también adoptado tales parámetros22,23,24. De hecho, en el estándar SEMI adoptó τ1/e : SEMI MF 15358 como el estándar para la medición de toda la vida del portador de Si. Para la curva de decaimiento en la figura 4, τ1/e fue aproximadamente 0,34 μs.
En la figura 5, la celda de cuarzo, que contiene la solución acuosa y con la muestra en su pared, se colocó en el banco frente a la apertura de11. Cada intensidad de microondas irradiado y el microondas reflejado de la muestra, así como la relación de señal a ruido de μ-PCD, dependían de la distancia entre la muestra y la abertura, que, idealmente, debería ser tan cerca como sea posible. En la medida real, la distancia obtenida fue tan cerca como sea posible; medida de la celda de cuarzo dado una distancia de 0,5 mm, que era del mismo ya que el grueso del célula de cristal de cuarzo.
La figura 6 muestra las curvas de decaimiento de μ-PCD de la n-tipo 4 H-SiC en el aire y en soluciones acuosas. Una luz de excitación de 266 nm fue irradiada a la cara Si de 4H-SiC. Soluciones acuosas utilizadas tenían concentraciones, como se ha mencionado anteriormente, como sigue: 1 M de H2SO4, ácido clorhídrico, Na2SO4, o NaOH y 1% en peso de HF. La constante de tiempo de las curvas de decaimiento fue mayor con la muestra que se sumergen en las soluciones acuosas ácidas (es decir, H2SO4, HCl o HF), lo que implica que soluciones ácidas apaciguado Estados superficiales en la cara Si y reducción recombinación superficial de los portadores en exceso.
La figura 7 muestra la dependencia del pH de τ1/e de la muestra n-tipo 4 H-SiC emocionado en la cara Si a 266 nm de la luz. El pH fue calculado a partir de las concentraciones molares de H2hasta4, HCl y NaOH. Esta cifra indica la dependencia de vida portador de soluciones acuosas de pH; por lo tanto, menor pH tendría más efectos en la vida del portador.
Velocidad de recombinación superficial S se calculó para reproducir el τ1/e utilizado para las muestras. El modelo de decaimiento de exceso portadores se ha divulgado en refs. 2 y 3. Para obtener la concentración de portador exceso Dn(x, t), se resolvió la siguiente ecuación de continuidad. Aquí, Dn(x, t) fue definido como una función del tiempo t y la profundidad x de una capa de semiconductor; por lo tanto,
, (6).
donde τB es mayor vida útil debido a la recombinación de Shockley-leer-pasillo (SRH), Da es el coeficiente de difusión ambipolar, B es el coeficiente de recombinación de radiación, y C es la recombinación de Auger coeficiente.
En el excitado y otras superficies, condiciones de límite fueron dados por la ecuación 7:
y
(7)
donde S0 y SW denotar la velocidad de recombinación superficial de la excitada y otras superficies, respectivamente, y W es el espesor de la capa.
Por otra parte, el perfil de concentración de portador exceso inicial con iluminación de luz de pulso puede expresarse mediante la ecuación 8:
(8)
donde g0 es la concentración de portador en x = 0 y a es el coeficiente de absorción.
Resolución de ecuación 6 utilizando las condiciones límite de la ecuación 7 y la condición inicial de curvas de ecuación 8 proporcionada el decaimiento de exceso portador. En el proceso, S se estimó comparando el τ1/e obtenidos de los experimentos y de las curvas de decaimiento calculada. Ajuste de mínimos cuadrados minimiza errores entre el experimental τ1/e en las condiciones de todos y el calculado τ1/e con parámetros S0, Sw y τB.
Como se muestra en la recombinación de portador de ecuación 6 es la suma de varios componentes de decaimiento, es decir, superficie, SRH, radiativo, y y recombinaciones, las dos últimas con notable portador alta densidad. Por otra parte, recombinación de SSR depende punto defectos y dislocaciones en la mayor parte del material semiconductor que forman niveles de energía en el boquete de la venda de semiconductor. Los niveles de energía actúan como piedras para la transición de la compañía entre las bandas de Valencia y conducción.
m-PCD también muestra la ausencia de linealidad en una condición de alta inyección y sobrestima portador toda la vida13,25,26. Figura 8 muestra la medida m-PCD bajo un estado de alta excitación. Tenga en cuenta que la curva de decaimiento de una densidad de fotones inyectado de 1015 cm−2 se convirtió más gradual en comparación con la densidad del fotón de 1014 cm−2, debido a la no linealidad del microondas. Además, los ejemplos de medición que se muestra en la figura 3, figura 4 y figura 6 se obtuvieron para una densidad de fotones inyectado de 8 x 1013 cm−2 resultante en microondas insignificante no linealidad y barrena y radiativo recombinaciones pero dominante SRH y recombinaciones superficiales.
