Carrier Lifetime Measurements in Semiconductors through the Microwave Photoconductivity Decay Method

Takato Asada; Yoshihito Ichikawa; Masashi Kato

doi:10.3791/59007

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Ingeniería

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

Published: April 18, 2019

doi:

10.3791/59007

Takato Asada¹, Yoshihito Ichikawa¹, Masashi Kato^1,2

¹Department of Electrical & Mechanical Engineering,Nagoya Institute of Technology, ²Frontier Research Institute for Material Science,Nagoya Institute of Technology

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 P_es 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, μ_p es la movilidad de agujero, μ_n 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.

Protocol

1. preparación de la muestra Preparar un epilayer tipo n 4H-SiC (Tabla de materiales). Lavar la muestra con acetona y luego con agua, cada 5 minutos, usando un lavadora ultrasónica. Utilice una pistola de nitrógeno para quitar la humedad en la superficie de la muestra. 2. preparación de soluciones acuosas 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. 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. 3. preparación de los equipos de medición 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. 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. Conectar un fotodiodo para adquisición de gatillo a través de un canal de entrada de trigger del osciloscopio con un cable BNC. Encienda la fuente de alimentación del fotodiodo. 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. 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. 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. Comprobar la frecuencia de disparo con un osciloscopio y sintonizar el oscilador exactamente. Poner el modo de láser en modo de espera. 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. Un 9.5 V se aplica tensión a un diodo Gunn. Coloque la celda de cuarzo (paso 2.2) en el soporte delante de la abertura tan cerca como sea posible. Fijar con cinta adhesiva. 4. mediciones y guardar los datos Encienda la oscilación de luz láser e irradiar la luz a la muestra. Coloque una mitad-waveplate (λ/2), un polarizador y un medidor de potencia en el camino óptico (figura 1). Irradiar el láser pulsado para el medidor de energía, como se muestra en la figura 1. Comprobar la intensidad de excitación del láser. 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. Retire el medidor de energía de la vía óptica. Ajustar el tiempo/div y V/div del osciloscopio que la señal máxima se muestra en el osciloscopio. 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. Repita los pasos del 4.6 y 4.7 para completar el ajuste. Ajuste el tiempo/div del osciloscopio y esbozar una curva de decaimiento en el área de medición en el osciloscopio. Promedio de la señal para un número arbitrario de veces para mejorar la relación señal a ruido. Guardar los datos de medición como un archivo electrónico a la memoria y luego retire el osciloscopio. 5. procesamiento de datos Importar los datos de la señal a un ordenador personal. Trazar curvas de decaimiento obtenidas del experimento como una función del tiempo. Calcular el valor promedio de nivel de ruido de fondo, resta de la señal de decaimiento y parcela en función del tiempo. 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.

Representative Results

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.

Discussion

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 τ_1/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.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por el Instituto de tecnología de Nagoya, Japón.

