Carrier Lifetime Measurements in Semiconductors through the Microwave Photoconductivity Decay Method

Takato Asada; Yoshihito Ichikawa; Masashi Kato

doi:10.3791/59007

JoVE Journal > Engineering

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Ingénierie

Träger Lebensdauer Messungen in Halbleitern durch die Mikrowellen-Photoconductivity-Decay-Methode

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

Als eines der wichtigen physikalischen Parameter in Halbleitern ist Träger Lebensdauer hierin über ein Protokoll mit der Mikrowelle Photoconductivity Zerfall Methode gemessen.

Abstract

Dieses Werk stellt ein Protokoll mit der Mikrowelle Photoconductivity Zerfall (μ-PCD) zur Messung der Lebensdauer der Träger in Halbleiter-Materialien, vor allem SiC. Im Prinzip überschüssige Träger in der Halbleiterindustrie über Erregung erzeugt mit der Zeit rekombinieren und anschließend, um den Gleichgewichtszustand zurück. Die Zeitkonstante der diese Rekombination ist bekannt als die Träger Lebensdauer, ein wichtiger Parameter für Halbleiter-Materialien und Geräte, die eine berührungslose und zerstörungsfreie Messung im Idealfall erreicht, indem das μ-PCD erfordert. Während der Bestrahlung einer Probe ist ein Teil der Mikrowelle von der Halbleiter-Probe reflektiert. Mikrowelle Reflexion richtet sich nach der Probe Leitfähigkeit, die zu den Trägern zurückzuführen ist. Daher kann der Zeitwert des überschüssigen Fördermaschinen durch Erkennung von der Intensität des reflektierten Mikrowellen, beobachtet werden, deren Zerfall-Kurve für die Abschätzung der Lebensdauer der Träger analysiert werden kann. Ergebnisse bestätigen die Eignung des μ-PCD-Protokolls bei der Messung der Träger Lebensdauer in Halbleiter-Materialien und Geräte.

Introduction

Überschüssige Träger in Halbleitern sind optisch durch die Injektion von Photonen mit Energie größer als die Kluft zwischen der Wärmeleitung und Valence Bands begeistert. Aufgeregt überschüssige Träger, verschwinden dann, durch ein Elektron-Loch-Rekombination innerhalb eine Zeitkonstante, bekannt als der Träger-Lebensdauer, die großen Einfluss auf die Leistung von Halbleiterbauelementen während des Betriebs. Als einer der wichtigen Parameter für Halbleiter-Bauelemente und Materialien die Träger-Lebensdauer ist sehr empfindlich auf das Vorhandensein von Mängeln in diesen Materialien und weitere erfordert eine bequeme Methode der Bewertung. J. Warman und M. Kunst entwickelt eine transiente Technik nannten die Zeit gelöst Mikrowelle Leitfähigkeit (TRMC), die Mikrowellenabsorption kostenlos Träger Dynamik in Halbleitern¹folgen beinhaltet. Andere Forscher vorgeschlagen die transiente Foto Leitfähigkeit (TPC), andernfalls bekannt als die Mikrowelle Photoconductivity Zerfall (μ-PCD), ist die allgemein angenommene materiellen Qualifikation-Technik in der Halbleiterindustrie aufgrund seiner trägheitslos und zerstörungsfreie Messungen der Träger Lebensdauer. Insbesondere für Siliciumcarbid (SiC), drei Haupttechniken gelten: µ-PCD, zeitaufgelöste Photolumineszenz (TR-PL) und Zeit gelöst frei Frachtführer Absorption (TR-FCA)²^,³^,⁴^,⁵ ^,⁶^,⁷. Unter diesen Techniken ist µ-PCD die meistverwendeten, weil im Vergleich zu den beiden anderen als es Oberflächenrauhigkeit Unempfindlichkeit Exponate (d. h. Oberfläche für jeden messbaren verschiedene Rauheit⁸^,⁹^,¹⁰) und hohe Signalempfindlichkeit für aufgeregt Carrier (d. h. mit einer optimalen Mikrowelle-Komponente). Im Allgemeinen wurde µ-PCD bevorzugt für Träger Lebensdauer Messung in SiC und andere Halbleiter Materialien²^,⁵^,⁶^,¹¹^,¹²^,¹³ ^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹.

