Carrier Lifetime Measurements in Semiconductors through the Microwave Photoconductivity Decay Method

Takato Asada; Yoshihito Ichikawa; Masashi Kato

doi:10.3791/59007

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

قياسات عمر الناقل في أشباه الموصلات من خلال الأسلوب تسوس فوتوكوندوكتيفيتي الميكروويف

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

كواحدة من المعلمات المادية الهامة في أشباه الموصلات، يقاس عمر الناقل هنا عبر بروتوكول باستخدام الأسلوب تسوس فوتوكوندوكتيفيتي الموجات الدقيقة.

Abstract

ويعرض هذا العمل بروتوكول توظيف الانحلال فوتوكوندوكتيفيتي الميكروويف (μ-PCD) لقياس عمر الناقل في مواد أشباه الموصلات، لا سيما سيك. من حيث المبدأ، حاملات الزائدة في أشباه الموصلات التي تم إنشاؤها عن طريق الإثارة إعادة تجميع مع مرور الوقت، وبعد ذلك، العودة إلى حالة التوازن. ويعرف وقت ثابت لهذا جزئ عمر الناقل، معياراً هاما في مواد أشباه الموصلات والأجهزة التي تتطلب قياس noncontact وغير تدميري مثالي حققها μ-PCD. خلال تشعيع عينة، ينعكس جزء من الموجات الدقيقة بالعينة أشباه الموصلات. انعكاس الموجات يعتمد على الموصلية عينة، مما يعزى إلى الناقلين. ولذلك، يمكن ملاحظة الانحلال الوقت من الناقلين الزائدة عن طريق الكشف على كثافة الموجات المنعكسة، منحنى الاضمحلال التي يمكن تحليلها لتقدير عمر الناقل. وتؤكد النتائج مدى ملاءمة البروتوكول μ PCD في قياس عمر الناقل في مواد أشباه الموصلات والأجهزة.

Introduction

حاملات الزائدة في أشباه الموصلات متحمسون بصريا بحقن الفوتونات مع الطاقة أكبر من الفجوة بين العصابات التوصيل والتكافؤ. ثم، تختفي حاملات الزائدة متحمس، جزئ إلكترون – ثقب داخل ثابت وقت المعروف باسم عمر الناقل، التي تؤثر بشكل كبير أداء أجهزة أشباه الموصلات خلال العملية. كأحد المعايير الهامة لأجهزة أشباه الموصلات والمواد، عمر الناقل حساس جداً لوجود عيوب في هذه المواد، وكذلك يتطلب طريقة ملائمة للتقييم. وضع J. Warman وكونست م عابرة تقنية سموا الوقت حل الموصلية الموجات الصغرية (ترمك)، الذي ينطوي على امتصاص الموجات الدقيقة لمتابعة الديناميات الناقل المسؤول في أشباه الموصلات¹. اقترح باحثون آخرون الموصلية صور عابرة (TPC)، المعروف بالانحلال فوتوكوندوكتيفيتي الميكروويف (μ-PCD)، وهي تقنية التأهيل المادي المعتمد عادة في صناعات أشباه الموصلات بسبب الاتصال به و غير تدميري القياسات من عمر الناقل. على وجه الخصوص، كربيد السليكون (SiC)، ثلاث تقنيات رئيسية قابلة للتطبيق: μ-PCD، حل وقت فوتولومينيسسينسي (TR-رر)، ووقت حل الناقل مجاناً الاستيعاب (TR-قانون المنافسة المنصفة)²^،^،من³⁴^،⁵ ^،^،من⁶⁷. من بين هذه التقنيات، PCD μ هو العاملين على نطاق واسع نظراً لمقارنة اثنين آخرين كما أنه يسلك الحساسية خشونة السطح (أي قابلة للقياس لأي معين مختلف السطحية خشونة⁸^،⁹^،¹⁰) وإشارة عالية الحساسية للناقلين متحمس (باستخدام أي عنصر ميكروويف أمثل). وبصفة عامة، قد تم PCD μ المفضل لقياس مدى الحياة الناقل في SiC وغيرها أشباه الموصلات المواد²^،⁵^،^،من⁶¹¹^،¹²^،¹³ ^،^،من¹⁴¹⁵^،¹⁶^،¹⁷^،^،من¹⁸¹⁹.