Figura 6 se puede tomar ejemplo de cálculos de curva de decaimiento para el tipo n 4 H-SiC Si cara de excitados por luz de 266 nm, haciendo referencia a las líneas discontinuas, donde τB = 3 μs y S para la cara Si SSi = 200 cm/s o 700 cm/s . TantoSi en configuración S, la curva de decaimiento experimental medida en pH neutro (aire, Na 1 M2hasta4) y en las condiciones ácidas (M 1 H2SO4), respectivamente, fueron bien reproducido, que significó que S Si de la forma n-tipo 4 H-SiC reducida de 700 cm/s a 200 cm/s en soluciones acuosas ácidas como hidrógeno apaciguado los Estados superficiales en la cara Si.
Figura 1: diagrama esquemático del dispositivo PCD μ. Una parte de la luz láser se refleja en el espejo de reflexión medio. El láser reflejado es detectado por el fotodiodo, y una señal proveniente del fotodiodo se utiliza como un disparador para el osciloscopio. Microondas se genera desde el diodo de Gunn en la dirección doblado por la enfermera circulante; Luego, un microondas pasa por la abertura e irradia la muestra. El microondas reflejado de la muestra vuelve a la apertura y en la circulación, donde es detectado por el diodo de barrera Schottky. Por último, la señal proveniente de los diodos de barrera Schottky es observada por el osciloscopio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: el Señal de μ-PCD para templar fallido del sintonizador E H. No medible pico se observa para la adaptación de la fallida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: la curva de decaimiento de μ-PCD para la muestra n-tipo 4H-SiC con la excitación en la cara Si por 266 nm en el aire. El láser pulsado se irradia en tiempo = 0 s en el cual la intensidad es máxima. Esta figura ha sido modificada de Ichikawa et al11 con permisos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: curva de decaimiento de μ-PCD normalizada para la muestra n-tipo 4H-SiC con la excitación en la cara Si por 266 nm en el aire. El valor máximo de la curva de decaimiento en la figura 2 se normaliza a la unidad. El valor de la línea discontinua es 1/e, y τ1/e es aproximadamente 0,34 μs como se muestra. Esta figura ha sido modificada de Ichikawa et al11 con permisos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: imagen de la medida μ-PCD en una solución acuosa en una celda de cuarzo. La celda de cuarzo se coloca en el soporte delante de la abertura para permitir la medición de curva de decaimiento de μ-PCD en una solución acuosa. La dimensión de la celda es de 5 x 20 x 40 mm (longitud x anchura x altura). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: normalizada y calcula curvas de decaimiento de μ-PCD para la muestra n-tipo 4H-SiC con la excitación en la cara Si por 266 nm, en soluciones acuosas y aire. Líneas sólidas representan el μ-PCD resultado experimental curvas para las soluciones acuosas de H2O, H2hasta4, ácido clorhídrico, Na2SO4, NaOH o HF. Las líneas discontinuas son las curvas calculadas con la vida del portador a granel en el epilayers, τB = 3 μs y la velocidad de recombinación superficial de la cara Si, SSi = 200 cm/s o cm/s 700. Esta figura ha sido modificada de Ichikawa et al11 con permisos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: La dependencia del pH de τ1/e para 4 H-SiC el tipo n de la muestra con la excitación en la cara Si por 266 nm. Vida de portador aumenta a medida que el pH de la solución acuosa disminuye. Este resultado indica que el pH más bajo tendrán más efectos en la vida del portador. Esta figura ha sido modificada de Ichikawa et al11 con permisos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: La μ-PCD caries curva de tipo n 4H-SiC con la excitación de la densidad de fotones inyectado 1014 o 1015 cm−2 en la cara Si por 266 nm. Medición con alta excitación en la densidad de fotones de 1015 cm−2 hace una curva de decaimiento más gradual que con menor densidad de fotones debido a la no linealidad de la reflexividad de microondas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En el protocolo de μ-PCD paso 4.7 es el punto más importante. El sintonizador E – H se incorporó con un móvil corto circuito en los planos E y H, respectivamente. Así, el corto circuito del sintonizador de la E o la H cambia la amplitud y fase del microondas reflejado y maximiza la amplitud de la señal. Tiene una gran influencia en la forma de onda de la curva de decaimiento y debe ser realizado estrictamente. En el caso de una fuerza de señal débil donde el tuning puede ser difícil, pueden utilizarse unas decenas de sintonía promedio. De afinación, las curvas de decaimiento de μ-PCD no son observables; se observa sólo la señal de ruido de un osciloscopio. La figura 2 muestra la forma de onda del osciloscopio en tal caso.