Das Messprotokoll und Prinzip der μ-PCD¹^,²⁰^,²¹ ist hier detailliert. Im Prinzip wird eine reflektierte Mikrowelle als Sonde verwendet. Hier ist die Mikrowelle Reflexion einer Probe R(σ) entspricht dem Verhältnis zwischen der Intensität des reflektierten Mikrowellen P(σ) und der Vorfall Mikrowelle Intensität P_de ausgedrückt durch Gleichung 1:

(1)

Durch Bestrahlung eines Puls-Lasers, ändert sich die Leitfähigkeit von einer Probe σ σ + Δσ; ebenso wandelt R (σ) , R(σ + Δσ). So erhält ΔR durch Gleichung 2:

(2)

In Taylorreihe zu führen ist R(σ + Δσ) in eine Störung (kleine Δσ) Annäherung entwickelt.

(3)

während Δσ wird

, (4).

wo q die Elementarladung ist μ_p ist die Loch-Mobilität μ_n ist die Elektron-Mobilität und Δp ist die überschüssige Träger-Konzentration. Aus den vorstehenden GleichungenΔR und Δp durch verknüpft sind

. (5)

Die Abhängigkeit der Mikrowelle Reflexion auf überschüssige Träger Konzentration ermöglicht μ-PCD, den Zeitwert der überschüssige Träger zu beobachten, die wir verwenden können, um die Träger Lebensdauer der Halbleiter-Materialien zu schätzen.