Materials

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

Referencias

Kunst, M., Beck, G. The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. Journal of Applied Physics. 60 (10), 3558-3566 (1986).
Klein, P. B. Carrier lifetime measurement in n−4H-SiC epilayers. Journal of Applied Physics. 103, 033702 (2008).
Linnros, J. Carrier lifetime measurements using free carrier absorption transients. I. Principle and injection dependence. Journal of Applied Physics. 84, 275-283 (1998).
Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H., Kato, M. Microscopic FCA System for Depth-Resolved Carrier Lifetime Measurement in SiC. Materials Science Forum. 924, 269-272 (2018).
Miyazawa, T., Ito, M., Tsuchida, H. Evaluation of long carrier lifetimes in thick 4H silicon carbide epitaxial layers. Applied Physics Letters. 97, 202106 (2010).
Kimoto, T., Danno, K., Suda, J. Lifetime-killing defects in 4H-SiC epilayers and lifetime control by low-energy electron irradiation. Physica Status Solidi B. 245, 1327 (2008).
Ščajev, P., Gudelis, V., Jarašiūnas, K., Klein, P. B. Fast and slow carrier recombination transients in highly excited 4H-and 3C-SiC crystals at room temperature. Journal of Applied Physics. 108, 023705 (2010).
. . SEMI Standard, SEMI MF1535. , (2007).
Hashizume, H., Sumie, S., Nakai, Y. Carrier Lifetime Measurements by Microwave Photoconductivity Decay Method. ASTM Special Technical Publication. 1340, 47 (1998).
Schöfthaler, M., Brendel, R. Sensitivity and transient response of microwave reflection measurements. Journal of Applied Physics. 77, 3162 (1995).
Ichikawa, Y., Ichimura, M., Kimoto, T., Kato, M. Passivation of Surface Recombination at the Si-Face of 4H-SiC by Acidic Solutions. ECS Journal Solid State Science and Technology. 7 (8), Q127-Q130 (2018).
Mori, Y., Kato, M., Ichimura, M. Surface recombination velocities for n-type 4H-SiC treated by various processes. Journal of Physics D: Applied Physics. 47, 335102 (2014).
Kato, M., Mori, Y., Ichimura, M. Microwave reflectivity from 4H-SiC under a high injection condition: impacts of electron-hole scattering. Journal of Applied Physics. 54, 04DP14 (2015).
Kato, M., Matsushita, Y., Ichimura, M., Hatayama, T., Ohshima, T. Excess Carrier Lifetime in p-Type 4H-SiC Epilayers with and without Low-Energy Electron Irradiation. Japanese Journal of Applied Physics. 51, 028006 (2012).
Kato, M., Yoshida, A., Ichimura, M. Estimation of Surface Recombination Velocity from Thickness Dependence of Carrier Lifetime in n-Type 4H-SiC Epilayers. Japanese Journal of Applied Physics. 51, 02BP12 (2012).
Mori, T., et al. Excess Carrier Lifetime Measurement of Bulk SiC Wafers and Its Relationship with Structural Defect Distribution. Japanese Journal of Applied Physics. 44, 8333 (2005).
Jenny, J. R., et al. Effects of annealing on carrier lifetime in 4H-SiC. Journal of Applied Physics. 100, 113710 (2006).
Hayashi, T., Asano, K., Suda, J., Kimoto, T. Temperature and injection level dependencies and impact of thermal oxidation on carrier lifetimes in p-type and n-type 4H-SiC epilayers. Journal of Applied Physics. 109, 014505 (2011).
Okuda, T., Miyake, H., Kimoto, T., Suda, J. Long Photoconductivity Decay Characteristics in p-Type 4H-SiC Bulk Crystals. Japanese Journal of Applied Physics. 52, 010202 (2013).
Schofthaler, M., Brendel, R. Sensitivity and transient response of microwave reflection measurements. Journal of Applied Physics. 77, 3162-3173 (1995).
Beck, G., Kunst, M. Contactless scanner for photoactive materials using laser-induced microwave absorption. Review of Scientific Instruments. 57, 197-201 (1986).
Kolen’ko, Y. V., Churagulov, B. R., Kunst, M., Mazerolles, L., Colbeau-Justin, C. Photocatalytic properties of titania powders prepared by hydrothermal method. Applied Catalysis B: Environmental. 54, 51-58 (2004).
Carneiro, J. T., Savenije, T. J., Moulijn, J. A., Mul, G. The effect of Au on TiO2 catalyzed selective photocatalytic oxidation of cyclohexane. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 217, 326-332 (2011).
Luna, A. L., et al. Synergetic effect of Ni and Au nanoparticles synthesized on titania particles for efficient photocatalytic hydrogen production. Applied Catalysis B: Environmental. 191, 18-28 (2016).
Kunst, M., Beck, G. The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. Journal of Applied Physics. 60, 3358 (1986).
Kunst, M., Beck, G. The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. II. Journal of Applied Physics. 63, 1093 (1988).
Schindler, K. -. M., Kunst, M. Charge-Carrier Dynamics in TiO2 Powders. The Journal of Physical Chemistry. 94, 8222-8226 (1990).
Savenije, T. J., de Haas, M. P., Warman, J. M. The Yield and Mobility of Charge Carriers in Smooth and Nanoporous TiO2 Films. Zeitschrift für Physikalische Chemie. , 201-206 (1999).
Colbeau-Justin, C., Kunst, M., Huguenin, D. Structural influence on charge-carrier lifetimes in TiO2 powders studied by microwave absorption. Journal of Materials Science. 38, 2429-2437 (2003).
Kato, M., Kohama, K., Ichikawa, Y., Ichimura, M. Carrier lifetime measurements on various crystal faces of rutile TiO2 single crystals. Materials Letters. 160, 397-399 (2015).

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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).