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

Taşıyıcı ömür boyu ölçümlerde mikrodalga Photoconductivity çürüme yöntemi aracılığıyla yarı iletkenler

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

Yarı iletkenler önemli fiziksel parametrelerden biri, taşıyıcı ömür boyu burada mikrodalga photoconductivity çürüme yöntemi kullanan bir iletişim kuralı ölçülür.

Abstract

Bu çalışma bir protokol mikrodalga photoconductivity çürüme (μ-PCD) istihdam yarı iletken malzemeler, taşıyıcı hayatta ölçümü için özellikle SiC sunar. Prensip olarak, aşırı taşıyıcıları uyarma ile oluşturulan yarı iletken içinde zamanla birleştireceğimi ve daha sonra denge durumuna döndürün. Bu rekombinasyon zaman sabiti taşıyıcı kullanım süresi, aygıtlar ve geri dönüşlü ölçüm ideal μ-PCD tarafından elde gerektirir önemli bir parametre yarı iletken malzeme ve cihazlar olarak bilinir. Bir örnek ışınlama sırasında bir parçası mikrodalga yarı iletken örnek tarafından yansıtılır. Mikrodalga yansıtma taşıyıcılara atfedilen örnek iletkenlik bağlıdır. Bu nedenle, aşırı taşıyıcıları saat çürüme olan çürüme eğri-ebilmek var olmak çözümlemek için taşıyıcı ömür boyu tahmin yansıyan mikrodalga yoğunluğu tespiti ile görülebilmektedir. Sonuçları yarı iletken malzeme ve cihazlar taşıyıcı hayatta ölçüm μ-PCD Protokolü uygunluğu doğrulayın.

Introduction

Aşırı taşıyıcılar yarı iletkenler optik foton enerji iletim ve değerlik bantları arasındaki uçurum daha büyük iğne ile heyecanlıyız. Heyecanlı aşırı taşıyıcılar, sonra içinde büyük ölçüde işlem sırasında yarı iletken cihazların performansı etkiler ömür boyu taşıyıcı olarak bilinen bir zaman sabit bir elektron-delik rekombinasyon tarafından kaybolur. Yarı iletken cihazlar ve malzemeler için önemli parametrelerden biri olarak taşıyıcı ömür boyu bu malzemelerin kusurun varlığı çok hassastır ve daha uygun bir yöntem değerlendirme gerektirir. J. Warman ve M. Kunst geliştirilen bir geçici zaman vermişler tekniği çözüldü mikrodalga iletkenlik (TRMC), mikrodalga emme şarj taşıyıcı dynamics yarı iletkenler¹takip içerir. Diğer araştırmacılar onun noncontact nedeniyle yarı iletken sektörlerde yaygın olarak kabul edilen malzeme yeterlilik tekniktir mikrodalga photoconductivity çürüme (μ-PCD), diğer adıyla geçici fotoğraf iletkenlik (TCK), önerilen ve geri dönüşlü ölçümleri taşıyıcı ömür boyu. Özellikle, Silisyum Karbür (SiC) için üç önemli teknikler tabidir: μ-PCD, zaman çözüldü photoluminescence (TR-PL) ve zaman çözüldü ücretsiz taşıyıcı emme (TR-FCA)²^,³^,⁴^,⁵ ^,⁶^,⁷. Bu teknikler arasında µ-PCD ve en yaygın meslek (yani, verilen herhangi için ölçülebilir çeşitli pürüzlülük⁸^,⁹^,^{10 yüzey yüzey pürüzlülüğü duyarsızlık sergiler gibi diğer iki karşılaştırıldığında çünkü}) ve yüksek sinyal duyarlılık heyecanlı taşıyıcıları için (yani, kullanarak bir optimum mikrodalga bileşeni). Genel olarak, μ-PCD SIC ve diğer yarı iletken malzemeler²^,⁵^,⁶^,¹¹^,¹²^,^{13 taşıyıcı ömür boyu ölçümü için tercih edilen oldu} ^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹.