Protocol

1. Vorbereitung der Probe Bereiten Sie eine n-Typ 4H-SiC Epilayer (Table of Materials). Waschen Sie die Probe mit Aceton und dann mit Wasser, jeweils für 5 min, mit einer Ultraschall-Waschmaschine. Verwenden Sie eine Stickstoff-Pistole, um Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Probe zu entfernen. 2. Vorbereitung von wässrigen Lösungen Bereiten Sie 1 M jeweils H2SO4, HCl, Na2SO4, NaOH oder HF bei 1 wt % Konzentration. Auswählen und Vorbereiten einer wässrigen Lösung gemessen werden. Vorbereiten eine Quarz-Zelle mit 5 mm (Länge) x 20 mm (Breite) x 40 mm (Höhe) Abmessungen und gießen Sie dann die wässerige Lösung hinein. Setzen Sie die vorbereitete Probe in die Zelle und dann in die wässrige Lösung eintauchen.Hinweis: mindestens 4 mL der wässrigen Lösung in die Quarz-Zelle ist erforderlich für die Probe vollständig eingetaucht werden. Wenn Sie die Lösung zu ändern, Reinigung behandeln die Probe mit Ultraschall mit Aceton und reines Wasser. 3. Vorbereitung der Messgeräte Schalten Sie die Stromversorgung des 266 nm gepulsten Lasers, die Lichtquelle zu begeistern. Danach stellen Sie den Laser-Modus im Standby-Modus. Gepulste Laser und Oszillator durch ein Bajonett Neill-Concelman (BNC) Kabel anschließen. Schalten Sie den Oszillator und Eingabe einer Pulswelle 100 Hz gepulste Laser. Verbinden Sie eine Photodiode für Trigger Erwerb durch einen Trigger Eingangskanal des Oszilloskops mit einem BNC-Kabel. Schalten Sie die Stromversorgung der Fotodiode. Bestrahlen Sie gepulsten Laser zu und die Blende des Wellenleiters Mikrowelle auf der Strahlengang des Laserlichts in Richtung normal auf das Licht.Achtung: Letztere dabei sollte der Experimentator während Laserbestrahlung Auge Schutzbrille tragen. Installieren Sie eine Hälfte-Spiegel in den optischen Pfad des gepulsten Lasers zu, wie in Abbildung 1gezeigt, und reflektieren Sie die gepulsten Laser auf die Fotodiode. Schalten Sie das Oszilloskop und legen Sie dann die Triggerschwelle auf eine Spannung ausreicht, um von der Photodiode signalisieren.Hinweis: Der Schwellenwert kann kleiner als der Gipfel des Triggersignals eingestellt werden. Betritt ein unbeabsichtigtes reflektiertes Licht die Fotodiode, zeigt das Oszilloskop eine Frequenz, die unterscheidet sich stark von der gepulsten Laser-Frequenz. In diesem Fall wiederholen Sie Schritt 3.6. Überprüfen Sie die Trigger-Frequenz mit einem Oszilloskop und stimmen Sie den Oszillator genau. Versetzen Sie die Laser-Modus in den Standbymodus. Verbinden Sie eine Schottky Barrier Diode in eine Mikrowelle Wellenleiter für reflektierten Mikrowellen-Erkennung und ein Signal Eingangskanal des Oszilloskops, durch ein BNC-Kabel. Anwenden einer 9,5 V Betriebsspannung, eine Gunn-Diode. Die Quarz-Zelle (Schritt 2.2) auf dem Stand vor der Blende so nah wie möglich zu platzieren. Fixieren Sie mit Klebeband. 4. Messen und Speichern von Daten Schalten Sie den Laser Licht Schwingung und bestrahlen Sie das Licht auf die Probe zu. Legen Sie ein halb-Waveplate (λ/2), einen Polarisator und einen Leistungsmesser auf den Strahlengang (Abbildung 1). Bestrahlen Sie den gepulsten Laser Leistungsmesser, wie in Abbildung 1dargestellt. Überprüfen Sie die Anregung Intensität des Lasers. Stellen Sie den λ/2-Winkel zur Steuerung der Intensität der Erregung.Hinweis: λ/2 ändert sich die Polarisationsrichtung des Laserlichts, während der Polarisator nur eine leichte Polungsrichtung, überträgt durch die Anregung Intensität gesteuert wird. Eingespritzte Photon dichten sind 8 x 1013 cm−2 und für den 266-nm-Laser, die Erregung Träger Dichte in 4 H-SiC ist 4.5 x 1017 cm−3. Entfernen Sie das Powermeter aus dem optischen Pfad. Einstellen Sie die Zeit/Div und V/Div des Oszilloskops so, dass die Peak-Signal auf dem Oszilloskop angezeigt wird. Passen Sie die Amplitude und Phase der Mikrowelle durch ein E-H-Tuner. Überprüfen Sie das Oszilloskop und suchen Sie nach der E-H-Tuner wo befindet sich das Peak Signal maximal. Anpassung der E-H Tuner führt zu Signalverlust, gescheitert, wie in Abbildung 2dargestellt.Hinweis: Ein Verstärker dient zur Stärkung der Verfall Signalgabe bei nicht ausreichend große Signal relativ Hintergrundgeräusche oder wenn sie nicht eingehalten wird, auch nach dem Einstellen des E-H-Tuners. Der Verstärker befindet sich zwischen der Schottky Barrier Diode und den Signal-Eingangskanal des Oszilloskop mit einem BNC-Kabel, wie in Abbildung 1dargestellt. Wiederholen Sie die Schritte 4.6 und 4.7 um die Stimmung zu vervollständigen. Einstellen des Zeit/Div das Oszilloskop und eine Verfalls-Kurve in den Messbereich auf dem Oszilloskop zu skizzieren. Durchschnitt das Signal für eine beliebige Anzahl von Zeiten, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die Messdaten als elektronische Datei um eine Erinnerung zu speichern und dann von dem Oszilloskop entfernen. 5. Datenverarbeitung Importieren Sie die Signaldaten an einen PC. Plot-Zerfall Kurven aus dem Experiment als Funktion der Zeit gewonnen. Berechnen Sie den Mittelwert der Störschallpegel, subtrahieren Sie ihn aus dem Zerfall Signal und Plotten Sie es als Funktion der Zeit. Finden Sie den Spitzenwert des Verfalls Signals erhalten im Schritt 5.3 zu und teilen Sie das Verfall-Signal durch den Spitzenwert.

