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

Vervoerder levensduur metingen in halfgeleiders via de magnetron Photoconductivity verval 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 een van de belangrijke fysieke parameters in halfgeleiders, is vervoerder levensduur hierin gemeten via een protocol met de magnetron photoconductivity verval methode.

Abstract

Dit werk presenteert een protocol met de magnetron photoconductivity verval (μ-PCD) voor meting van de levensduur van de vervoerder in halfgeleidermaterialen, met name SiC. In principe, overtollige dragers in de halfgeleider gegenereerd via excitatie recombineren met tijd en vervolgens terug te keren naar de staat van evenwicht. De tijdconstante van deze recombinatie staat bekend als de levensduur van de vervoerder, een belangrijke parameter in halfgeleidermaterialen en apparaten waarvoor een noncontact en niet-destructieve meting ideaal verhittingseffect heeft als de μ-PCD. Tijdens de bestraling van een monster, wordt een deel van de magnetron weerspiegeld door het monster halfgeleider. Magnetron reflectie hangt af van de geleidbaarheid van de steekproef, die wordt toegeschreven aan de vervoerders. Daarom kan de tijd verval van overtollige vervoerders worden waargenomen door detectie van de intensiteit van de teruggekaatste magnetron, waarvan verval kromme kan worden geanalyseerd voor schatting van de levensduur van de vervoerder. Resultaten bevestigen de geschiktheid van de μ-PCD-protocol bij de waardering van de levensduur van de vervoerder in halfgeleidermaterialen en apparaten.

Introduction

Overtollige vervoerders in halfgeleiders zijn optisch opgewonden door de injectie van fotonen met een energie groter dan de kloof tussen de geleiding en valence bands. Opgewonden overtollige vervoerders, dan verdwijnen door een elektron-gat recombinatie binnen een tijdconstante bekend als de levensduur van de vervoerder, die sterk van invloed op de prestaties van halfgeleidermateriaal tijdens operatie. Als een van de belangrijke parameters voor halfgeleiderelementen en materialen, de levensduur van de drager is zeer gevoelig voor de aanwezigheid van gebreken in deze materialen, en verder vereist een handige methode van evaluatie. J. Warman en M. Kunst ontwikkeld een voorbijgaande techniek ze noemden de tijd opgelost magnetron geleidbaarheid (TRMC), waarbij de magnetron absorptie te volgen gratis vervoerder dynamiek in halfgeleiders¹. Andere onderzoekers voorgesteld de voorbijgaande foto geleidbaarheid (TPC), ook wel bekend als de magnetron photoconductivity verval (μ-PCD), die de techniek algemeen aangenomen materiële kwalificatie in halfgeleider industrie als gevolg van de noncontact en niet-destructieve metingen van de levensduur van de vervoerder. In het bijzonder voor siliciumcarbide (SiC), drie belangrijke technieken zijn van toepassing: µ-PCD, tijd opgelost fotoluminescentie (TR-PL), en tijd opgelost “franco vervoerder” absorptie (TR-FCA)²^,³^,⁴^,⁵ ^,⁶^,⁷. Onder deze technieken is µ-PCD de wijdst werknemer omdat in vergelijking met de andere twee, zoals het vertoont oppervlakteruwheid ongevoeligheid (dat wil zeggen, meetbare voor om het even welk gegeven verschillende oppervlakte ruwheid⁸^,⁹^,¹⁰) en hoog signaal gevoeligheid voor opgewonden dragers (dat wil zeggen, met behulp van een optimale magnetron-component). In het algemeen, heeft µ-PCD zijn voorkeur voor meting van de levensduur van de vervoerder in SiC en andere halfgeleider materialen²^,⁵^,⁶^,¹¹^,met¹²^,¹³ ^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹.