Ölçüm iletişim kuralı ve μ-PCD¹^,²⁰^,²¹ prensibi burada ayrıntılı. Prensip olarak, bu bir soruşturma yansıyan mikrodalga kullanır. Burada, mikrodalga yansıtma (σ) örneği Ryansıyan mikrodalga yoğunluğu P(σ) ve Denklem 1 tarafından ifade edildiği şekilde olay mikrodalga yoğunluğu P_içinde arasındaki oran eşdeğerdir:

(1)

Bir darbe lazer ışınlama tarafından bir örnek σ iletkenlik değiştirir σ + Δ içinσ; aynı şekilde, R (σ) R(σ + Δσ) dönüştürür. Böylece, ΔR denklem 2 tarafından verilir:

(2)

Bir pertürbasyon (küçük Δσ) yaklaşım, R(σ + Δσ) vermeye Taylor serisi geliştirilmiştir

(3)

Δσ olur iken

, (4).

q temel ücret, nerede delik hareketlilik μ_p olduğunu, μ_n elektron hareketlilik ise Δp aşırı taşıyıcı konsantrasyon. Önceki denklemler, danΔR ve Δp tarafından ilgili

. (5)

Mikrodalga yansıtma aşırı taşıyıcı konsantrasyon üzerinde bağımlılık taşıyıcı ömür boyu yarı iletken malzemelerin tahmin etmek için kullanabilirsiniz aşırı taşıyıcıları saat çürüme gözlemlemek μ-PCD sağlar.

