सेमीकंडक्टर्स में महत्वपूर्ण भौतिक मापदंडों में से एक के रूप में, कैरियर जीवनकाल इस के साथ साथ एक प्रोटोकॉल माइक्रोवेव, फोटोकंडेक्टिविटी क्षय विधि को रोजगार के माध्यम से मापा जाता है ।
इस काम के एक प्रोटोकॉल को रोजगार माइक्रोवेव, फोटोकंडेक्टिविटी क्षय (μ-pcd) अर्धचालक सामग्री में वाहक जीवनकाल के मापन के लिए, विशेष रूप से SiC प्रस्तुत करता है । सैद्धांतिक रूप से उत्तेजना द्वारा उत्पन्न अर्धचालक में अतिरिक्त वाहकों को समय के साथ संयोजित किया जाता है और बाद में साम्य अवस्था में वापस आ जाता है । इस पुनर्संयोजन के स्थिर समय को वाहक जीवनकाल, अर्धचालक सामग्री और उपकरणों में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर के रूप में जाना जाता है, जिसके लिए एक noncontact और nonविध्वंसकारी माप की आवश्यकता होती है, जो आदर्श रूप से-PCD द्वारा प्राप्त की जाती है । एक नमूने के विकिरण के दौरान, माइक्रोवेव का एक हिस्सा सेमीकंडक्टर नमूने द्वारा परिलक्षित होता है । सूक्ष्मतरंग परावर्तकता प्रतिदर्श चालकता पर निर्भर करती है, जिसका कारण वाहकों को माना जाता है । इसलिए, अधिक वाहकों के समय क्षय परिलक्षित माइक्रोवेव तीव्रता का पता लगाने के माध्यम से मनाया जा सकता है, जिसका क्षय वक्र वाहक जीवनकाल के आकलन के लिए विश्लेषण किया जा सकता है । परिणाम में अर्धचालक सामग्री और उपकरणों में वाहक जीवनकाल मापने में-PCD प्रोटोकॉल की उपयुक्तता की पुष्टि करें ।
अर्धचालकों में अतिरिक्त वाहक फोटॉनों के इंजेक्शन द्वारा प्रकाशिक रूप से उत्तेजित हो जाते हैं, जिसमें चालन तथा संयोजकता बैंड के बीच के अंतर से अधिक ऊर्जा होती है । उत्तेजित अतिरिक्त वाहकों, तो, एक इलेक्ट्रॉन द्वारा एक समय के भीतर छेद पुनर्संयोजन गायब-वाहक जीवनकाल के रूप में जाना जाता है, जो बहुत ऑपरेशन के दौरान अर्धचालक उपकरणों के प्रदर्शन को प्रभावित करता है । सेमीकंडक्टर उपकरणों और सामग्री के लिए महत्वपूर्ण मापदंडों में से एक के रूप में, वाहक जीवनकाल इन सामग्रियों में दोषों की उपस्थिति के प्रति बहुत संवेदनशील होता है, और आगे मूल्यांकन की एक सुविधाजनक विधि की आवश्यकता होती है । जे Warman और एम Kunst एक क्षणिक तकनीक वे समय हल माइक्रोवेव चालकता (TRMC) है, जो माइक्रोवेव अवशोषण के लिए अर्धचालक1में प्रभारी वाहक गतिशीलता का पालन शामिल नाम विकसित की है । अंय शोधकर्ताओं ने क्षणिक फोटो चालकता (TPC) का प्रस्ताव किया, अन्यथा माइक्रोवेव फोटोचालकता क्षय (μ-PCD) के रूप में जाना जाता है, जो अपने noncontact के कारण अर्धचालक उद्योगों में आमतौर पर अपनाया सामग्री योग्यता तकनीक है और कैरियर जीवनकाल के nondestructive माप । विशेष रूप से, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के लिए, तीन प्रमुख तकनीकों लागू: μ-pcd, समय का समाधान photoluminescence (tr-PL), और समय का समाधान मुक्त वाहक अवशोषण (tr-fca)2,3,4,5 ,6,7. इन तकनीकों में, μ-pcd सबसे व्यापक रूप से कार्यरत है क्योंकि अन्य दो की तुलना में यह सतह खुरदरापन संवेदनहीनता को दर्शाती है (यानी, किसी भी दिए गए विभिन्न सतह खुरदरापन8,9,10 के लिए औसत दर्जे का ) और उत्तेजित वाहक के लिए उच्च संकेत संवेदनशीलता (यानी, एक इष्टतम माइक्रोवेव घटक का उपयोग कर) । सामांय में,-pcd सिक और अंय अर्धचालक सामग्री में वाहक जीवनकाल मापन के लिए पसंद किया गया है2,5,6,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19।