Het protocol van de meting en het beginsel van μ-PCD¹^,²⁰^,²¹ is gedetailleerd hier. In principe wordt gereflecteerd magnetron gebruikt als een sonde. Hier, is de magnetron reflectiecoëfficiënt van een monster R(σ) gelijk aan de verhouding tussen de intensiteit van de teruggekaatste magnetron P(σ) en het incident magnetron intensiteit P_in uitgedrukt door de vergelijking 1:

(1)

Door bestraling van een pulse laser, de geleiding van een monster σ verandert in σ + Δσ; Evenzo, R (σ) transformeert R(σ + Δσ). Dus, ΔR wordt gegeven door vergelijking 2:

(2)

In een aanpassing van de verstoring (kleine Δσ), is R(σ + Δσ) ontwikkeld in Taylorreeks opleveren

(3)

terwijl Δσ wordt

, (4).

waar q is de elementaire lading, μ_p is de mobiliteit van de hole, μ_n is de mobiliteit van de elektron en Δp is de concentratie van overtollige vervoerder. Uit de voorgaande vergelijkingen,ΔR en Δp zijn gerelateerd door

. (5)

De afhankelijkheid van magnetron reflectie op overtollige vervoerder concentratie kunt μ-PCD te observeren de tijd verval van overtollige vervoerders, die we gebruiken kunnen om de schatten van de levensduur van de vervoerder van halfgeleidermateriaal.

