マイクロ波光伝導減衰法による半導体中のキャリア ライフ タイム測定

10 GHz マイクロ波周波数、X waveguide バンド、および方形導波管から成る μ PCD 装置の概略図を図 1に示します。電子レンジは、二重リッジ導波路による集束され、サンプルに照射します。Gunn のダイオードの出力は 50 mW、位相雑音はほぼ-80 dBc/Hz。 図 3で 100 μ m 厚 n 型 4 H-sic のサンプルの μ PCD 減衰曲線興奮して Si 面上 266 nm 空気;Μ PCD 信号 (V)、対数スケールでは従属変数、(μ s) あった独立変数。信号電圧のピークは約 0.046 V まで増幅。またのオシロ スコープ DC モードから得られる反射マイクロ波直流 (DC) 成分の観測電圧が数ボルトの順序だった。過剰キャリアの再結合時間が進むにつれ、サンプルの伝導率とマイクロ波の反射率が減少しました。 図 4は、図 3の正規化された μ PCD 減衰曲線を示しています。正規化は、異なるピーク強度と時定数の比較をできます。通常、減衰曲線に基づくキャリア寿命推定はそのにピークから 1/e (~ 値 0.368) への信号強度の減少を取得するに費やされる時間を示す、1/e 寿命τ1/eパラメーターを用いて実施されます。Μ PCD 崩壊はなかった 1 つの指数、 τ1/eバルクと表面再結合の両方が影響を受けていたことに注意してください。ただし、別の厚さや表面状態を持つサンプルの時定数を比較するには、参照パラメーターが必要になりました。Τ1/eの使用法は、減衰曲線の最初の部分とデータ分析のシンプルさで良い信号対雑音比を与えられて便利でした。Μ PCD 信号、半分の時間を生活、私40を特徴付ける/私最大とkDは定数もこのようなパラメーター22,23,24を採用します。実際には、 τ1/eは、SEMI 規格に採用された: 半 MF 15358 Si のキャリア寿命測定のための標準として。図 4の減衰曲線、 τ1/eは約 0.34 μ s です。 図 5、石英セル、水溶液を含むとその壁のサンプル、絞り11の前にスタンドが掲載されました。照射マイクロ波、μ PCD 信号対雑音比と同様に、サンプルからの反射電子レンジの各強度はサンプルと理想的には、できるだけ近くする必要がありますされる開口部間の距離に依存していた。実際の測定で求めた距離はできるだけ; 近く石英セルを用いた測定には石英セルの厚さと同じは、0.5 mm の距離が得られました。 図 6は、空気や水溶液、n 型 4 H-sic μ PCD 減衰曲線を示しています。266 の光励起 nm 4 H SiC の Si 面に照射します。水溶液使用濃度をいたは、以前、次のように述べたように: H21 M など4HCl、Na2SO4、または水酸化ナトリウム、HF の 1 wt %。酸性の水溶液に浸漬のサンプルに減衰曲線の時定数が長かった (すなわち、H2SO4HCl、HF)、酸性溶液がパッシベーションされると Si 面の表面状態との表面再結合の低減を意味過剰キャリア。 図 7は 266 の Si 面上に興奮して n 型 4 H-sic サンプルのτ1/eの pH 依存性を示す光の nm。PH は、H2のモル濃度から算出した4塩酸と水酸化ナトリウム。PH 水溶液; キャリア寿命依存がこの図に示されています。したがって、低い pH はより多くに及ぼすキャリア寿命があります。 Τを再現する計算された表面再結合速度S 1/eのサンプル使用します。過剰キャリアの減衰モデルは、文献で報告されています。2 と 3。過剰キャリア濃度 Dn(x, t) を得るためには、次の継続の同等化を解決しました。ここでは、Dn(x, t) は時間tと深さx ; 半導体層の関数として定義されました。したがって、 、(6) 場所τB一括ショックレー-読み取り-ホール (SRH) 再結合寿命、 Dは両極性拡散係数、放射再結合係数、 Bは、 Cはオージェ再結合係数。 興奮して、他の面で境界条件を式 7 で与えられました。 (7) S0とSW興奮の表面再結合速度および他の表面示すとWは層の厚さ。 さらに、光パルス照明を使用して初期の過剰キャリア濃度分布は式 8 を使用して表現できます。 (8) g0がxでキャリア濃度 = 0は吸収係数。 7 方程式と方程式 8 提供過剰キャリアの減衰曲線の初期条件の境界条件を用いた方程式 6 を解決します。Τを比較することによって推定されたプロセス、 S 1/eは実験と計算される減衰曲線から得られます。二乗法実験τ1/e間の誤差を最小限に抑えるすべての条件で計算されるτ1/e τBパラメーター S0S、wと。 方程式 6 キャリアの再結合は様々 な崩壊のコンポーネント、すなわち、表面、SRH、放射とオージェの総和で表した組換え、最後の 2 つの顕著な高キャリア密度を持ちます。その一方で、SRH の再結合は半導体のバンド ギャップのエネルギー準位を形成する半導体材料の大部分の転位と点欠陥に依存します。エネルギー レベルは、原子価そして伝導バンドのキャリアの遷移のための飛石として機能します。 