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.
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.
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 Pen 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, μp es la movilidad de agujero, μn 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.
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 τ1/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.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por el Instituto de tecnología de Nagoya, Japón.
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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 |
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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 |
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