هو تفاصيل البروتوكول القياس ومبدأ μ-PCD¹^،^،من²⁰²¹ هنا. من حيث المبدأ، فإنه يستخدم ميكروويف المنعكسة كتحقيق. هنا، الانعكاس الموجات الدقيقة من عينة البحث والتطوير(σ) أي ما يعادل النسبة بين كثافة الموجات المنعكسة ف(σ) والموجات الحادث كثافة ف_في معبراً عنه بالمعادلة 1:

(1)

باشعاع ليزر النبض، يتغير الموصلية عينة σ σ + Δσ؛ وبالمثل، يتحول R (σ) على البحث والتطوير(σ + Δσ). وبالتالي، ΔR تعطي بالمعادلة 2:

(2)

وفي تقريب اضطراب (Δ الصغيرةσ)، يتم وضع R(σ + Δσ) في سلسلة تايلور تسفر عن

(3)

وفي حين يصبح Δσ

، (4).

حيث q هو المسؤول عن المرحلة الابتدائية، μ_ف هو تنقل هول، μ_n هو حركية الإلكترون، و Δف هو تركيز الناقل الزائدة. من المعادلات السابقة،Δ Δ والتطوير ف المرتبطة بها

. (5)

يسمح اعتماد الانعكاس الموجات الدقيقة على تركيز الناقل الزائدة PCD μ لمراقبة الانحلال الوقت من الناقلين الزائدة، التي يمكن أن نستخدمها لتقدير عمر الناقل من مواد أشباه الموصلات.

