Name: carrier lifetime measurements in semiconductors through the microwave photoconductivity decay method
Uploaded: 2019-04-18T13:00:00
Duration: 7 min 38 s
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Este trabajo fue apoyado por el Instituto de tecnología de Nagoya, Japón.

1. preparación de la muestra
<ol><li>Preparar un epilayer tipo n 4H-SiC (Tabla de materiales).</li>
	<li>Lavar la muestra con acetona y luego con agua, cada 5 minutos, usando un</li>
	<li>lavadora ultrasónica.</li>
	<li>Utilice una pistola de nitrógeno para quitar la humedad en la superficie de la muestra.</li>
</ol>2. preparación de soluciones acuosas
<ol><li>Preparar 1 M de H2hasta4, ácido clorhídrico, Na2SO4, NaOH o HF en 1 wt % de concentración. Seleccionar y preparar una solución acuosa que se medirá.</li>
	<li>Preparan una celda de cuarzo con 5 m m (longitud) x 20 mm (ancho) x 40 mm (altura) dimensiones y luego Vierta la solución acuosa en él. Colocar la muestra preparada dentro de la célula y luego sumergirlo en la solución acuosa. Nota: por lo menos 4 mL de la solución acuosa en la celda de cuarzo se requiere para la muestra a ser sumergidos completamente. Cuando se cambia la solución, tratar la muestra con ultrasonidos limpieza con acetona y agua pura.</li>
</ol>3. preparación de los equipos de medición
<ol><li>Encienda la fuente de alimentación de lo 266 nm láser pulsado para excitar a la fuente de luz. Luego, ajuste el modo de láser en modo de espera.</li>
	<li>Conecte el láser pulsado y un oscilador a través de un cable de Neill-Concelman de bayoneta (BNC). Encender el oscilador y una onda de pulso de 100 Hz para el láser pulsado de entrada.</li>
	<li>Conectar un fotodiodo para adquisición de gatillo a través de un canal de entrada de trigger del osciloscopio con un cable BNC.</li>
	<li>Encienda la fuente de alimentación del fotodiodo.</li>
	<li>Irradiar el láser pulsado y coloque la abertura de la guía de onda de microondas en la trayectoria óptica de la luz láser en dirección normal a la luz. PRECAUCIÓN: En este último proceso, el experimentador debe usar anteojos de seguridad durante la irradiación láser.</li>
	<li>Instalar un espejo de media en la vía óptica de láser pulsado, como se muestra en la figura 1y reflejar el láser pulsado para el fotodiodo.</li>
	<li>Encienda el osciloscopio y luego establezca su umbral de disparo en un voltaje suficiente de señal de fotodiodo. Nota: El valor de umbral puede establecerse más pequeño que el pico de la señal de disparo. Cuando una luz reflejada entra en el fotodiodo, el osciloscopio muestra una frecuencia que difiere en gran medida de la frecuencia del láser pulsado. En este caso, repita el paso 3.6.</li>
	<li>Comprobar la frecuencia de disparo con un osciloscopio y sintonizar el oscilador exactamente.</li>
	<li>Poner el modo de láser en modo de espera.</li>
	<li>Conectar un diodo de barrera Schottky en una onda de microondas para la detección de microondas reflejada y un canal de entrada de señal del osciloscopio, a través de un cable BNC.</li>
	<li>Un 9.5 V se aplica tensión a un diodo Gunn.</li>
	<li>Coloque la celda de cuarzo (paso 2.2) en el soporte delante de la abertura tan cerca como sea posible. Fijar con cinta adhesiva.</li>
</ol>4. mediciones y guardar los datos
<ol><li>Encienda la oscilación de luz láser e irradiar la luz a la muestra.</li>
	<li>Coloque una mitad-waveplate (λ/2), un polarizador y un medidor de potencia en el camino óptico (figura 1).</li>
	<li>Irradiar el láser pulsado para el medidor de energía, como se muestra en la figura 1. Comprobar la intensidad de excitación del láser.</li>