Protocol

1. bereiding van het monster Een epilayer van n-type 4H-SiC (Tabel of Materials) voor te bereiden. Wassen van het monster met aceton en daarna met water, elk voor 5 min, met behulp van een Ultrasone wasmachine. Gebruik van een stikstof-pistool om vocht op het oppervlak van het monster te verwijderen. 2. voorbereiding van waterige oplossingen Bereiden van 1 M elk van H2dus4, HCl, Na2SO4, NaOH of HF 1 wt % concentratie. Selecteren en voorbereiden van een waterige oplossing te meten. Bereiden van een kwarts-cel met 5 mm (lengte) x 20 mm (breedte) x 40 mm (hoogte) afmetingen en vervolgens giet de waterige oplossing erin. Zet de voorbereide monster in de cel en vervolgens het onderdompelen in de waterige oplossing.Opmerking: ten minste 4 mL van de waterige oplossing in de cel kwarts is vereist voor het monster, tot het volledig worden ondergedompeld. Bij het wijzigen van de oplossing, reiniging traktatie het monster met ultrasone met behulp van aceton en zuiver water. 3. voorbereiding van de meetapparatuur Schakel de voeding van de gepulste laser van 266-nm te prikkelen van de lichtbron. Daarna, de laser-modus instellen op stand-by. Sluit de gepulste laser en een oscillator via een bajonet Neill-Concelman (BNC) kabel. Inschakelen van de oscillator en input van een 100 Hz pols golf aan de gepulste laser. Een fotodiode voor trigger verwerving via een trigger input kanaal van de oscilloscoop met een BNC-kabel aansluiten. Schakel de voeding van de fotodiode. De gepulste laser bestralen en plaats van de opening van de magnetron waveguide op de optische weglengte van het laserlicht op richting normale aan het licht.Let op: In het laatste proces, moet de experimentator veiligheidsbril dragen tijdens laser-bestraling. Installeer een half-mirror op de optische weglengte van de gepulste laser, zoals afgebeeld in Figuur 1en weerspiegelen de gepulste laser de fotodiode. Inschakelen van de oscilloscoop en stel vervolgens de trigger-drempel met een voldoende zijn om het signaal van de fotodiode spanning.Opmerking: De drempelwaarde mogelijk kleiner is dan de piek van het signaal van de trigger ingesteld. Als een onbedoelde gereflecteerde licht de fotodiode binnenkomt, toont de oscilloscoop een frequentie die sterk van de gepulste laser-frequentie verschilt. In dit geval, herhaal stap 3.6. Controleer de frequentie van de trigger met een oscilloscoop en precies afstemmen van de oscillator. De laser-modus stand-by zetten. Sluit een Schottky barrière diode in een magnetron waveguide voor gereflecteerde magnetron detectie en een signaal invoerkanaal van de oscilloscoop, via een BNC-kabel. Toepassing van een 9.5 V bedrijfsspanning aan een Gunn-diode. Plaats de kwarts cel (stap 2.2) op de stand voor het diafragma zo dicht mogelijk. Bevestigen met tape. 4. meten en opslaan van gegevens Zet de laser licht trilling en bestralen van het licht aan het monster. Plaats een half-waveplate (λ/2), een polarisator en een energiemeter op de optische weglengte (Figuur 1). Bestralen de gepulste laser de Energiemeter, zoals afgebeeld in Figuur 1. Controleer de excitatie-intensiteit van de laser. Pas de hoek λ/2 voor controle van de excitatie-intensiteit.Opmerking: λ/2 verandert de richting van de polarisatie van de laserlicht, terwijl de polarisator slechts in één richting licht polarisatie verzendt, via welke excitatie-intensiteit wordt gecontroleerd. Ingespoten foton dichtheden worden ingesteld tot 8 x 1013 cm−2 en voor de 266-nm laser, de dichtheid van de vervoerder excitatie in 4 H-SiC is 4.5 x 1017 cm−3. Verwijder de Energiemeter uit de optische weglengte. Stel de time/div en V/div van de oscilloscoop zodat het peak-signaal wordt weergegeven op de oscilloscoop. De amplitude en fase van de magnetron via een E-H-tuner aanpassen. Controleer de oscilloscoop en zoekt de E – H tuner waar het piek-signaal is maximaal. Aanpassing van de E-H tuner resultaten in signaalverlies, zoals afgebeeld in Figuur 2gefaald.Opmerking: Een versterker wordt gebruikt ter versterking van het signaal van de verval in geval van onvoldoende groot signaal ten opzichte van de achtergrondruis of wanneer het niet in acht is genomen zelfs na het aanpassen van de E-H-tuner. De versterker is geplaatst tussen de Schottky barrière diode en het signaal invoerkanaal van oscilloscoop met een BNC-kabel, zoals geïllustreerd in Figuur 1. Herhaal stap 4.6 en 4.7 te voltooien de tuning. Stel de time/div van de oscilloscoop en schets een verval kromme op het gebied van de meting op de oscilloscoop. Gemiddelde het signaal voor een willekeurig aantal keer naar het verbeteren van de signaal-ruisverhouding. De meetgegevens als elektronisch bestand aan een geheugen opslaan en verwijder het uit de oscilloscoop. 5. de verwerking van de gegevens De signaal-gegevens importeren in een personal computer. Plot verval curven verkregen uit het experiment als functie van de tijd. Berekenen van de gemiddelde waarde van achtergrond geluidsniveau, het aftrekken van de verval-signaal en het plot als een functie van de tijd. Vindt u de piekwaarde van het signaal van de verval in stap 5.3 verkregen en vervolgens het verval signaal wordt gedeeld door de piekwaarde.