Protocol

1-إعداد العينة إعداد ابيلايير ن نوع ح 4-سيك (جدول المواد). تغسل العينة مع الأسيتون وبالمياه، كل منهما لمدة 5 دقائق، ثم استخدام غسالة بالموجات فوق الصوتية. استخدام بندقية نيتروجين لإزالة الرطوبة على سطح العينة. 2-إعداد المحاليل تحضير 1 م كل من ح2حتى4، HCl، غ2هكذا4، هيدروكسيد الصوديوم، أو التردد في تركيز % wt 1. تحديد وإعداد محلول مائي قياسها. إعداد خلية كوارتز مع 5 مم (طول) × 20 مم (العرض) × 40 مم (الارتفاع) الأبعاد وثم صب المحلول إلى ذلك. وضع العينة المعدة في الخلية وتزج عليه ثم في محلول مائي.ملاحظة: مطلوب على الأقل 4 مل محلول مائي في الخلية الكوارتز للعينة لتكون مغمورة تماما. عند تغيير الحل، تنظيف علاج العينة بالموجات فوق الصوتية باستخدام الأسيتون والمياه النقية. 3-إعداد معدات قياس بدوره على إمدادات الطاقة من 266 نانومتر الليزر النبضي لإثارة مصدر الضوء. بعد ذلك، قم بتعيين وضع الليزر على أهبة الاستعداد. قم بتوصيل الليزر النبضي ومذبذب من خلال كابل حربه نيل-Concelman (BNC). بدوره على المذبذب وإدخال 100 هرتز نبض موجه بالليزر النبضي. الاتصال الضوئي للحصول على المشغل من خلال قناة إدخال الزناد للذبذبات مع كابل BNC. قم بتشغيل وحدة الإمداد بالطاقة الضوئي. تشعيع الليزر النبضي ومكان الفتحة من الدليل الموجي الميكروويف على المسار الضوئي لضوء الليزر في اتجاه طبيعي للضوء.تنبيه: في العملية الأخيرة، المجرب ينبغي ارتداء نظارات السلامة خلال إشعاع الليزر. تثبيت نصف مرآة على مسار بصري من الليزر النبضي، كما هو مبين في الشكل 1، ويعكس الليزر النبضي إلى الضوئي. بدوره على الذبذبات ثم قم بتعيين عتبة المشغل إلى جهد كافية لإشارة من الضوئي.ملاحظة: قيمة العتبة قد يكون تعيين أصغر من ذروة إشارة الزناد. عندما يدخل ضوء المنعكس شكل غير مقصود الضوئي، يعرض الذبذبات تردد يختلف إلى حد كبير عن تواتر الليزر النبضي. وفي هذه الحالة، كرر الخطوة 3، 6. فحص التردد المشغل مع الذبذبات وضبط المذبذب الضبط. وضع وضع الليزر في وضع الاستعداد. قم بتوصيل حاجز شوتكي الصمام ثنائي دليل موجي الموجات الدقيقة للكشف عن الموجات المنعكسة وقناة إشارة إدخال للذبذبات، عن طريق كابل BNC. تطبيق 9.5 الخامس يعمل بالتيار الكهربائي إلى صمام ثنائي غان. ضع الخلية الكوارتز (الخطوة 2.2) على الوقوف أمام فتحه أقرب وقت ممكن. فيكس مع الشريط. 4-قياس وحفظ البيانات قم بتشغيل بالتذبذب ضوء الليزر وتشعيع الضوء للعينة. ضع نصف-وافيبلاتي (λ/2)، والمستقطب، ومقياس طاقة على المسار البصرية (الشكل 1). تشعيع الليزر النبضي إلى مقياس الطاقة، كما هو مبين في الشكل 1. تحقق من شدة الإثارة الليزر. ضبط زاوية λ/2 لمراقبة شدة الإثارة.ملاحظة: λ/2 تغيير اتجاه الاستقطاب من ضوء الليزر، بينما ينقل المستقطب اتجاه الاستقطاب ضوء واحد فقط، من خلال الإثارة التي يتم التحكم بكثافة. فوتون حقن الكثافة إلى 8 × 1013 سم2 والليزر من 266 نانومتر، كثافة الناقل الإثارة في ح 4-التصنيف الصناعي الموحد هو 4.5 × 1017 سم−3. إزالة مقياس الطاقة من المسار البصري. ضبط الوقت/div والخامس/div للذبذبات وبذلك يتم عرض إشارة الذروة في الذبذبات. ضبط السعة ومرحلة الموجات الدقيقة عن طريق موالف ه – ح. فحص الذبذبات وابحث عن موالف ه – ح أين إشارة الذروة في الحد الأقصى. فشل تعديل نتائج موالف ه-ح في فقدان إشارة، كما هو مبين في الشكل 2.ملاحظة: يتم استخدام مكبر للصوت لتقوية إشارة الانحلال في حالة إشارة كبيرة غير كاف بالنسبة للضوضاء الخلفية أو عندما لا يلاحظ حتى بعد ضبط موالف ه – ح. ويوضع مكبر للصوت بين صمام ثنائي حاجز شوتكي والقناة إشارة الإدخال للذبذبات مع كابل BNC، كما هو مبين في الشكل 1. كرر الخطوتين 4.6 و 4.7 لإتمام ضبط. ضبط الوقت/div للذبذبات ورسم منحنى اضمحلال في مجال القياس على الذبذبات. متوسط الإشارة لعدد مرات إجبارية تحسين نسبة الإشارة إلى الضجيج. حفظ بيانات القياس كملف إلكتروني لذاكرة وقم بإزالته من الذبذبات. 5-معالجة البيانات استيراد بيانات إشارة إلى جهاز كمبيوتر شخصي. رسم منحنيات الانحلال التي تم الحصول عليها من التجربة كدالة للزمن. حساب قيمة المتوسط لمستوى الضوضاء الخلفية وطرح عليه من إشارة الانحلال، ومؤامرة عليه كدالة للزمن. البحث عن قيمة الذروة من اضمحلال الإشارة التي تم الحصول عليها في الخطوة 5، 3 وثم تقسيم الإشارة الاضمحلال في قيمة الذروة.