	<li>Ajuste el ángulo λ/2 para el control de la intensidad de excitación. Nota: λ/2 cambia la dirección de polarización de la luz laser, mientras que el polarizador transmite sólo una dirección de polarización de la luz, a través de la cual la excitación es controlada por intensidad. Densidades de fotones inyectado se fijan a 8 x 1013 cm−2 y el láser de 266 nm, la densidad del portador de excitación en H 4-SiC es de 4.5 x 1017 cm−3.</li>
	<li>Retire el medidor de energía de la vía óptica.</li>
	<li>Ajustar el tiempo/div y V/div del osciloscopio que la señal máxima se muestra en el osciloscopio.</li>
	<li>Ajustar la amplitud y fase del microondas a través de un sintonizador de E – H. Compruebe el osciloscopio y buscar el sintonizador E – H donde la señal de pico está al máximo. No ajuste de los E-H sintonizador resultados en pérdida de la señal, como se muestra en la figura 2. Nota: Un amplificador se utiliza para fortalecer la señal de decaimiento en caso de señal suficientemente grande en relación con el ruido de fondo o cuando no se observa incluso después de ajustar el afinador E – H. El amplificador se coloca entre el diodo de barrera Schottky y el canal de entrada de señal del osciloscopio con un cable BNC, como se ilustra en la figura 1.</li>
	<li>Repita los pasos del 4.6 y 4.7 para completar el ajuste.</li>
	<li>Ajuste el tiempo/div del osciloscopio y esbozar una curva de decaimiento en el área de medición en el osciloscopio.</li>
	<li>Promedio de la señal para un número arbitrario de veces para mejorar la relación señal a ruido.</li>
	<li>Guardar los datos de medición como un archivo electrónico a la memoria y luego retire el osciloscopio.</li>
</ol>5. procesamiento de datos
<ol><li>Importar los datos de la señal a un ordenador personal.</li>
	<li>Trazar curvas de decaimiento obtenidas del experimento como una función del tiempo.</li>
	<li>Calcular el valor promedio de nivel de ruido de fondo, resta de la señal de decaimiento y parcela en función del tiempo.</li>
	<li>Encontrar el valor pico de la señal de decaimiento obtenida en el paso 5.3 y luego distribuir la señal de decaimiento por el valor de pico.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Kunst, M., Beck, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+study+of+charge+carrier+kinetics+in+semiconductors+by+microwave+conductivity+measurements.">The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements.</a> Journal of Applied Physics. 60 (10), 3558-3566 (1986).</li><li>Klein, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carrier+lifetime+measurement+in+n&#8722;4H-SiC+epilayers.">Carrier lifetime measurement in n&#8722;4H-SiC epilayers.</a> Journal of Applied Physics. 103, 033702 (2008).</li><li>Linnros, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carrier+lifetime+measurements+using+free+carrier+absorption+transients.+I.+Principle+and+injection+dependence.">Carrier lifetime measurements using free carrier absorption transients. I. Principle and injection dependence.</a> Journal of Applied Physics. 84, 275-283 (1998).</li><li>Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H., Kato, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscopic+FCA+System+for+Depth-Resolved+Carrier+Lifetime+Measurement+in+SiC.">Microscopic FCA System for Depth-Resolved Carrier Lifetime Measurement in SiC.</a> Materials Science Forum. 924, 269-272 (2018).