Representative Results

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der μ-PCD-Vorrichtung, bestehend aus 10 GHz-Mikrowellen-Frequenz, X waveguide Band und einem rechteckigen Hohlleiter. Die Mikrowelle war durch die doppelte Ridge Waveguide fokussiert und auf die Probe bestrahlt. Die Ausgangsleistung von Gunn Diode war 50 mW und das Phasenrauschen war fast-80 dBc/Hz. Abbildung 3 zeigt die μ-PCD Verfall Kurve einer 100 μm Dicke n-Typ 4 H-SiC Probe aufgeregt auf dem Si-Gesicht von 266 nm in der Luft; Μ-PCD-Signal (V) logarithmisch skaliert die abhängige Variable und Zeit (μs) war die unabhängige Variable. Die Spannungsspitze Signal war etwa 0.046 V vor der Verstärkung. Darüber hinaus wurde die beobachteten Spannung der Gleichstrom (DC) Komponente des reflektierten Mikrowellen aus dem Oszilloskop-DC-Modus gewonnen Größenordnung von mehreren Volt. Als Rekombination der überschüssige Träger mit der Zeit fortgeschritten ist, verringerte Leitfähigkeit und Mikrowelle Reflexion der Probe. Abbildung 4 zeigt die normalisierten μ-PCD Verfall Kurve in Abbildung 3. Normalisierung ermöglicht den Vergleich der Zeitkonstanten mit verschiedenen Gipfel Intensitäten. In der Regel erfolgt die Träger Lebensdauer Schätzung basiert auf dem Zerfall Kurve mit dem 1/e Lebensdauer τ1/e Parameter, zeigt dieser Zeit aufgewendet, um Signal Intensität nimmt vom Gipfel auf 1/e (~ 0.368) zu erhalten. Beachten Sie, dass µ-PCD Zerfall keine einzige exponentiell war und τ1/e wurde von Volumen und Oberfläche Rekombination beeinflusst. Vergleicht man die Zeitkonstante der Proben mit unterschiedlicher Dicke oder Oberflächenbeschaffenheit erforderte jedoch einen Verweisparameter. Nutzung von τ1/e war praktisch aufgrund der gute Signal-Rausch-Verhältnis bei den ersten Teil der Kurve Zerfall und die Einfachheit der Datenanalyse. Zur Charakterisierung der µ-PCD-Signal, Halbzeit-Leben, ich40/ichmaxund kD konstante angenommen auch solche Parameter22,23,24. In der Tat τ1/e in der SEMI-Standard verabschiedet wurde: SEMI-MF-1535-8 als Standard für die Träger Lebensdauer Messung der Si. Für den Verfall Kurve in Abbildung 4war τ1/e etwa 0,34 μs. In Abbildung 5, die Quarz-Zelle, die wässrige Lösung enthält und mit der Probe an der Wand wurde auf dem Stand vor der Blende11gelegt. Jede Intensität der bestrahlten Mikrowelle und reflektierten Mikrowellen aus der Probe sowie das μ-PCD Signal-Rausch-Verhältnis, waren abhängig von der Entfernung zwischen der Probe und die Blende, die im Idealfall so nahe wie möglich sein sollte. In der eigentlichen Messung war die Entfernung erhalten so nah wie möglich; die Quarz-Zelle mit Messung ergab einen Abstand von 0,5 mm, die das gleiche wie die Dicke der Zelle Quarzglas war. Abbildung 6 zeigt μ-PCD Verfall Kurven von der n-Typ-4 H-SiC in der Luft und in wässrigen Lösungen. Ein Anregungslicht 266 nm zur Si-Fläche des 4H-SiC bestrahlt wurde. Wässrige Lösungen verwendet hatten Konzentrationen, wie erwähnt, früher, wie folgt: 1 M H2SO4, HCl, Na2SO4, oder NaOH oder 1 Gew.-% des HF. Die Zeitkonstante der Verfall Kurven war länger mit der Probe in den sauren wässrigen Lösungen getaucht (d. h. H2SO4, HCl oder HF), was bedeutet, dass saure Lösungen Oberflächen Staaten auf dem Si-Gesicht passiviert und Oberfläche Rekombination von reduzierte die überschüssige Träger. Abbildung 7 zeigt die pH-Abhängigkeit von τ1/e der n-Typ 4 H-SiC Probe aufgeregt auf dem Si-Gesicht bei 266 nm des Lichts. Der pH-Wert wurde berechnet aus den Molaren Konzentrationen von H2SO4, HCl und NaOH. Diese Zahl angegeben die Träger lebenslange Abhängigkeit von wässrigen Lösungen pH; Daher hätte niedriger pH-Wert mehr Auswirkungen auf die Lebensdauer der Träger. Oberfläche Rekombination Geschwindigkeit S wurde berechnet, um das τzu reproduzieren1/e für die Proben verwendet. Das Verfall Modell der überschüssige Träger wurde in Refs berichtet. 