Representative Results

Figuur 1 toont een schematisch diagram van de μ-PCD apparaat bestaande uit een 10 GHz magnetron frequentie, X waveguide band en een rechthoekige waveguide. De magnetron was gericht door de dubbele ridge waveguide en bestraald op monster. Het Gunn diode vermogen was 50 mW en het lawaai van de fase was bijna-80 dBc/Hz. Figuur 3 toont de μ-PCD verval curve van een steekproef van 100 μm-dikke n-type 4 H-SiC enthousiast op het Si-gezicht door 266 nm in de lucht; Μ-PCD signaal (V) logaritmisch geschaald was de afhankelijke variabele en keer (µs) was de onafhankelijke variabele. De piek van het signaal spanning was ongeveer 0.046 V voorafgaand aan versterking. Bovendien, de waargenomen spanning van de gelijkstroom (DC)-component van de teruggekaatste magnetron verkregen van de oscilloscoop DC-werking was van de orde van verschillende volt. Aangezien recombinatie van overtollige vervoerders met tijd vorderde, daalde de geleidbaarheid en magnetron reflectiecoëfficiënt van het monster. Figuur 4 toont de genormaliseerde μ-PCD verval curve van Figuur 3. Normalisatie maakt vergelijking van de constanten van de tijd met verschillende piek intensiteiten. Typisch, vervoerder levensduur schatting gebaseerd op de verval-curve wordt uitgevoerd met de 1/e levensduur τ1/e parameter, die aangeeft dat die tijd besteed om te verkrijgen signaal intensiteit dalingen van de piek tot en met 1/e (~ 0.368). Merk op dat de µ-PCD verval niet een honkslag exponentiële was en τ1/e werd beïnvloed door zowel bulk als oppervlakte recombinatie. Echter noodzaakten de tijdconstante van monsters met verschillende dikte of oppervlak vergelijken een referentie-parameter. Gebruik van τ1/e was handig gezien het goede signaal-/ ruisverhouding bij het eerste deel van de curve van het verval en de eenvoud van de data-analyse. Te karakteriseren de µ-PCD signaal, halftijds leven, ik40/ikmax, en kD constante ook dergelijke parameters22,23,24aangenomen. In feite, τ1/e in de SEMI-standaard goedgekeurd: SEMI MF 15358 als de standaard voor vervoerder levensduur meting van Si. Voor de kromme van het verval in Figuur 4was τ1/e ongeveer 0,34 µs. In Figuur 5, de quartz-cel, de waterige oplossing met en met het monster op de muur, werd geplaatst op de stand voor de diafragma11. Elke intensiteit van de bestraalde magnetron en de teruggekaatste magnetron van het monster, evenals de μ-PCD signal-to-noise verhouding, afhankelijk van de afstand tussen het monster en het diafragma, die idealiter zo dicht mogelijk moet waren. In de werkelijke meting was de afstand verkregen zo dicht mogelijk te zijn; meting met behulp van de quartz-cel leverde een afstand van 0,5 mm, die van hetzelfde als de dikte van het glas van de cel kwarts was. Figuur 6 toont μ-PCD verval curven van de n-type 4 H-SiC in de lucht en in waterige oplossingen. Een lichte excitatie van 266 nm aan het Si-gezicht van de 4H-SiC bestraald werd. Waterige oplossingen gebruikt had concentraties, zoals voorheen, als volgt: 1 M H2SO4, HCl, Na2SO4, of NaOH, of 1 wt % voor HF. De tijdconstante van de curven verval was langer met het monster ondergedompeld in de zure waterige oplossingen (bijvoorbeeld H2SO4, HCl of HF), hetgeen impliceert dat zure oplossingen gepassiveerd oppervlakte Staten op de Si-gezicht en oppervlakte recombinatie van verminderde de overtollige dragers. Afbeelding 7 toont de afhankelijkheid van de pH van τ1/e van het monster n-type 4 H-SiC enthousiast op het Si-gezicht op 266 nm van licht. De pH-waarde werd berekend op basis