m PCD はまた高射出条件で非線形性を示していて、キャリア寿命13,25,26を過大評価。図 8強励起条件下で測定された m PCD を示しています。1014 cm− 2マイクロ波の非線形性のための光子密度の比較 1015 cm− 2の挿入された光子密度の減衰曲線よりゆるやかになり、注意してください。さらに、図 3、図 4、および図 6に示すように測定例が得られた 8 x 10 の13 cm− 2無視マイクロ波の非線形性とオージェの結果と放射の入射光子密度組換えが支配的な SRH と表面組換え。 図 6は、破線を参照して顔のため n 型 4 H-sic Si – 266 nm 光励起による減衰曲線の計算を実証するため取ることができる、 τB = 3 μ s とS Si 面SSi = 200 cm/s または 700 cm/s.両方SSi設定実験的減衰曲線を中性 pH で測定 (空気、1 M ナ2、4)、酸性条件下で (1 M H2など4) をそれぞれがよく再現、そのS を意味します。水素パッシベーション Si 面の表面状態、酸性水溶液中で 200 cm/s 700 cm/秒から減少 n 型 4 H-sic 過程のSi 。 図 1: μ PCD デバイスの概略図。レーザー光の一部は、半反射ミラーに反映されます。反射レーザー、フォト ダイオードで検出し、フォト ダイオードから来る信号はオシロ スコープのトリガーとして使用されます。電子レンジ、サーキュレータ; によって曲がっている方向に gunn から生成されます。電子レンジ、絞りを通過し、サンプルを照射します。サンプルから反射マイクロ波戻る絞りと、サーキュレータにショットキー ・ バリア ・ ダイオードで検出されます。最後に、ショットキー ・ バリア ・ ダイオードからの信号をオシロ スコープで観測します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 2:E H のチューナーの失敗したチューニングの μ PCD 信号します。失敗したチューニング、測定可能なピークはみられません。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 3: 266 による Si 表面の励起と n 型 4 H-sic サンプル μ PCD 減衰曲線空気で nm 。パルス レーザーは照射時間 = 0 の信号強度が最大であります。この図は、アクセス許可を持つ市川ら11から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 4: 266 による Si 表面の励起と n 型 4 H-sic サンプルの正規化された μ PCD 減衰曲線空気で nm 。図2 減衰曲線の最大値は、unity に正規化されます。破線の値は、1/e とτ1/eは、約 0.34 μ s として描かれています。この図は、アクセス許可を持つ市川ら11から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 5: 石英セルで水溶液中で μ PCD 測定のイメージ。石英セルは、水溶液中で μ PCD 減衰曲線の測定を許可する絞りの前にスタンドに配置されます。セルの寸法は 20 mm × 40 mm × 5 (長さ x 幅 x 高さ)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 6: 正規化し、266 による Si 表面の励起と n 型 4 H-sic サンプル μ PCD 減衰曲線を計算 nm、空気や水溶液。実線は H2O の水溶液の μ PCD 実験曲線、H24HCL、Na2SO4、水酸化ナトリウム、または HF。破線が薄膜、 τBバルク キャリア寿命の計算曲線SSi Si 面の 3 μ s と表面再結合速度を = = 200 cm/s または 700 cm/s。この図は、アクセス許可を持つ市川ら11から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 7: τ1/eの pH 依存性のため 266 による Si 表面に励起した場合のサンプル、n 型 4 H-sic nm 。水溶液の減少 pH としてキャリアの寿命が増加します。この結果は、低い pH でお越しのキャリア寿命のさらに効果を示します。この図は、アクセス許可を持つ市川ら11から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 8: μ PCD 減衰曲線 n 型 4 H-sic の 10 の注入された光子密度の励起と14または 266 によって Si 面上の 10 の15 cm− 2 nm。1015 cm− 2の光子密度で高励起測定マイクロ波反射特性の非線形性による光子密度の低いよりもより緩やかな減衰カーブになります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。