作为半导体中重要的物理参数之一, 本文采用微波光导性衰减法的协议对载流子寿命进行了测量。
本工作提出了一种利用微波光导率衰减 (μ-PCD) 测量半导体材料特别是碳化硅载流子寿命的协议。原则上, 半导体中通过励磁产生的多余载流子会随着时间的推移而重组, 从而恢复到平衡状态。这种重组的时间常数被称为载波寿命, 这是半导体材料和器件中的一个重要参数, 需要通过μ-PCD 理想地实现非接触式和非破坏性测量。在样品的照射过程中, 微波的一部分由半导体样品反射。微波反射率取决于样品的电导率, 这是由载流子。因此, 通过对反射微波强度的检测, 可以观察到过剩载流子的时间衰减, 可以分析其衰减曲线, 以估计载流子寿命。结果证实了μ-PCD 协议在测量半导体材料和器件中的载波寿命方面的适用性。
半导体中多余的载流子是由注入能量大于传导带和价带之间的间隙的光子在光学上激发的。因此, 在称为载波寿命的时间常数内, 被电子孔重组所消失, 这极大地影响了半导体器件在运行过程中的性能。作为半导体器件和材料的重要参数之一, 载流子寿命对这些材料中存在缺陷非常敏感, 进一步需要一种方便的评价方法。沃曼和昆斯特发明了一种瞬态技术, 他们将时间分辨微波电导率 (TRMC) 命名为 “tmc”, 该技术涉及微波吸收, 以跟踪半导体1中的电荷载流子动力学。其他研究人员提出了瞬态光导 (TPC), 也就是微波光导衰变 (μ-PCD), 这是半导体行业中常用的材料鉴定技术, 因为它是非接触式的,载波寿命的无损测量。特别是对于碳化硅 (sic), 适用于三种主要技术: μ-pcd、时间分辨光致发光 (tr-pl) 和时间分辨自由载波吸收 (tr-fca)2、3、4、5 ,6,7。在这些技术中, μ-pcd 是应用最广泛的技术, 因为与其他两种技术相比, 它表现出表面粗糙度不敏感 (即, 可测量任何给定的各种表面粗糙度 8,9,10) 和高信号灵敏度的激发载体 (即, 使用最佳的微波组件)。一般来说, μ-pcd 是碳化硅和其他半导体材料2、5、6、11、12、13中载波寿命测量的首选. ,14,15,16,17,18,19。
本文详细介绍了μ-pcd1、20、21的测量协议和原理。原则上, 它使用反射微波作为探头。在这里,样品r() 的微波反射率相当于反射微波强度p() 与入射微波强度p之间的比率, 如公式1所示:
(2)
通过脉冲激光的照射, 样品的电导率变为 + ; 同样, r ()转换为r(+)。因此, 由公式2给出的 r:
(3)
在摄动 ( 小)近似中 , r(+ )在泰勒级数中被开发出来
(2)
而成为
, (4)
其中q是基本电荷, μp 是孔的流动性, μn 是电子的流动性, p 是多余的载波浓度。从前面的方程,r和p是相关的
.(3)
微波反射率对过量载流子浓度的依赖性使μ-PCD 能够观察过剩载流子的时间衰减, 我们可以用它来估计半导体材料的载流子寿命。
在Μ-pcd 协议中, 步骤4.7 是最重要的一点。E-H 调谐器分别与 E 和 H 平面上的可移动短路结合在一起。因此, 移动 E 调谐器或 H 调谐器的短路会改变反射微波的振幅和相位, 并最大限度地提高信号振幅。调谐对衰变曲线的波形有很大影响, 必须严格执行。在信号强度较弱的情况下, 可能很难进行调谐, 则可能会使用几十种调谐平均值。对于不成功的调谐, Μ-pcd 衰变曲线是不可观察的;只观察到示波器的噪声信号。图 2显示了这种情况下的示波器波形。
由于没有较低的电导率限制, 因此可以很容易地测量高电阻样品。当样品电阻率较低或样品较厚时, 微波对皮肤的影响不可忽视。距离直到微波的电场强度变得半倍被提到作为皮肤深度 , 由等式9表达:
(10)
其中是微波的角频率,、 和μ分别代表样品的介电常数、电阻率和渗透率。在 Si 和 SiC 的情况下, 10千兆赫微波的近似值为 50ω ~ cm 时的9毫米、10ω的2毫米、1ω的500μm 和0.1ω的 0.1ω * cm。因此, 在小于0.1ω的情况下测量厚度 (几百微米) 的样品将失去精度。另一方面, 在本协议中, 微波和光学辐射是从晶片的对立面发生的。可以忽略不计的皮肤效应表明, 从同一边有更好的微波和光学辐射。
较低的极限取决于样品与微波相互作用所产生的电阻率和厚度。对于高电阻样品, 过剩载流子的典型下限约为 1012 cm-3。另一方面, 电子孔散射必须考虑在大于 1016 cm-3的过剩载流子处, 如注释13所述。
由于微波反射率与过量载流子浓度的不相称性, μ-pcd 衰变曲线在高激励密度下变得温和, 因此公式 (3) 将失去其有效性13,25,26然后就会被高估了图 8显示了在高激发强度下, 化学机械抛光表面处理 n 型4H-SiC 在硅面上激发266nm 的μ-PCD 衰变曲线。
此外, 时间分辨率取决于测量仪器 (如励磁源、示波器和放大器) 的性能。例如, 在本研究中, 该装置由脉冲宽度为 1 ns 的脉冲激光器和频带为 500 MHz 的示波器组成。因此, 估计最小可测量寿命为 2 ns。
如前所述, μ-PCD 对于硅等半导体的表征非常有用。然而, 它的应用可以扩大到其他材料, 例如在光活性材料中, 包括 tio227、28、29、30。
此外, 除了在前面几节介绍的μ-PCD、TR-PL 2 和 TR-FCA之外, 还有另外两种载流子寿命测量技术。TR-PL 观察载体重组引起的光致发光的时间变化, 而 TR-FCA 观察探针光吸收 4的时间变化。具体而言, 当能量小于带隙的光在载波激励过程中被照射时, 就会产生自由载波吸收。然而, 与这两种方法相比, μ-PCD 直接通过微波来观察电导率, 具有较高的表面粗糙度和信号灵敏度, 使其成为半导体器件应用中更理想的载流子寿命测量方法。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了日本名古屋理工学院的支持。
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