Protocol

1. örnek hazırlanması Bir n-tipi 4 H-SiC epilayer (Malzeme tablo) hazırlayın. Örnek aseton ile ve sonra her 5 min için su ile yıkama kullanarak bir Ultrasonik yıkama. Azot silah nem örnek yüzeyinde kaldırmak için kullanın. 2. sulu çözümler hazırlanması 1 M H2herbiri hazır olun4, HCl, Na2SO4, NaOH veya HF 1 wt % konsantrasyon. Seçin ve ölçülecek sulu bir çözüm hazırlamak. 5 mm (uzunluk) kuvars hücresiyle hazırlamak x 20 mm (genişlik) x 40 mm (yükseklik) boyutları ve sonra dökmek içine sulu çözüm. Hazırlanan örnek hücre içine koymak ve sonra sulu çözüm bırakın.Not: en az 4 mL sulu çözüm kuvars hücredeki tamamen dalmış örnek için gereklidir. Çözüm değiştirirken, aseton ve saf su kullanma tedavi örnek ile ultrasonik Temizleme. 3. ölçme donanımları hazırlanması Işık kaynağı heyecanlandırmak için 266 nm lazer güç kaynağı açın. Daha sonra lazer modu bekleme konumuna ayarlayın. Lazer ve osilatör süngü Neill-Concelman (BNC) kablo ile bağlayın. Osilatör üzerinde açmak ve lazer için 100 Hz nabız dalga girdi. Tetikleyici toplama fotodiyot osiloskop BNC kablo ile bir tetikleyici giriş kanalı aracılığıyla bağlayın. Fotodiyot güç kaynağı açın. Lazer ışınlatayım ve yön, lazer ışık optik yolu ışığa normal mikrodalga dalga kılavuzu diyafram yerleştirin.Dikkat: ikinci süreçte deneyci lazer ışınlama sırasında koruyucu göz gözlük giymek gerekir. Şekil 1′ de gösterildiği gibi bir yarı-ayna lazer, optik yolu üzerinde yüklemek ve lazer fotodiyot için yansıtmaktadır. Osiloskop üzerinde açmak ve tetikleyici eşiğini fotodiyot sinyal için yeterli bir gerilim ayarlayın.Not: Eşik değer tetikleyici sinyal tepe küçük ayarlanmış olabilir. Bir kasıtsız yansıyan ışık fotodiyot girdiğinde, osiloskop büyük ölçüde lazer frekans farklı bir frekans görüntüler. Bu durumda, 3,6 adımı yineleyin. Tetikleyici frekans bir osiloskop ile kontrol ve osilatör tam olarak ayarlamak. Lazer modu bekleme konumuna. Schottky bariyer diyot yansıyan mikrodalga algılama için mikrodalga dalga kılavuzu ve bir osiloskop sinyal giriş kanal BNC kablo üzerinden bağlayın. Bir 9.5 V uygulamak için bir Gunn diyot gerilimi. Kuvars (Adım 2.2) mümkün olduğunca diyafram önünde stand üzerine yerleştirin. Bant ile düzeltmek. 4. ölçüm ve verilerini kaydetme Lazer ışık salınım açmak ve örnek ışığına ışınlatayım. Bir yarı-waveplate (λ/2), bir polarize ve güç metre optik yol (şekil 1) yerleştirin. Lazer güç metre için şekil 1′ de gösterildiği gibi ışınlatayım. Lazer uyarma yoğunluğunu kontrol edin. λ/2 açı uyarma yoğunluk kontrolü için ayarlayın.Not: polarize hangi uyarma yoğunluk kontrollü tek bir ışık polarizasyon yönünde iletir süre λ/2 lazer ışık, polarizasyon yönünü değiştirir. Enjekte Foton yoğunluğunu 8 x 1013 cm−2 ve 266 nm lazer için ayarlanır, 4 H SiC uyarma taşıyıcı yoğunluğu 4.5 x 1017 cm−3. Güç metre optik yoldan kaldırın. En yüksek sinyal osiloskop üzerinde görüntülenir zaman/div ve V/div osiloskop ile ayarlanır. Genlik ve bir E-H tuner ile mikrodalga aşaması ayarlayın. Osiloskop kontrol edin ve E-H tuner için en yüksek sinyal en yüksek seviyede nerede bak. Sinyal kaybı, E-H tuner sonuçlarında düzeltilmesi Şekil 2′ de gösterildiği gibi başarısız oldu.Not: Bir amplifikatör çürüme sinyal yeterince büyük sinyal göre arka plan gürültü veya bile E-H tuner ayarladıktan sonra gözlem değil durumunda güçlendirmek için kullanılır. Amplifikatör Schottky bariyer diyot ve bir BNC kablo ile osiloskop sinyal giriş kanalı arasında şekil 1′ de gösterildiği gibi yer alıyor. 4,6 ve 4,7 ayarlama tamamlamak için adımları yineleyin. Zaman/div osiloskop, ayarlamak ve bir bozunma eğrisi osiloskop üzerinde ölçüm alanında eskiz. Sinyal-gürültü oranı artırmak için sinyal için rasgele bir kaç kez ortalama. Ölçüm verilerini bir elektronik dosya bir belleğe kaydetme ve osiloskop kaldırın. 5. veri işleme Bir kişisel bilgisayar için sinyal veri. Deneyden elde edilen bir fonksiyonu olarak çürüme eğriler çizmek. Arka plan gürültü seviyesi ortalama değerini hesaplamak, çürüme sinyalini çıkarma ve zamanın bir fonksiyonu olarak arsa. 5.3. adımda elde çürüme sinyal en yüksek değeri bulmak ve en yüksek değerine göre çürüme sinyalini ayırmak.