Representative Results

ويبين الشكل 1 رسم تخطيطي لجهاز μ-PCD، تتألف من تردد الموجات الدقيقة 10 جيجا هرتز والفرقة X waveguide، ودليل موجي مستطيلة. ركزت بالدليل الموجي ريدج مزدوجة الميكروويف والمشع في العينة. صمام ثنائي غن إنتاج الطاقة كان 50 ميغاواط والضوضاء المرحلة كانت-على ما يقرب من 80 dBc/هرتز. ويبين الشكل 3 منحنى الاضمحلال μ-PCD عينة 100 ميكرومتر-سميكة ن نوع ح 4-سيك متحمس في سي-الوجه من 266 نانومتر في الهواء؛ Μ-PCD إشارة (V) تحجيم لها وكان المتغير التابع والوقت (ميكروثانية) المتغير المستقل. وكانت ذروة الجهد إشارة تقريبا 0.046 الخامس قبل التضخيم. وعلاوة على ذلك، كان الجهد الملحوظ للعنصر التيار المباشر (DC) الميكروويف المنعكسة التي تم الحصول عليها من وضع DC الذبذبات وسام فولت عدة. جزئ الناقلين الزائدة مع تقدم مع مرور الوقت، انخفض الانعكاس الموصلية والموجات الدقيقة العينة. ويبين الشكل 4 منحنى الاضمحلال PCD μ مسواة الرقم 3. تطبيع يتيح المقارنة بين الثوابت الزمنية مع كثافات مختلفة الذروة. عادة، يتم تقدير عمر الناقل استناداً إلى منحنى الاضمحلال مع المعلمة1/e τعمر 1/e، التي تشير إلى ذلك الوقت ينفق للحصول على انخفاض كثافة إشارة من الذروة إلى 1/e (~ 0.368). ملاحظة أن تسوس μ-PCD لا واحد أسي وتأثر τ1/ه السائبة وممارسو السطحية. ومع ذلك، مقارنة وقت ثابت لعينات مختلفة السمك أو شرط السطحية استلزم معلمة مرجع. وكان الاستخدام من τ1/ه مريحة نظراً لنسبة الإشارة إلى الضوضاء جيدة في الجزء الأول من المنحنى تسوس والبساطة من تحليل البيانات. تميز إشارة μ-PCD، حياة نصف الوقت، و أنا40/أناكحد أقصى، وثابت كد كما اعتمدت هذه المعلمات22،،من2324. في الواقع، اعتمد τ1/e في المعيار شبه: 1535 وسط شبه8 كمعيار لقياس مدى الحياة الناقل للدولية الاشتراكية. وكان τ1/e لمنحنى الاضمحلال في الشكل 4، حوالي 0.34 ميكروثانية. في الشكل 5، الخلية، والكوارتز يحتوي على محلول مائي ومع العينة على الجدار، وضعت على الوقوف أمام الفتحة11. كل كثافة المشع الموجات الدقيقة والموجات المنعكسة من العينة، فضلا عن أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء μ-PCD، كانت تعتمد على المسافة بين العينة والفتحة، التي، من الناحية المثالية، ينبغي أن تكون قريبة قدر الإمكان. في القياس الفعلي، المسافة التي تم الحصول عليها بقدر الإمكان؛ القياس باستخدام الخلية الكوارتز أسفرت عن مسافة 0.5 ملم، والذي كان من نفس سمك الزجاج خلية الكوارتز. ويبين الشكل 6 μ-PCD تسوس منحنيات ن نوع ح 4-السيك في الهواء وفي المحاليل. إثارة خفيفة من 266 نانومتر كان المشع إلى سي-وجه ح 4-السيك. المحاليل المستخدمة كانت التركيزات، كما ذكر سابقا، على النحو التالي: 1 م من ح2غ4، HCl، هكذا2هيدروكسيد الصوديوم، هكذا4، أو 1% بالوزن من التردد. وقت ثابت للمنحنيات الانحلال كان أطول مع العينة منغمسين في المحاليل الحمضية (أي، ح2HCl، هكذا4أو التردد)، مما يعني أن الحلول الحمضية تخميل الدول السطحية على سي-الوجه وتخفيض جزئ السطحية من الناقلين الزائدة. يبين الشكل 7 الاعتماد على درجة الحموضة من τ1/ﻫ من العينة ن نوع ح 4-سيك متحمس في سي-الوجه في 266 نانومتر ضوء. تم حساب الرقم الهيدروجيني من تركيزات المولى ح2حتى4و HCl وهيدروكسيد الصوديوم. وأشار هذا الرقم إلى اعتماد عمر الناقل على درجة الحموضة المحاليل؛ ولذلك، سيكون انخفاض الرقم الهيدروجيني المزيد من تأثيرات على حياة الحامل. تم حساب سرعة جزئ سطح S استنساخ τ1/e المستخدمة للعينات. قد أبلغ نموذج تسوس الناقلين الزائدة في الحكام. 