2 und 3. Um die überschüssige Träger Konzentration Dn(X, t) zu erhalten, wurde die folgende Kontinuitätsgleichung gelöst. Hier wurde Dn(X, t) als Funktion der Zeit t und Tiefe X in einem Halbleiter-Schicht definiert; so, , (6). wo τB Bulk Lebensdauer aufgrund der Shockley – lesen – Halle (SRH) Rekombination ist Deine ambipolar Diffusionskoeffizienten, B ist die Strahlung Rekombination Koeffizienten und ist C ist die Auger-Rekombination Koeffizienten. An den aufgeregt und anderen Oberflächen erhielten die Randbedingungen durch die Gleichung 7: und (7) wo S0 und SW bezeichnen die Oberfläche Rekombination Geschwindigkeit der angeregten und andere Flächen, beziehungsweise, und W ist die Schichtdicke. Darüber hinaus könnte das erste überschüssige Träger Konzentration Profil mit Lichtimpuls Beleuchtung mit Gleichung 8 ausgedrückt werden: (8) wo ist g0 Träger Konzentration bei X = 0 und a ist der Absorptionskoeffizient. Lösen die Gleichung 6 durch den Einsatz der Randbedingungen der Gleichung 7 und den Ausgangszustand der Gleichung 8 zur Verfügung gestellt die überschüssige Träger Verfall Kurven. Dabei wurde durch den Vergleich der τ S geschätzt1/e von den Experimenten und aus den berechneten Verfall Kurven zu erhalten. Kleinsten Quadrate passend minimiert Fehler zwischen den experimentellen τ1/e unter allen Bedingungen und berechnete τ1/e mit Parameter S0, Sw, und τB. Wie in Gleichung 6 Träger Rekombination ist die Summierung der verschiedenen Verfall Komponenten, nämlich Oberfläche, SRH, Strahlungsleistung, und Auger Rekombinationen, die letzten beiden mit bemerkenswert hoher Träger Dichte. Auf der anderen Seite hängt SRH-Rekombination Punktdefekte und Verwerfungen in der Masse des Halbleitermaterials, die Energieniveaus in der Bandlücke Halbleiter zu bilden. Die Energieniveaus fungieren als Sprungbrett für Träger Übergang zwischen Valence und Wärmeleitung Bands. m-PCD Nichtlinearität bei hohen Injektion Zustand zeigt auch Träger Lebensdauer13,25,26überschätzt. Abbildung 8 zeigt die gemessenen m-PCD unter einem Zustand hoher Erregung. Beachten Sie, dass die Verfall-Kurve für eine eingespritzte Photonendichte von 10-15 cm−2 allmählicher wurde im Vergleich dazu für Photonendichte von 1014 cm−2, wegen Mikrowelle Nichtlinearität. Darüber hinaus wurden die in Abbildung 3, Abbildung 4 und Abbildung 6 gezeigten Messbeispielen für eine eingespritzte Photonendichte von 8 x 1013 cm−2 Folge vernachlässigbar Mikrowelle Nichtlinearität und Auger und Strahlungs erhalten Rekombinationen aber dominant SRH und Oberfläche Rekombinationen. Abbildung 6 können ergriffen werden, um Verfall Kurve Berechnungen für die n-Typ 4 H-SiC Si-Gesicht von 266 nm Licht begeistert beispielhaft anhand der gestrichelten Linien, wo τB = 3 µs und S für das Si-Gesicht SSi = 200 cm/s oder 700 cm/s. . Für beide S-Si -Einstellungen die experimentellen Verfall Kurve gemessen in neutralen pH-Wert (Luft, 1 M Na2SO4) und in den sauren Zustand (1 M H2SO4) bzw. wurden gut reproduziert, was, dass S bedeutete Si für die n-Typ 4 H-SiC