Representative Results

Şekil 1 bir şematik diyagramı 10 GHz mikrodalga frekansı, X waveguide grubu ve bir dikdörtgen dalga kılavuzu oluşan μ-PCD cihazları gösterir. Mikrodalga Çift Kişilik ridge dalga kılavuzu tarafından odaklı ve örnek üzerinde ışınlanmış. Gunn diyot çıkış gücüydü 50 mW ve faz gürültü oldu neredeyse-80 dBc/Hz. Şekil 3 gösterir μ-PCD bozunma eğrisi 100 mikron kalınlığında n-tipi 4 H-SiC örneği heyecanlı Si yüzünde tarafından 266 nm havada; Logaritmik ölçekli μ-PCD sinyal (V) bağımlı değişken ve zaman (μs) bağımsız değişken oldu. Sinyal gerilim tepe amplifikasyon yaklaşık 0,046 V öncesinde oldu. Ayrıca, osiloskop DC modundan elde yansıyan mikrodalga doğru akım (DC) bileşeninin gözlenen gerilim birkaç volt sipariş oldu. Rekombinasyon aşırı taşıyıcıları ile zaman ilerledikçe, örnek’ın iletkenlik ve mikrodalga yansıtma azalmıştır. Şekil 4 normalleştirilmiş μ-PCD bozunma eğrisi Şekil3 gösteriyor. Normalleştirme zamanı sabitleri farklı en yüksek yoğunluklarda ile karşılaştırmasını sağlar. Genellikle, taşıyıcı ömür boyu tahmini çürüme eğri dayalı sinyal yoğunluğu azalır ayında en yüksek 1/e (~ 0.368) elde etmek için harcanan zamanı gösteren 1/e yaşam süresi τ1/e parametre ile yapılır. Not µ-PCD çürüme tek bir üstel değildi ve τ1/e toplu ve yüzey rekombinasyon tarafından etkilenmiştir. Ancak, farklı kalınlık veya yüzey durumu örnekleri zaman sabiti karşılaştırma gerektirdiği bir başvuru parametresi. τ1/e kullanımı uygun bozunma eğrisi ilk parçası ve veri analizi ve sadeliği iyi sinyal-gürültü oranı göz önüne alındığında. Μ-PCD sinyal, yarı hayat, ı40karakterize etmek için /benmaxve kD sabit de böyle parametreleri22,23,24kabul. Aslında, τ1/e yarı standart olarak kabul edilmiştir: yarı MF 15358 Si taşıyıcı ömür boyu ölçümü için standart olarak. Şekil 4bozunma eğrisi için yaklaşık 0,34 μs τ1/e yapıldı. Sulu solüsyon içeren şekil 5, kuvars hücre ve örnek onun duvar ile diyafram11önünde Stand yerleştirildi. Radyasyonlu mikrodalga ve örnek olarak μ-PCD sinyal-gürültü oranı yansıyan mikrodalga her yoğunluğunu örnek olan, ideal olarak, mümkün olduğu kadar yakın olmalıdır diyafram arasındaki uzaklığı bağımlı. Gerçek ölçüm elde edilen mesafe mümkün olduğu kadar yakın; Kuvars hücre kullanarak ölçüm kuvars hücre cam kalınlığı ile aynı oldu 0,5 mm olarak vermiştir. Şekil 6 μ-PCD çürüme eğrileri n-tipi 4 H-SiC havada ve sulu çözümler gösterir. Bir uyarma ışık 266 nm 4H SiC, Si-yüz radyasyona maruz. Sulu çözümler kullanılan vardı konsantrasyonları, belirtildiği gibi daha önce aşağıdaki gibi: 1 M her H2SO4, HCl, Na2SO4, veya NaOH veya HF 1 wt %. Saat sabit çürüme eğrilerinin asidik sulu çözümler dalmış örnek ile daha uzun (yani, H2SO4, HCl veya HF), asidik çözüm düzgünleştirilecek Si yüzünde yüzey Birleşik ve yüzey Rekombinasyon, azaltılmış ima aşırı uçak gemisi. Şekil 7 τ1/e n-tipi 4 H-SiC numunenin pH bağımlılığı heyecan üzerinde gösterir Si-surata 266 nm ışık. PH Yani H2molar konsantrasyonlarının hesaplanmıştır4, HCl ve NaOH. Bu rakam pH sulu çözümler taşıyıcı ömür boyu bağımlılığını belirtilir; Bu nedenle, düşük pH taşıyıcı ömür boyu üzerinde daha fazla etkileri olurdu. Yüzey rekombinasyon hızı S τçoğaltmak hesaplanmıştır örnekleri için kullanılan1/e . Aşırı taşıyıcıları çürüme modelinin refs bildirilmiştir. 