2 و 3. للحصول على تركيز الناقل الزائدة دn(x, t)، تم حل معادلة الاستمرارية التالية. وهنا عرف دn(x, t) كدالة للزمن t والعمق x في طبقة أشباه الموصلات؛ وهكذا، ، (6). حيث τب عمر الأكبر بسبب اقترانها شوكلي – القراءة – قاعة (الصحة الجنسية والإنجابية)، د هو معامل نشر أمبيبولار، و ب هو معامل جزئ الإشعاع، و ج جزئ مثقب معامل. في الأسطح متحمس وغيرها، قدمت 7 معادلة شروط الحدود: و (7) حيث S0 و قث تدل سرعة جزئ السطحية متحمس والأسطح الأخرى، على التوالي، وث هو سمك طبقة. وعلاوة على ذلك، التشكيل الجانبي تركيز الناقل الفائض الأولى باستخدام الإضاءة الخفيفة نبض يمكن التعبير عنها باستخدام المعادلة 8: (8) أين ز0 تركيز الناقل في x = 0 وهو معامل امتصاص. حل المعادلة 6 باستخدام شروط الحدود 7 المعادلة والشرط الأولى من منحنيات المعادلة 8 قدم الانحلال الناقل الزائدة. في هذه العملية، وقدرت S بمقارنة τ1/ه التي تم الحصول عليها من التجارب ومن منحنيات تسوس المحسوبة. تصغير المربعات المناسب أخطاء بين التجريبية τ1/ه في جميع الظروف و محسوب τ1/ه مع معلمات S0، قث، و τب. كما هو مبين في المعادلة 6 جزئ الناقل هو ملخص لمختلف عناصر الانحلال، إلا وهي السطحية والصحة الجنسية والإنجابية، الإشعاعي، ويبشر ريكومبينيشنز، الاثنين الماضي وجود كثافة الناقل ارتفاع ملحوظ. من ناحية أخرى، يعتمد ممارسو الصحة الجنسية والإنجابية على نقطة العيوب والاضطرابات في الجزء الأكبر المواد أشباه الموصلات التي تشكل مستويات الطاقة في فجوة الفرقة أشباه الموصلات. مستويات الطاقة بمثابة انطلاق للناقل الانتقال بين العصابات التكافؤ والتوصيل. m-PCD أيضا يظهر غير خطية في حالة حقن عالية، ويغالي الناقل عمر13،،من2526. الشكل 8 يظهر m-PCD المقاسة تحت شرط إثارة عالية. نلاحظ أن منحنى الاضمحلال كثافة فوتون حقن من 1015 سم2 أصبحت تدريجيا أكثر مقارنة بكثافة فوتون من 1014 سم2، نظراً للموجات الدقيقة غير خطية. وعلاوة على ذلك، تم الحصول على أمثلة القياس هو موضح في الشكل 3، الرقم 4، و الرقم 6 بكثافة فوتون حقن من 8 × 1013 سم2 الناتجة في الميكروويف لا تذكر غير خطية، ومثقب والإشعاعي ريكومبيناتيونس ولكن الصحة الجنسية والإنجابية المهيمنة وريكومبيناتيونس السطحية. الرقم 6 التي يمكن اتخاذها لتجسد تسوس منحنى العمليات الحسابية ن نوع ح 4-سيك سي-وجه متحمس من 266 نانومتر الضوء، بالإشارة إلى خطوط متقطعة، حيث τب = 3 ميكروثانية و ق ل قالوجه SiSi = 200 سم/s أو 700 سم/ثانية . لكل من الإعداداتSi S، قياس منحنى الاضمحلال التجريبية في الأس الهيدروجيني المحايدة (الجوية، م 1 غ2حتى4) وفي حالة حمضية (م 1 ح2هكذا4)، على التوالي، كانت بئر مستنسخة، مما يعني أن S Si ل signiﬁcantly ن نوع ح 4-سيك خفضت من 700 سم/ثانية إلى 200 سم/s في المحاليل الحمضية