</li><li>Miyazawa, T., Ito, M., Tsuchida, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+long+carrier+lifetimes+in+thick+4H+silicon+carbide+epitaxial+layers.">Evaluation of long carrier lifetimes in thick 4H silicon carbide epitaxial layers.</a> Applied Physics Letters. 97, 202106 (2010).</li><li>Kimoto, T., Danno, K., Suda, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lifetime-killing+defects+in+4H-SiC+epilayers+and+lifetime+control+by+low-energy+electron+irradiation.">Lifetime-killing defects in 4H-SiC epilayers and lifetime control by low-energy electron irradiation.</a> Physica Status Solidi B. 245, 1327 (2008).</li><li>&#352;&#269;ajev, P., Gudelis, V., Jara&#353;i&#363;nas, K., Klein, P. 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V., Churagulov, B. R., Kunst, M., Mazerolles, L., Colbeau-Justin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photocatalytic+properties+of+titania+powders+prepared+by+hydrothermal+method.">Photocatalytic properties of titania powders prepared by hydrothermal method.</a> Applied Catalysis B: Environmental. 54, 51-58 (2004).</li><li>Carneiro, J. T., Savenije, T. J., Moulijn, J. A., Mul, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+Au+on+TiO2+catalyzed+selective+photocatalytic+oxidation+of+cyclohexane.">The effect of Au on TiO2 catalyzed selective photocatalytic oxidation of cyclohexane.</a> Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 217, 326-332 (2011).</li><li>Luna, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synergetic+effect+of+Ni+and+Au+nanoparticles+synthesized+on+titania+particles+for+efficient+photocatalytic+hydrogen+production.">Synergetic effect of Ni and Au nanoparticles synthesized on titania particles for efficient photocatalytic hydrogen production.</a> Applied Catalysis B: Environmental. 191, 18-28 (2016).</li><li>Kunst, M., Beck, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+study+of+charge+carrier+kinetics+in+semiconductors+by+microwave+conductivity+measurements.">The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements.</a> Journal of Applied Physics. 60, 3358 (1986).</li><li>Kunst, M., Beck, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+study+of+charge+carrier+kinetics+in+semiconductors+by+microwave+conductivity+measurements.+II.">The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. II.</a> Journal of Applied Physics. 63, 1093 (1988).</li><li>Schindler, K. -. M., Kunst, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Charge-Carrier+Dynamics+in+TiO2+Powders.">Charge-Carrier Dynamics in TiO2 Powders.</a> The Journal of Physical Chemistry. 94, 8222-8226 (1990).</li><li>Savenije, T. J., de Haas, M. P., Warman, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Yield+and+Mobility+of+Charge+Carriers+in+Smooth+and+Nanoporous+TiO2+Films.">The Yield and Mobility of Charge Carriers in Smooth and Nanoporous TiO2 Films.</a> Zeitschrift f&#252;r Physikalische Chemie. , 201-206 (1999).</li><li>Colbeau-Justin, C., Kunst, M., Huguenin, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+influence+on+charge-carrier+lifetimes+in+TiO2+powders+studied+by+microwave+absorption.">Structural influence on charge-carrier lifetimes in TiO2 powders studied by microwave absorption.</a> Journal of Materials Science. 38, 2429-2437 (2003).</li><li>Kato, M., Kohama, K., Ichikawa, Y., Ichimura, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carrier+lifetime+measurements+on+various+crystal+faces+of+rutile+TiO2+single+crystals.">Carrier lifetime measurements on various crystal faces of rutile TiO2 single crystals.</a> Materials Letters. 160, 397-399 (2015).</li></ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