2 ve 3. Aşırı taşıyıcı konsantrasyon Dn(x, t) edinmek için aşağıdaki süreklilik denklemi çözüldü. Burada, Dn(x, t) zaman t ve derinlik x bir yarı iletken katmanda bir fonksiyonu olarak tanımlanmıştır; Böylece, , (6). nerede Shockley – okuma-Hall (SRH) rekombinasyon nedeniyle toplu yaşam süresi τB mi, Dbir ambipolar Difüzyon katsayısı, B radyasyon rekombinasyon katsayısıdır ise C burgu rekombinasyon katsayısı. Heyecanlı ve diğer yüzeyler sınır koşulları denklem 7 tarafından verildi: ve (7) nerede S0 ve SW heyecanlı yüzey rekombinasyon hızını ve diğer yüzeylerde, sırasıyla, göstermek ve W kalınlığı. Ayrıca, hafif darbe aydınlatma kullanarak ilk aşırı taşıyıcı konsantrasyon profili denklem 8’i kullanarak ifade gelir: (8) g0 x taşıyıcı konsantrasyonu nerede = 0 ve bir emme katsayısı. Denklem 6 denklem 7 ve aşırı taşıyıcı çürüme sağlanan denklem 8 eğrilerinin ilk koşulu sınır koşulları istihdam ederek çözme. Bu süreç içinde S τkarşılaştırarak tahmin edilmiştir1/e elde edilen deneyler ve hesaplanan çürüme eğrileri. En küçük kareler uygun simge durumuna küçültülmüş deneysel τ1/e arasında hataları tüm koşullar ve hesaplanan τ1/e parametreleri S0, Sw ve τBile. İçinde gösterildiği gibi çeşitli çürüme bileşenleri, yani, yüzey, SRH, ışınımsal ve burgu toplamı denklemi 6 taşıyıcı rekombinasyon olduğunu recombinations, olağanüstü yüksek taşıyıcı yoğunluğu olan son iki. Öte yandan, nokta kusurları ve yarı iletken band boşluk enerji seviyelerinde oluşturan Dislokasyonlar yarı iletken malzeme toplu olarak SRH rekombinasyon bağlıdır. Enerji düzeyleri arasında valence ve iletim bant taşıyıcı geçiş için taşları adım olarak hareket ederler. m-PCD Ayrıca nonlinearity bir yüksek enjeksiyon durum olarak gösterir ve taşıyıcı ömür boyu13,25,26overestimates. Şekil 8 ölçülen m-PCD yüksek uyarma koşul altında gösterir. 1015 cm−2 enjekte foton yoğunluğu bozunma eğrisi daha yavaş yavaş oldu 1014 cm−2, mikrodalga nonlinearity sayesinde foton yoğunluğu için kıyasla dikkat edin. Ayrıca, şekil 3, şekil 4 ve şekil 6 ‘ da gösterilen ölçü örnekleri 8 x 1013 cm−2 ihmal edilebilir mikrodalga nonlinearity ve burgu sonuçlanan ve ışınımsal için bir enjekte foton yoğunluğu elde edilmiştir recombinations ama baskın SRH ve yüzey recombinations. Şekil 6 -ebilmek alınmak kesik çizgiler için bakarak bozunma eğrisi hesaplamalar n-tipi 4 H-SiC Si-yüz için 266 nm ışığında, heyecanlı örneklemek için nerede τB 3 μs ve S için Si suratlı SSi = 200 cm/s veya 700 cm/s = . Her iki SSi ayar, deneysel bozunma eğrisi ölçülen nötr pH (Hava, 1 M Na2kadar4) ve asidik durumda (1 M H2SO4), sırasıyla vardı o S demek çoğaltılamaz, iyi Si Si yüzünde yüzey Birleşik hidrojen düzgünleştirilecek