كالهيدروجين تخميل الدول السطحية على سي-الوجه. رقم 1: رسم تخطيطي للجهاز μ PCD. ينعكس جزء من ضوء الليزر نصف انعكاس مرآة. الكشف عن الليزر المنعكس بواسطة الضوئي، وإشارة قادمة من الضوئي يستخدم كنقطة انطلاق للذبذبات. يتم إنشاء ميكروويف من صمام غان في اتجاه بنت قبل مدوار؛ ثم يمر عبر الفتحة ميكروويف ويضيء العينة. الموجات المنعكسة من العينة يعود إلى الفتحة وإلى مدوار، حيث يتم الكشف عن طريق صمام ثنائي حاجز شوتكي. وأخيراً، يلاحظ الإشارات القادمة من صمام ثنائي حاجز شوتكي بالذبذبات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- رقم 2: Μ-PCD إشارة لضبط الفاشلة من موالف ه-ح. ويلاحظ لا ذروة قابلة للقياس لضبط الفاشلة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 3: منحنى الاضمحلال μ PCD للعينة ن نوع ح 4-سيك مع الإثارة في سي-الوجه من 266 نانومتر في الجو. هو المشع الليزر النبضي في الوقت = 0 s الذي شدة الإشارات كحد أقصى. لقد تم تعديل هذا الرقم من اشيكاوا et al.11 مع الأذونات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 4: منحنى الاضمحلال PCD μ تطبيع للعينة ن نوع ح 4-سيك مع الإثارة في سي-الوجه من 266 نانومتر في الهواء- الحد الأقصى لقيمة منحنى الاضمحلال في الشكل 2 هو تطبيع للوحدة. قيمة خط متقطع 1/e، وهو τ1/e ميكروثانية 0.34 تقريبا كما صورت. لقد تم تعديل هذا الرقم من اشيكاوا et al.11 مع الأذونات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- رقم 5: صورة القياس μ-PCD في محلول مائي في خلية كوارتز. يتم وضع الخلية مرو على الوقوف أمام فتحه لتسمح بقياس منحنى الاضمحلال μ PCD في محلول مائي. بعد خلية هو 5 ملم × 20 ملم × 40 ملم (الطول x العرض x الارتفاع). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 6: تطبيع وتحسب μ-PCD تسوس المنحنيات للعينة ن نوع ح 4-سيك مع الإثارة في سي-الوجه من 266 نانومتر، في الهواء والمحاليل. تمثل الخطوط الصلبة μ-PCD المنحنيات التجريبية نتيجة للمحاليل من ح2س، ح2حتى4، HCL، غ2هكذا4، هيدروكسيد الصوديوم، أو التردد. خطوط متقطعة منحنيات المحسوبة مع عمر الناقل الأكبر في ابيلاييرس، τب = 3 ميكروثانية، وسرعة جزئ السطحية للوجه، سي- SSi = 200 سم/s أو 700 سم/ثانية. لقد تم تعديل هذا الرقم من اشيكاوا et al.11 مع الأذونات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 7: الاعتماد على درجة الحموضة من τ1/e ل ن نوع ح 4-السيك عينة مع الإثارة في سي-الوجه من 266 نانومتر. ويزيد عمر الناقل كالرقم الهيدروجيني للمحلول الانخفاضات. هذه النتيجة تشير إلى أن الرقم الهيدروجيني أقل سيكون المزيد من تأثيرات على حياة الحامل. لقد تم تعديل هذا الرقم من اشيكاوا et al.11 مع الأذونات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 8: μ-PCD تسوس منحنى ن نوع ح 4-سيك مع إثارة كثافة فوتون حقن من 1014 أو15 10 سم2 على سي-الوجه من 266 نانومتر. القياس مع الإثارة العالية في كثافة فوتون من 1015 سم2 يجعل منحنى اضمحلال تدريجي أكثر من ذلك مع انخفاض كثافة فوتون سبب غير خطية انعكاس الموجات الدقيقة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