van de molaire concentratie van H2dus4, HCl en NaOH. Dit cijfer aangegeven de vervoerder levensduur afhankelijkheid van de pH waterige oplossingen; Daarom, lagere pH zou meer gevolgen hebben voor de levensduur van de vervoerder. Oppervlakte recombinatie snelheid S werd berekend te reproduceren de τ1/e gebruikt voor de monsters. Het verval model van overtollige vervoerders is gemeld in de refs. 2 en 3. Voor het verkrijgen van de concentratie van de overtollige vervoerder Dn(x, t), werd de volgende continuïteitsvergelijking opgelost. Hier, werd Dn(x, t) gedefinieerd als een functie van de tijd t en diepte x in een laag van halfgeleider; Dus, , (6). waar τB is bulk levensduur als gevolg van de recombinatie Shockley-lezen-Hall (SRH), Deen is de verspreiding van de ambipolar-coëfficiënt B is de straling recombinatie coëfficiënt en C is het Auger recombinatie coëfficiënt. Op de opgewonden en andere oppervlakken, werden randvoorwaarden gegeven door vergelijking 7: en (7) waar S0 en SW duiden de oppervlakte recombinatie-snelheid van de opgewonden en andere oppervlakken, respectievelijk, en W is de laagdikte. Bovendien kan de eerste overtollige vervoerder concentratie profiel met lichte puls verlichting worden uitgedrukt met behulp van vergelijking 8: (8) waar g0 is vervoerder concentratie bij x = 0 en een is de d’absorption acoustique. Vergelijking 6 op te lossen door gebruik te maken van de randvoorwaarden voor vergelijking 7 en de eerste voorwaarde voor vergelijking 8 verstrekt het overtollige vervoerder verval curves. In het proces, S werd geschat door het vergelijken van de τ1/e verkregen uit de experimenten, en van de berekende verval-curven. Kleinste-kwadratenmethode passend geminimaliseerd fouten tussen de experimentele τ1/e in de alle voorwaarden en de berekende τ1/e met parameters S0, Sw, en τB. Zoals afgebeeld in vergelijking 6 vervoerder recombinatie is de sommatie van de verschillende onderdelen van de verval, namelijk oppervlak, SRH, radiatieve, en Auger recombinaties, de laatste twee met opmerkelijke hoge vervoerder dichtheid. Aan de andere kant hangt ZBG recombinatie punt gebreken en dislocaties in de bulk van het halfgeleidermateriaal die vormen van energie niveaus in de halfgeleider band gap. De energieniveaus fungeren als stapstenen voor vervoerder overgang tussen de valence en geleiding bands. m-PCD ook niet-lineariteit toont op een hoge injectie voorwaarde, en overschat vervoerder levensduur13,25,26. Figuur 8 toont de gemeten m-PCD onder een hoge excitatie-voorwaarde. Merk op dat de verval-curve voor een ingespoten foton dichtheid van 1015 cm−2 geleidelijker werd vergeleken met dat voor foton dichtheid van 1014 cm−2, als gevolg van de magnetron niet-lineariteit. Bovendien, de meting een voorbeeld in Figuur 3, figuur 4 en Figuur 6 werden verkregen voor een ingespoten foton dichtheid van 8 x 1013 cm−2 resulterend in te verwaarlozen magnetron niet-lineariteit en Auger en radiatieve recombinaties maar dominante ZBG en oppervlakte recombinaties. Figuur 6 kunnen worden genomen om het illustreren van verval kromme berekeningen voor de n-type 4 H-SiC Si-face opgewonden door 266 nm licht, door te verwijzen naar de onderbroken lijnen, waar τB = 3 µs en S voor de Si-gezicht SSi = 200 cm/s of 700 cm/s . Voor beide SSi instellingen, de experimentele verval curve gemeten in neutrale pH (air, 1 M Na2dus4) en in de zure voorwaarde (1 M H2SO4), respectievelijk, waren goed gereproduceerd, wat dat S betekende Si voor de n-type 4 H-SiC procédé teruggebracht van 700 cm/s