erheblich verringerte sich von 700 cm/s auf 200 cm/s in sauren wässrigen Lösungen wie Wasserstoff die Oberfläche Staaten auf dem Si-Gesicht passiviert. Abbildung 1: Schematische Darstellung des Gerätes μ-PCD. Ein Teil des Laserlichts ist durch den Hälfte-Reflexion Spiegel reflektiert. Die reflektierte Laser von der Photodiode erkannt wird, und ein Signal aus der Photodiode dient als Auslöser für das Oszilloskop. Eine Mikrowelle ist von der Gunn-Diode in die Richtung von Thermostaten gebogen erzeugt; dann eine Mikrowelle geht durch die Blende und die Probe bestrahlt. Die reflektierten Mikrowellen aus der Probe kommt zurück auf die Blende und in Thermostaten, wo es durch die Schottky Barrier Diode erkannt. Schließlich wird das Signal von der Schottky Barrier Diode von dem Oszilloskop beobachtet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 2: die Μ-PCD-Signal für eine fehlgeschlagene tuning von E-H Tuner. Keine messbare Spitze wird für eine fehlgeschlagene tuning beobachtet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 3: die μ-PCD Verfall Kurve n-Typ 4H-SiC Prüfmuster mit Erregung auf dem Si-Gesicht von 266 nm in Luft. Gepulste Laser bestrahlt zur Zeit = 0 s, an dem die Signalintensität maximal ist. Diese Zahl wurde von Ichikawa Et Al.11 mit Berechtigungen geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 4: normalisierte μ-PCD Verfall Kurve n-Typ 4H-SiC Prüfmuster mit Erregung auf dem Si-Gesicht von 266 nm in Luft. Der maximale Wert der Verfall Kurve in Abbildung 2 wird zur Einheit normalisiert. Der Wert der gestrichelten Linie 1/e, und τ1/e ist etwa 0,34 μs wie dargestellt. Diese Zahl wurde von Ichikawa Et Al.11 mit Berechtigungen geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 5: Bild der μ-PCD-Messung in einer wässrigen Lösung in einer Quarz-Zelle. Die Quarz-Zelle befindet sich auf dem Stand vor der Blende auf μ-PCD Verfall Kurve Messung in einer wässrigen Lösung zu ermöglichen. Die Zellengröße ist 5 x 20 x 40 mm (Länge x Breite x Höhe). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 6: normalisiert und berechnet μ-PCD Verfall Kurven für die n-Typ 4H-SiC Probe mit Erregung auf dem Si-Gesicht von 266 nm, in der Luft und wässrigen Lösungen. Durchgezogene Linien repräsentieren die μ-PCD Versuchsergebnis Kurven für die wässrigen Lösungen von H2O, H2SO4, HCL, Na2SO4, NaOH oder HF. Die gestrichelten Linien sind die berechneten Kurven mit der Bulk Carrier Lebensdauer in Epilayers, τB = 3 µs und die Oberfläche Rekombination Geschwindigkeit für das Si-Gesicht, SSi = 200 cm/s oder 700 cm/s. Diese Zahl wurde von Ichikawa Et Al.11 mit Berechtigungen geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 7: Die pH-Abhängigkeit von τ1/e für n-Typ 4 H-SiC Probe mit Anregung auf dem Si-Gesicht von 266 nm. Träger-Lebensdauer steigt der pH-Wert der wässrigen Lösung nimmt. Dieses Ergebnis zeigt an, dass die niedrigere pH-Wert mehr Auswirkungen auf die Lebensdauer der Träger haben wird. Diese Zahl wurde von Ichikawa Et Al.11 mit Berechtigungen geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 8: Die μ-PCD Verfall Kurve n-Typ 4H-SiC mit Anregung des injizierten Photonendichte 1014 oder 1015 cm−2 auf dem Si-Gesicht von 266 nm. Messung mit hoher Erregung bei Photonendichte 1015 cm−2 macht eine allmählichere Verfall-Kurve als die mit niedrigeren Photonendichte aufgrund der Nichtlinearität des Mikrowelle Reflektivität. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