الخطوة 4.7 في البروتوكول μ-PCD، هي أهم نقطة. وقد أدرجت موالف ه – ح مع دائرة كهربائية قصيرة منقولة في طائرات ه وح، على التوالي. وهكذا، نقل دائرة كهربائية قصيرة موالف ه أو موالف ح تغيير السعة والطور الميكروويف المنعكسة ويعظم مطال إشارة. ضبط له تأثير كبير على الموجي منحنى الاضمحلال ويجب إجراء صارما. في حالة قوة إشارة ضعيفة حيث ضبط قد يكون صعباً، ويمكن استخدام بضع عشرات من ضبط المتوسطات. لفشل ضبط، المنحنيات تسوس μ-PCD ليست قابلة للملاحظة؛ ويلاحظ فقط إشارة الضوضاء من الذبذبات. ويبين الشكل 2 الموجي الذبذبات في مثل هذه حالة.

فمن السهل لقياس عينات عالية مقاوم كما لا يوجد أي حد موصلية أقل. عندما ينخفض مستوى المقاومة عينة أو عندما تكون العينة سميكة، الجلد أثر الموجات الدقيقة ليست ضئيلة. المسافة حتى تصبح شدة المجال الكهربائي الميكروويف مرات 1/ه يشار إلى عمق الجلد ، الذي يعبر عن 9 المعادلة:

(9)

حيث ω هو التردد الزاوي للموجات الدقيقة، واليورو و ρ μ تمثل ثابت العينة، والمقاومة والنفاذيه، على التوالي. وفي حالة الرابطة وكذا تقريب القيم δ للموجات الدقيقة 10 جيجا هرتز من عيار 9 ملم في Ω∙cm 50، 2 مم في 10 Ω∙cm و 500 ميكرومتر في 1 Ω∙cm ميكرومتر 150 في 0.1 Ω∙cm. ولذلك، سوف تفقد قياسات للعينات مع سمك نموذجي (عدة مئات ميكرون) في Ω∙cm أقل من 0.1 δ الدقة. من ناحية أخرى، تعمل بالموجات الدقيقة والإشعاع الضوئي الحادث من عكس يفر في هذا البروتوكول. تأثير الجلد لا يعتد بها تشير إلى أفضل الموجات المتناهية القصر والإشعاع الضوئي من نفس الجانب.

تعتمد الحدود الدنيا على المقاومة وسمك العينة الناتجة عن تفاعلها مع الموجات الدقيقة. لعينات مقاوم عاليا، والحدود الدنيا النموذجية للناقلين الزائدة يقارب 10¹² سم⁻³. من ناحية أخرى، نثر إلكترون – ثقب يجب النظر في ناقلات الزائدة أكبر من 10¹⁶ سم⁻³، كما نوقش في الرقم 13.

منحنيات تسوس μ-PCD أصبح لطيف في كثافة عالية من الإثارة بسبب أونبروبورتيوناليتي انعكاس الموجات الدقيقة لتركيز الناقل الزائدة أن المعادلة (3) سوف تفقد صحة¹³^،^،من²⁵²⁶ وأن المغالاة في تقدير τ_1/e . يبين الشكل 8 المنحنى μ-PCD تسوس مادة كيميائية الميكانيكية لتلميع المعالجة السطحية ن نوع ح 4-سيك مع الإثارة في سي-الوجه من 266 نانومتر تحت كثافة عالية من الإثارة.

وعلاوة على ذلك، القرار الوقت يعتمد على أداء أجهزة القياس كمصدر لإثارة والذبذبات ومكبر للصوت. على سبيل المثال، في هذه الدراسة، الجهاز يتألف من الليزر النبضي مع عرض النبض 1 ns كمصدر الإثارة والذبذبات بعد التردد 500 ميغاهرتز. ونتيجة لذلك، يقدر عمر قابلة للقياس الحد الأدنى 2 ns.

وكما ذكر آنفا، μ PCD مفيدة جداً لتحديد خصائص أشباه الموصلات مثل سي. ومع ذلك، تطبيقه يمكن تمديدها إلى مواد أخرى، وعلى سبيل المثال، في المواد فوتواكتيفي بما في ذلك TiO₂²⁷^،²⁸^،^،من²⁹³⁰.

وعلاوة على ذلك، وبصرف النظر عن μ-PCD، TR-رر² وار-قانون المنافسة المنصفة في الأقسام السابقة هي الأخرى الناقل اثنين عمر قياس التقنيات. TR-PL تلاحظ تغير الزمن فوتولومينيسسينسي الناجمة عن جزئ الناقل بينما TR-قانون المنافسة المنصفة وتلاحظ الوقت تغيير من مسبار الضوء على امتصاص⁴. على وجه التحديد، يحدث امتصاص الناقل مجاناً عند الخفيفة مع الطاقة أقل مما هو المشع الفجوة الفرقة خلال الإثارة الناقل³. ومع ذلك، بالمقارنة مع هذين البلدين، μ PCD مباشرة يلاحظ الموصلية الكهربائية التي تعمل بالموجات الدقيقة وخشونة السطح عالية وحساسية الإشارات، مما يجعل من الأسلوب أكثر مثالية لقياس مدى الحياة حاملة لأشباه الموصلات تطبيقات الجهاز.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل “معهد ناغويا للتكنولوجيا”، اليابان.

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

References

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This 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).

Automatically Generated