gibi asidik sulu çözümler 200 cm/s 700 cm/s ile azaltılmış n-tipi 4 H-SiC signiﬁcantly için. Şekil 1: μ-PCD aygıt şematik diyagramı. Lazer ışık bir parçası tarafından yarı-yansıma yansıtma yansıtılır. Yansıyan lazer fotodiyot tarafından algılanır ve fotodiyot gelen bir sinyal osiloskop için bir tetikleyici olarak kullanılır. Bir mikrodalga Gunn diyot tarafından sirkülatörün bükük yönü oluşturulur; sonra bir mikrodalga diyafram gidiyor ve örnek irradiates. Örnekten yansıyan mikrodalga geri diyafram ve sirkülatör, içine nereye Schottky bariyer diyot tarafından algılanır geliyor. Son olarak, Schottky bariyer diyot gelen sinyal osiloskop tarafından görülmektedir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Resim 2: μ-PCD sinyal başarısız E-H akortçusu akort için. Hiçbir ölçülebilir tepe başarısız akort için görülmektedir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 3: μ-PCD bozunma eğrisi 266 tarafından Si yüzünde uyarma ile n-tipi 4H-SiC örnek için havada nm. Lazer zaman ışınlanmış = 0 s hangi sinyal yoğunluğu en yüksek seviyede değildir. Bu rakam Ichikawa vd.11 izinleri ile değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 4: 266 tarafından Si yüzünde uyarma ile n-tipi 4H-SiC örnek için normalleştirilmiş μ-PCD bozunma eğrisi havada nm. Bozunma eğrisi Şekil 2 ‘ deki en büyük değerini birlik için normalleştirilmiş. Kesikli çizgi değerini 1/e ve τ1/e tasvir yaklaşık 0,34 μs. Bu rakam Ichikawa vd.11 izinleri ile değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 5: kuvars hücrede sulu bir çözüm μ-PCD ölçü resim. Kuvars hücre μ-PCD bozunma eğrisi ölçüm sulu bir çözüm sağlamak için diyafram önünde stand yerleştirilir. Hücre boyuttur 5 x 20 x 40 mm (uzunluk x genişlik x yükseklik). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 6: normalleştirilmiş ve hesaplanan μ-PCD çürüme eğrileri 266 tarafından Si yüzünde uyarma ile n-tipi 4H-SiC örnek için hava ve sulu çözümler nm. Düz çizgiler temsil μ-PCD deneysel sonuç eğrileri H2O sulu çözümler için H2kadar4, HCL, Na2SO4, NaOH veya HF. Kesik çizgiler epilayers τB toplu taşıyıcı hayatta ile hesaplanan eğrileri vardır 3 μs ve yüzey rekombinasyon hız Si-yüz için SSi = 200 cm/s veya 700 cm/s =. Bu rakam Ichikawa vd.11 izinleri ile değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 7: τ1/e pH bağımlılığı için n-tipi 4 H-SiC örnek 266 tarafından Si yüzünde uyarma ile nm. Taşıyıcı ömür boyu sulu çözüm azaltır pH artırır. Bu sonuç o daha düşük pH taşıyıcı ömür boyu üzerinde daha fazla etkileri olacaktır gösterir. Bu rakam Ichikawa vd.11 izinleri ile değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 8: μ-PCD bozunma eğrisi n-tipi 4H-SiC uyarma enjekte foton yoğunluğu 10 ile14 ya da 1015 cm−2 266 Si suratından nm. 1015 cm−2 yüksek uyarma, foton yoğunluğu ölçüm alt foton yoğunluğu nedeniyle mikrodalga yansıtma nonlinearity ile bir daha yavaş yavaş çürüme eğri daha yapar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Discussion