4.7 im μ-PCD-Protokoll geht der wichtigste Punkt. Der E-H-Tuner gegründet mit einem beweglichen Kurzschluss in den Ebenen E und H. So bewegt der Kurzschluss des Tuners E oder H-Tuner ändert sich die Amplitude und Phase des reflektierten Mikrowellen und maximiert die Signalamplitude. Tuning hat großen Einfluss auf die Wellenform der Verfall Kurve und streng durchgeführt werden muss. Im Falle eine schwache Signalstärke, wo tuning schwierig sein könnte, können ein paar Dutzend Tuning Durchschnitte verwendet werden. Nicht stimmen, sind die μ-PCD-Verfall-Kurven nicht zu beobachten; nur das Rauschsignal eines Oszilloskops wird beobachtet. Abbildung 2 zeigt die Oszilloskop Wellenform in einem solchen Fall.

Es ist leicht, sehr widerstandsfähigen Proben zu messen, da gibt es keine Untergrenze der Leitfähigkeit. Wenn die Probe Widerstand gering ist oder wenn die Probe dick ist, ist der Skin-Effekt der Mikrowelle nicht zu vernachlässigen. Die Entfernung bis die elektrische Feldstärke der Mikrowelle 1/e Zeiten wird nennt man Hauttiefe , das drückt sich durch Gleichung 9:

(9)

wo ω ist die Kreisfrequenz der Mikrowelle, und ε, ρund μ repräsentieren der Probe Dielektrizitätskonstante, Widerstandsfähigkeit und Durchlässigkeit. Im Falle von Si und SiC wurden ungefähre δ -Werte für die 10 GHz Mikrowelle 9 mm bei 50 Ω∙cm, 2 mm auf 10 Ω∙cm, 500 μm bei 1 Ω∙cm und 150 μm bei 0,1 Ω∙cm. Daher werden Messungen für Proben mit typischen dicken (mehrere hundert Mikrometer) auf weniger als 0,1 Ω∙cm δ Genauigkeit verlieren. Auf der anderen Seite sind die Mikrowelle und optische Strahlung Vorfall von der gegenüberliegenden des Wafers in diesem Protokoll. Ein vernachlässigbaren Effekt der Haut zeigt bessere Mikrowelle und optische Strahlung von der gleichen Seite.

Niedrigere Grenzwerte hängen von der Widerstandsfähigkeit und Dicke der Probe aus der Interaktion mit der Mikrowelle. Für höchst widerstandsfähigen Proben sind die typischen Untergrenzen der überschüssige Träger in der Größenordnung von 10¹² cm⁻³. Auf der anderen Seite, Elektron-Loch-Streuung an überschüssige Träger größer als 10¹⁶ cm⁻³, anzusehen wie in Nr. 13 diskutiert.

Die μ-PCD-Verfall-Kurven wurde sanft bei hoher Erregung Dichte aufgrund von Unproportionality der Mikrowelle Reflektivität der überschüssige Träger-Konzentration so, dass die Gleichung (3) verlöre seine Gültigkeit¹³^,²⁵^,²⁶ und τ_1/e würde überschätzt werden. Abbildung 8 zeigt die μ-PCD Verfall Kurve einer chemischen mechanischen Polieren Oberflächenbehandlung n-Typ 4 H-SiC mit Anregung auf dem Si-Gesicht von 266 nm unter hoher Erregung Intensität.

Darüber hinaus hängt die zeitliche Auflösung auf die Leistung des Apparates Messung z. B. einer Anregungsquelle ein Oszilloskop und einem Verstärker. Zum Beispiel in dieser Studie den Apparat bestand aus einem gepulsten Laser mit Impulsbreite von 1 ns die Anregungsquelle sowie ein Oszilloskop mit einem Frequenzband von 500 MHz. Infolgedessen wurde messbare Mindestlebensdauer schätzungsweise 2 ns.

Wie bereits erwähnt, ist μ-PCD sehr nützlich für die Charakterisierung von Halbleitern wie Si. Dennoch kann seine Anwendung zu anderen Materialien, zum Beispiel in photoaktiven Materialien einschließlich TiO₂²⁷^,²⁸^,²⁹^,³⁰verlängert werden.

Außerdem befinden sich neben der μ-PCD, TR-PL² und TR-FCA eingeführt in den früheren Abschnitten die anderen Messtechniken der beiden Träger Lebensdauer. TR-PL beobachtet die Zeitumstellung von Photolumineszenz verursacht durch Träger Rekombination während TR-FCA beobachtet das Mal ändern der Sonde Licht Absorption⁴. Frei Frachtführer Absorption tritt insbesondere auf, wenn Licht mit Energie kleiner als die Bandlücke während Träger Erregung³bestrahlt wird. Dennoch, im Vergleich zu diesen beiden, μ-PCD direkt beobachtet elektrischen Leitfähigkeit von Mikrowelle und verfügt über eine hohe Oberflächenrauhigkeit und Signalempfindlichkeit, so dass es die ideale Methode für Träger Lebensdauer Messung für Halbleiteranwendungen Gerät.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von Nagoya Institute of Technology, Japan unterstützt.

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

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Citer Cet Article

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).