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 <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq11.jpg"> </img>, que se expresa por la ecuación 9:
<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq12.jpg">(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.

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:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq1.jpg">(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:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq2.jpg">(2)
En la aproximación de una perturbación (pequeño Δσ), R(σ + Δσ) se desarrolla en serie de Taylor para obtener
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq3.jpg">(3)
mientras que se convierte Δσ
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq4.jpg">, (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,<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq5.jpg">ΔR y Δp están relacionados por
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq6.jpg">. (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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1061px;" width="1061">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:171px;">n-type 4H-SiC epilayer</td>
			<td style="width:533px;">Ascatron AB http://ascatron.com/</td>
			<td style="width:108px;"></td>
			<td style="width:249px;">Sample</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">266 nm pulsed laser</td>
			<td>CryLaS GmbH http://www.crylas.de/</td>
			<td style="width:108px;">FQSS 266-50&#160;</td>
			<td>Excitation light source</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Photodiode</td>
			<td>THORLABS https://www.thorlabs.com/index.cfm</td>
			<td style="width:108px;">DET10A/M</td>
			<td>Trigger signal detection</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Schottky barrier diode</td>
			<td style="width:533px;">ASI http://www.advancedsemiconductor.com/</td>
			<td style="width:108px;">1N23WE</td>
			<td>Reflected microwave detection</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:171px;">Gun diode&#160;</td>
			<td style="width:533px;">Microsemi https://www.microsemi.com/</td>
			<td style="width:108px;">MO86751C</td>
			<td>Microwave generation source</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">E-H tuner&#160;</td>
			<td>SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html</td>
			<td></td>
			<td>microwave component</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Circulator</td>
			<td>SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html</td>
			<td></td>
			<td>microwave component</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Rectangular waveguide</td>
			<td>SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html</td>
			<td></td>
			<td>microwave component</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Double ridge waveguide</td>
			<td>SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html</td>
			<td></td>
			<td>microwave component</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Crystal mount</td>
			<td>SPC ELECTRONICS CORPORATION http://www.spc.co.jp/index.html</td>
			<td style="width:108px;"></td>
			<td>microwave component</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Acetone</td>
			<td>KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/</td>
			<td style="width:108px;">GE00001</td>
			<td>Sample cleaning</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Sulfuric acid</td>
			<td>KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/</td>
			<td style="width:108px;">GE00257</td>
			<td>Acidic aqueous solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Hydrochloric acid</td>
			<td>KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/</td>
			<td style="width:108px;">GE00238</td>
			<td>Acidic aqueous solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Hydrogen fluoride</td>
			<td>KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/</td>
			<td style="width:108px;">18083-1B</td>
			<td>Acidic aqueous solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Sodium hydroxide</td>
			<td>KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/</td>
			<td style="width:108px;">37184-00</td>
			<td>Alkaline aqueous solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Sodium sulfate</td>
			<td>KANTO CHEMICAL CO.,INC. https://www.kanto.co.jp/</td>
			<td style="width:108px;">37280-00</td>
			<td>Neutral aqueous solution</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

carrier lifetime measurements in semiconductors through the microwave photoconductivity decay method

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.

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,
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq7.jpg">, (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:
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq8.jpg">y <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq9.jpg"> (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:
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/59007/59007eq10.jpg">(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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59007/59007fig1.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59007/59007fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59007/59007fig2.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59007/59007fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59007/59007fig3.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59007/59007fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59007/59007fig4.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59007/59007fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59007/59007fig5.jpg"> 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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59007/59007fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59007/59007fig6.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59007/59007fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59007/59007fig7.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59007/59007fig7large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59007/59007fig8.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59007/59007fig8large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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Carrier Lifetime Measurements in Semiconductors through the Microwave Photoconductivity Decay Method

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.

Portador de por vida medidas en semiconductores a través del método de decaimiento de fotoconductividad de microondas

This work presents a protocol employing the microwave photoconductivity decay (&#956;-PCD) for measurement of the carrier lifetime in semiconductor ...