tot 200 cm/s in zure waterige oplossingen zoals waterstof gepassiveerd de oppervlakte Staten op de Si-gezicht. Figuur 1: Schematisch diagram van het apparaat μ-PCD. Een deel van het laserlicht wordt weerspiegeld door de half-reflectie-spiegel. De teruggekaatste laser is gedetecteerd door de fotodiode en een signaal vanuit de fotodiode wordt gebruikt als een trigger voor de oscilloscoop. Een magnetron is gegenereerd op basis van de Gunn diode in de richting gebogen door de rondpompthemostaat; vervolgens een magnetron gaat door het diafragma en het monster uitstraalt. De teruggekaatste magnetron uit het monster komt terug naar de diafragma en in de rondpompthemostaat, waar het wordt gedetecteerd door de Schottky barrière diode. Tot slot, het signaal vanuit de Schottky barrière diode wordt waargenomen door de oscilloscoop. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 2: de Μ-PCD signaal voor een mislukte tuning van E-H tuner. Geen meetbare piek wordt waargenomen voor een mislukte tuning. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 3: de μ-PCD verval curve voor de n-type 4H-SiC monster met excitatie op het Si-gezicht door 266 nm in lucht. De gepulste laser wordt bestraald op moment 0 = s waartegen de signaalsterkte bij maximum is. Dit cijfer is gewijzigd van Ichikawa et al.,11 met machtigingen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 4: genormaliseerde μ-PCD verval curve voor de n-type 4H-SiC monster met excitatie op het Si-gezicht door 266 nm in lucht. De maximumwaarde van de verval-curve in Figuur 2 is genormaliseerd naar eenheid. De waarde van de stippellijn is 1/e, en τ1/e is ongeveer 0,34 µs zoals afgebeeld. Dit cijfer is gewijzigd van Ichikawa et al.,11 met machtigingen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 5: beeld van μ-PCD meting in een waterige oplossing in een cel kwarts. De quartz-cel wordt geplaatst op de stand voor het diafragma dat μ-PCD verval kromme meting in een waterige oplossing. De cel dimensie is 5 x 20 x 40 mm (lengte x breedte x hoogte). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6: genormaliseerd en berekend μ-PCD verval curven voor de n-type 4H-SiC monster met excitatie op het Si-gezicht door 266 nm, in lucht en waterige oplossingen. Ononderbroken lijnen vertegenwoordigen de μ-PCD experimentele resultaat bochten voor de waterige oplossingen van H2O, H2dus4, HCL, Na2SO4, NaOH of HF. De streepjeslijnen zijn berekende curves met de bulk carrier levensduur in de epilayers, τB = 3 µs, en de oppervlakte recombinatie snelheid voor de Si-face, S,Si = 200 cm/s of 700 cm/s. Dit cijfer is gewijzigd van Ichikawa et al.,11 met machtigingen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 7: De afhankelijkheid van de pH van τ1/e voor de n-type 4 H-SiC proeven met excitatie op het Si-gezicht door 266 nm. Vervoerder levensduur toeneemt naarmate de pH van de waterige oplossing af. Dit resultaat geeft aan dat lagere pH zal meer gevolgen hebben voor de levensduur van de vervoerder. Dit cijfer is gewijzigd van Ichikawa et al.,11 met machtigingen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 8: De μ-PCD verval curve van n-type 4H-SiC met excitatie van ingespoten foton dichtheid van 1014 of 1015 cm−2 op het Si-gezicht door 266 nm. Meting met hoge excitatie bij foton dichtheid van 1015 cm−2 maakt een meer geleidelijke curve van het verval dan die met lagere foton dichtheid als gevolg van niet-lineariteit van de reflectiviteit van de magnetron. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