μ-PCD protokolünde adım 4.7 en önemli bir noktadır. E-H tuner ile hareketli bir kısa devre E ve H uçaklarda sırasıyla dahil oldu. Böylece, kısa devre E tuner veya H tuner hareket genlik ve yansıyan mikrodalga aşaması değiştirir ve sinyal genlik en üst düzeye çıkarır. Aksesuar bozunma eğrisi dalga üzerinde büyük bir etkisi vardır ve kesinlikle gerçekleştirilmelidir. Nerede Aksesuar zor olabilir bir zayıf sinyal gücü durumunda, ortalamalar Tuning birkaç on kullanılabilir. İçin ayarlama başarısız, μ-PCD çürüme eğrileri gözlemlenebilir değildir; Sadece gürültü sinyal bir osiloskop olarak görülmektedir. Şekil 2 , böyle bir durumda osiloskop dalga biçimi gösterir.

Daha düşük iletkenlik limitsiz olarak yüksek direnç örnekleri ölçmek kolaydır. Örnek direnci azaldığında veya örnek kalın olduğunda, mikrodalga deri etkisi önemsiz değildir. Mikrodalga elektrik alan yoğunluğunu 1/e kez hale gelinceye kadar mesafe cilt derinlik anılacaktır , hangi denklem 9 tarafından ifade edilir:

(9)

Burada ω mikrodalga açısal frekans ve ε, ρve μ örnek’ın Dielektrik sabiti, direnci ve geçirgenliği, sırasıyla temsil eder. Si ve SIC söz konusu olduğunda, 10 GHz mikrodalga için yaklaşık δ değerleri 50 Ω∙cm, 10 Ω∙cm, 1 Ω∙cm, 500 mikron ve 0.1 Ω∙cm, 150 mikron 2 mm, 9 mm idi. Bu nedenle, tipik kalınlıkları (birkaç yüz mikronluk) daha az 0.1 Ω∙cm, örnekleriyle ölçülerini δ doğruluk kaybedersiniz. Öte yandan, mikrodalga ve optik radyasyon bu protokolü gofret ters gelen olay. Önemsiz bir deri etkisi daha iyi mikrodalga ve aynı tarafta optik radyasyon gösterir.

Daha düşük limitler direnci ve mikrodalga ile etkileşimi kaynaklanan örnek kalınlığına bağlıdır. Son derece karşı koymak için aşırı taşıyıcıların tipik daha düşük limitler 10¹² cm⁻³sırasına örneklerindendir. Öte yandan, elektron-delik saçılma aşırı taşıyıcıları ref. 13 anlatıldığı gibi 10¹⁶ cm⁻³, daha fazla dikkate alınmalıdır.

Öyle ki denklem (3), geçerlilik¹³^,²⁵^,²⁶ kaybedecek μ-PCD çürüme eğrileri yüksek uyarma yoğunluğu nedeniyle aşırı taşıyıcı konsantrasyonu mikrodalga yansıtma unproportionality, nazik oldu ve τ_1/e fazla hesaplamış. Şekil 8 gösterir μ-PCD çürüme eğri bir kimyasal yüzey işleme n-tipi 4 H-SiC 266 tarafından Si yüzünde uyarma ile parlatma mekanik nm yüksek uyarma yoğunluk altında.

Ayrıca, performans ölçüm cihazları bir uyarma kaynak, bir osiloskop ve bir amplifikatör gibi zaman çözünürlüğü bağlıdır. Örneğin, bu çalışmada, 1 darbe genişliği ile bir lazer aparatı oluşuyordu ns uyarma kaynak ve 500 MHz frekans bandı olan bir osiloskop olarak. Sonuç olarak, en az ölçülebilir yaşam süresi 2 olarak tahmin edilmiştir ns.

Daha önce belirtildiği gibi μ-PCD Si gibi yarı iletkenler karakterizasyonu için yararlıdır. Yine de, onun uygulama diğer malzemeler için örneğin, TiO₂²⁷^,²⁸^,²⁹^,³⁰da dahil olmak üzere fotoaktif malzemelerinde genişletilebilir.

Ayrıca, μ-PCD kenara TR-PL² ve TR-FCA önceki bölümlerde sunulan diğer iki taşıyıcı ömür boyu ölçüm teknikleri vardır. TR-PL gözlemler photoluminescence zaman değişimine neden taşıyıcı rekombinasyon tarafından TR-FCA değiştirmek gözlemliyorsa iken probe emme⁴ışık. Özellikle, ücretsiz taşıyıcı emme ışık enerji grubu gap taşıyıcı uyarma³sırasında ışınlanmış daha küçük ile oluşur. Yine de, bu iki karşılaştırıldığında, μ-PCD doğrudan elektrik iletkenlik mikrodalga tarafından gözlemler ve yüksek yüzey pürüzlülüğü ve sinyal duyarlılık, yapım o taşıyıcı ömür boyu ölçümü için yarı iletken cihaz uygulamaları için daha ideal yöntem vardır.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser Nagoya Teknoloji Enstitüsü tarafından Japonya desteklenmiştir.

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