La vida útil de la portadora es un parámetro importante para el análisis de ondas semiconductoras y los materiales. Necesitamos un método común para la aberración de la vida útil del portador. Aquí, introducimos la descomposición de la fotoconductividad de microondas llamada micro-PCD.micro-PCD es comúnmente desactualizado micro-PCD es comúnmente desactualizado porque es de larga conducta y método disruptivo largo. Otra ventaja de este método es la insensitivedad a lo que sigue a la aberración de los materiales de cualquier estructura. Demostrando el procedimiento estará Takato Asada, un estudiante de mi laboratorio.Para comenzar este procedimiento, prepare una epicapa de carburo de silicio de tipo n 4H. Usando una lavadora ultrasónica, lave la muestra con acetona durante cinco minutos, siga por agua durante cinco minutos. Posteriormente, utilice una pistola de nitrógeno para eliminar la humedad en la superficie de la muestra.A continuación, prepare un molar de ácido sulfúrico, cloruro de hidrógeno, sulfato de sodio, hidróxido de sodio o un porcentaje de peso de ácido fluorhídrico. Prepare una solución acuosa para medir. A continuación, vierta la solución acuosa en una celda de cuarzo.Transfiera la muestra preparada a la celda y sumerjala en la solución acuosa. Para preparar el equipo de medición, encienda la fuente de alimentación del láser pulsado de 266 nanómetros para excitar la fuente de luz. A continuación, ponga el modo láser en modo de espera.Conecte el láser pulsado y un oscilador con un cable BNC. Encienda el oscilador e introduzca una onda de pulso de 100 hercios al láser pulsado. Posteriormente, conecte un fotodiodo al osciloscopio con el cable BNC para activar la adquisición.A continuación, encienda el fotodiodo. A continuación, ponte las gafas de seguridad. Irradiar el láser de pulso y colocar la apertura de la guía de onda de microondas en la trayectoria óptica de la luz láser en la dirección perpendicular a la luz.Instale un medio espejo en la trayectoria óptica del láser pulsado y refleje el láser de pulso al fotodiodo. Después, encienda el osciloscopio y establezca el umbral de disparo en una tensión que sea suficiente para detectar la señal del fotodiodo. A continuación, compruebe la frecuencia del gatillo con un osciloscopio y sintonice si es necesario.Posteriormente, configure el modo láser en modo de espera. Conecte un diodo de barrera schottky en una guía de onda de microondas para la detección de microondas reflejada y un canal de entrada de señal del osciloscopio con un cable BNC. A continuación, aplique un voltaje de funcionamiento de 9,5 voltios a un diodo de cañón.Coloque la celda de cuarzo en el soporte delante de la abertura lo más cerca posible y fíjela con cinta adhesiva. Para medir la vida útil del portador, encienda la oscilación de la luz láser y borre la luz a la muestra. Coloque una placa de media onda, un polarizador y un medidor de potencia en la trayectoria óptica.Borre el láser de pulso al medidor de potencia. Compruebe la intensidad de excitación del láser. A continuación, ajuste el ángulo de media onda para el control de la intensidad de excitación.Después, retire el medidor de potencia de la trayectoria óptica. Ajuste las escalas de tiempo y voltaje del osciloscopio para que la señal de pico se muestre en el osciloscopio. Posteriormente, ajuste la amplitud y la fase del microondas a través de un sintonizador E-H.Compruebe el osciloscopio y busque el sintonizador E-H donde la señal máxima está al máximo. El ajuste fallido del sintonizador E-H da como resultado la pérdida de señal. Este paso debe realizarse con mayor cuidado.Ahora, los overtunings comprometidos producen registros de sintonizador y medición incorrecta. No se puede confirmar el error de ajuste en los procesos de datos. Ajuste la escala de tiempo del osciloscopio y esboce una curva de descomposición en el área de medición en el osciloscopio.Promediar la señal durante un número arbitrario de veces para mejorar la relación señal-ruido. A continuación, guarde los datos de medición como un archivo electrónico en una unidad de memoria. Para procesar los datos, importe los datos de señal a un ordenador personal y trace las curvas de decaimiento obtenidas del experimento en función del tiempo.Calcule el valor medio del nivel de ruido de fondo, restelo de la señal de decaimiento y trace como una función del tiempo. Encuentre el valor máximo de la señal de decaimiento y luego divida la señal de decaimiento por el valor máximo. Esta gráfica muestra curvas de descomposición micro-PCD del carburo de silicio n-tipo 4H en el aire y en soluciones acuosas.Una luz de excitación de 266 nanómetros fue irradiada a la fase de silicio del carburo de silicio 4H en soluciones acuosas. La constante de tiempo de las curvas de descomposición fue más larga con la muestra sumergida en las soluciones acuosas ácidas, lo que implica que las soluciones ácidas pasivaron los estados de superficie en la fase de silicio y la reducción de la recombinación superficial de los portadores en exceso. Tenga en cuenta que estos alojamientos actuales están insonorizados.Con una medición de alta conductividad insonorizada, las intensidades de la señal serán pequeñas. En tales casos, la bifurcación de la señal será regrade. La medición de alta temperatura se puede realizar soplando la vajilla caliente mientras se presiona la muestra en la placa caliente.A través de la medición de alta temperatura, especulamos propiedades de diferentes 15 de vida útil del portador. Este método ha sido propietario de la industria de semiconductores convencionales. Con este método, podemos caracterizar 40 ohmios mismos materiales conductores y sus propiedades superficiales complementarias.Los rayos pulsados son peligrosos. Asegúrese de usar gafas de seguridad y no use relojes para evitar la reflexión de la luz.

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