In het protocol van de μ-PCD is stap 4.7 het belangrijkste punt. De E-H tuner werd opgenomen met een beweegbare kortsluiting in de E en H vliegtuigen, respectievelijk. Zo verplaatsen de kortsluiting van de E-tuner of de H tuner verandert de amplitude en fase van de teruggekaatste magnetron en maximaliseert de amplitude van het signaal. Tuning heeft een grote invloed op de golfvorm van de curve van verval en strikt moet worden uitgevoerd. In geval van een zwak signaalsterkte waar tuning moeilijk zou kunnen zijn, kunnen enkele tientallen tuning gemiddelden worden gebruikt. Voor mislukte tuning, zijn de μ-PCD verval curves niet waarneembare; alleen het lawaai signaal van een oscilloscoop wordt waargenomen. Figuur 2 toont de golfvorm van de oscilloscoop in een dergelijk geval.

Het is gemakkelijk te meten zeer resistent monsters zoals er geen lagere limiet van de geleidbaarheid is. Wanneer het monster soortelijke weerstand laag is of wanneer het monster dik is, is het “skineffect” van de magnetron niet te verwaarlozen. De afstand tot de intensiteit van de veldsterkte van de magnetron 1/e keer wordt wordt genoemd huid diepte , die wordt uitgedrukt door de vergelijking 9:

(9)

waar ω is de hoekige frequentie van de magnetron, en ε, ρen μ vertegenwoordigen het monster de diëlektrische constante soortelijke weerstand en permeabiliteit, respectievelijk. In het geval van Si en SiC, geschatte δ waarden voor de 10 GHz magnetron waren 9 mm op 50 Ω∙cm, 2 mm op 10 Ω∙cm, 500 micrometer op 1 Ω∙cm en 150 μm op 0,1 Ω∙cm. Daarom verliest metingen voor monsters met een typische diktes (verschillende honderden micron) op minder dan 0,1 Ω∙cm δ nauwkeurigheid. Aan de andere kant, zijn de magnetron en optische straling incident van het tegenovergestelde van de wafer in dit protocol. Een te verwaarlozen effect van de huid toont u beter magnetron en optische straling vanaf dezelfde kant.

Lagere limieten zijn afhankelijk van de soortelijke weerstand en de dikte van het monster die voortvloeien uit de wisselwerking daarvan met de magnetron. Bij zeer resistent monsters moet zijn de typische lagere limieten van de overtollige vervoerders over de volgorde van 10¹² cm⁻³. Aan de andere kant, moet elektron-gat verstrooiing worden beschouwd op overtollige vervoerders groter is dan 10¹⁶ cm⁻³, zoals besproken in ref. 13.

De μ-PCD verval curven werd zachte bij hoge excitatie dichtheid als gevolg van de unproportionality van de reflectiviteit van de magnetron de overtollige vervoerder concentratie zodanig dat vergelijking (3) haar geldigheid¹³^,²⁵^,^{26 verliest zou} en τ_1/e zou worden overschat. Figuur 8 toont de μ-PCD verval curve van een chemische stof mechanisch polijsten oppervlaktebehandeling n-type 4 H-SiC met excitatie op het Si-gezicht door 266 nm onder hoge excitatie-intensiteit.

Resolutie van de tijd is bovendien afhankelijk van de prestaties van de meting apparaat zoals een bron excitatie, een oscilloscoop en een versterker. Bijvoorbeeld, in deze studie, het apparaat bestond uit een pulserende laser met pulsbreedte van 1 ns als de bron excitatie en een oscilloscoop met een frequentieband van 500 MHz. Bijgevolg de meetbare minimumlevensduur werd geschat op 2 ns.

Zoals eerder vermeld, is μ-PCD erg handig voor karakterisering van halfgeleiders zoals Si. Niettemin kan de toepassing worden uitgebreid met andere materialen, bijvoorbeeld, photoactive materiaal, met inbegrip van TiO₂²⁷^,²⁸^,²⁹^,³⁰.

Bovendien, naast de μ-PCD, TR-PL² en TR-FCA geïntroduceerd op de eerdere secties zijn de andere twee vervoerder levensduur meettechnieken. TR-PL merkt de tijdwijziging van fotoluminescentie veroorzaakt door vervoerder recombinatie terwijl TR-FCA merkt de tijd wijzigen van sonde licht absorptie⁴. “Franco vervoerder” absorptie treedt met name op wanneer licht met energie kleiner dan de band gap wordt bestraald gedurende vervoerder excitatie³. Niettemin, ten opzichte van deze twee, μ-PCD direct observeert elektrische geleidbaarheid door magnetron en heeft een hoge oppervlakteruwheid en signaal gevoeligheid, waardoor het de idealere methode voor vervoerder levensduur meting voor halfgeleider apparaat toepassingen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd gesteund door de Nagoya Institute of Technology, Japan.

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