Es fácil de medir muestras altamente resistentes ya que no hay ningún límite más bajo de la conductividad. Cuando la resistencia de la muestra es baja o cuando la muestra es gruesa, no es despreciable el efecto de piel de microondas. La distancia hasta que la intensidad de campo eléctrico de la microonda se convierte en 1/e veces se conoce como profundidad de piel , que se expresa por la ecuación 9:
(9)
donde ω es la frecuencia angular de la microonda, y ε ρy μ representan la muestra constante dieléctrica, resistencia y permeabilidad, respectivamente. En el caso Si y SiC, aproximado valores δ para el microondas de 10 GHz fueron 9 mm en 50 Ω∙cm, 2 mm Ω∙cm 10, 500 μm a 1 Ω∙cm y 150 μm en Ω∙cm 0,1. Por lo tanto, las mediciones de las muestras con espesores típicos (varios cien micrones) en menos de 0.1 Ω∙cm perderá precisión δ . Por otro lado, el microondas y la radiación óptica son incidentes del contrario de la oblea en el presente Protocolo. Un insignificante efecto piel indica mejor microondas y radiación óptica del mismo lado.
Límites más bajos dependen de la resistividad y el espesor de la muestra resultante de su interacción con el microondas. Para muestras altamente resistentes, los típicos límites inferiores de los portadores en exceso son del orden de 1012 cm−3. Por otro lado, la dispersión del electrón – hueco debe considerarse en exceso portadores mayor que 1016 cm−3, como se indica en la ref. 13.
Las curvas de decaimiento de μ-PCD se convirtió en suaves densidad alta excitación debido a la unproportionality de la reflexión de microondas a la concentración de portador exceso tal que la ecuación (3) perdería su validez13,25,26 y τ1/e sobreestimado. La figura 8 muestra la curva de decaimiento de PCD μ de un producto químico mecánico pulido 4 H de tratamiento superficial tipo n-SiC con la excitación en la cara Si por 266 nm bajo intensidad de excitación alta.
Por otra parte, tiempo resolución depende el funcionamiento de los aparatos de medición como una fuente de excitación, un osciloscopio y un amplificador. Por ejemplo, en este estudio, el aparato consistía en un láser pulsado con ancho de pulso de 1 ns como la fuente de excitación y un osciloscopio con una banda de frecuencia de 500 MHz. Por lo tanto, la mínima duración medible se estimó en 2 ns.
Como se mencionó anteriormente, μ-PCD es muy útil para la caracterización de semiconductores como Si. Sin embargo, su aplicación puede extenderse a otros materiales, por ejemplo, en materiales fotoactivos incluyendo TiO227,28,29,30.
Además, aparte de la μ-PCD, TR-PL2 y TR-FCA en las secciones anteriores son las otras dos portador toda la vida las técnicas de medición. TR-PL observa el cambio de horario de photoluminescence causada por recombinación portador mientras que TR-FCA observa el tiempo de cambio de punta de prueba ligera absorción4. Específicamente, portador libre absorción se produce cuando la luz con la energía más pequeña que el boquete de la venda se irradia durante el portador excitación3. Sin embargo, en comparación con estos dos, μ-PCD directamente observa conductividad eléctrica por microondas y tiene una alta rugosidad de la superficie y la sensibilidad de la señal, lo que es el método más idóneo para la medición de toda la vida del portador para aplicaciones de dispositivos semiconductores.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por el Instituto de tecnología de Nagoya, Japón.
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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