माप प्रोटोकॉल और के सिद्धांत-pcd1,20,21 यहां विस्तृत है । सिद्धांत रूप में, यह एक जांच के रूप में परिलक्षित माइक्रोवेव का उपयोग करता है । यहाँ एक प्रतिदर्श त्(σ) का माइक्रोवेव परावर्तकता परावर्तित माइक्रोवेव तीव्रता च्(σ) तथा आपतित माइक्रोवेव तीव्रता च् के मध्य अनुपात के समतुल्य है जैसाकि समीकरण 1 द्वारा व्यक्त किया गया है:
1
एक नाड़ी लेजर के विकिरण द्वारा, एक नमूना σ की चालकता के लिए σ + Δσ; इसी प्रकार, त् (σ) r(σ+ δσ) में परिवर्तित हो जाता है । इस प्रकार, ΔR समीकरण 2 द्वारा दिया जाता है:
2
क्षोभ में (छोटे Δσ) सन्निकटन, त्(σ + δσ) टेलर श्रृंखला में उपज के लिए विकसित किया गया है
3
जबकि Δσ हो जाता है
, (4)
जहां ु प्राथमिक आवेश है,- च् होल गतिशीलता है,- द इलेक्ट्रॉन गतिशीलता है, तथा Δच् अधिक वाहक सांद्रता है । पिछले समीकरणों से,ΔR और Δp इससे संबंधित है
. 5
अधिक वाहक सांद्रता पर माइक्रोवेव परावर्तन की निर्भरता की अनुमति देता है-PCD अतिरिक्त वाहकों के समय क्षय का निरीक्षण करने के लिए, जिसका उपयोग हम सेमीकंडक्टर सामग्री के वाहक जीवनकाल का अनुमान लगाने के लिए कर सकते हैं ।
Μ-PCD प्रोटोकॉल में, चरण ४.७ सबसे महत्वपूर्ण बिंदु है । ई-एच ट्यूनर ई और एच विमानों में एक जंगम शॉर्ट सर्किट के साथ शामिल किया गया था, क्रमशः । इस प्रकार, ई ट्यूनर या एच ट्यूनर की शॉर्ट सर्किट चलती है आयाम और प्रतिबिंबित माइक्रोवेव के चरण बदलता है और संकेत आयाम अधिकतम । ट्यूनिंग क्षय वक्र की तरंग पर एक बड़ा प्रभाव है और कड़ाई से किया जाना चाहिए । जहां ट्यूनिंग मुश्किल हो सकता है एक कमजोर सिग्नल की शक्ति के मामले में, ट्यूनिंग औसत के कुछ दसियों इस्तेमाल किया जा सकता है. के लिए असफल ट्यूनिंग, μ-PCD क्षय घटता नमूनीय नहीं हैं; केवल आस्टसीलस्कप के शोर संकेत मनाया जाता है । चित्रा 2 इस तरह के एक मामले में आस्टसीलस्कप तरंग से पता चलता है.
यह उच्च प्रतिरोधक नमूनों को मापने के लिए आसान है के रूप में कोई कम चालकता सीमा है. जब नमूना प्रतिरोधकता कम है या जब नमूना गाढ़ा है, माइक्रोवेव की त्वचा प्रभाव नगण्य नहीं है । जब तक माइक्रोवेव के विद्युत क्षेत्र की तीव्रता 1/e बार हो जाती है तब तक दूरी को त्वचा की गहराई के रूप में संदर्भित किया जाता है, जिसे समीकरण 9 द्वारा व्यक्त किया जाता है:
9
जहाँ ω माइक्रोवेव की कोणीय आवृत्ति है, तथा ε, ρतथा-क्रमशः प्रतिदर्श के परावैद्युत स्थिरांक, प्रतिरोधकता तथा पारगम्यता का निरूपण करते हैं । एसआई और एसआईसी के मामले में, 10 GHz माइक्रोवेव के लिए लगभग δ मान 9 मिमी पर ५० ω पर ∙ सेमी, 10 ω पर 2 मिमी ∙ सेमी, 1 ω पर ५०० μm ∙ सेमी, और ०.१ Ω पर १५० μm पर ∙ सेमी थे । इसलिए, नमूनों के लिए ठेठ thicknesses (कई सौ माइक्रोन) से कम में ०.१ Ω ∙ सेमी δ सटीकता खो देंगे के साथ नमूने के लिए माप । दूसरी ओर, माइक्रोवेव और ऑप्टिकल विकिरण इस प्रोटोकॉल में वेफर के विपरीत से घटना कर रहे हैं । एक नगण्य त्वचा प्रभाव एक ही पक्ष से बेहतर माइक्रोवेव और ऑप्टिकल विकिरण इंगित करता है ।
निचली सीमाएं माइक्रोवेव के साथ अपनी पारस्परिक क्रिया के परिणामस्वरूप नमूने की प्रतिरोधकता और मोटाई पर निर्भर करती हैं । उच्च प्रतिरोधक नमूनों के लिए, अतिरिक्त वाहकों की विशिष्ट निचली सीमाएं 1012 सेमी− 3के क्रम पर होती हैं । दूसरी ओर, इलेक्ट्रॉन-होल प्रकीर्णन 1016 बउ− 3से अधिक अधिक वाहकों पर विचार किया जाना चाहिए, जैसा कि ref .13 में चर्चा की गई है ।
इस-pcd क्षय curves उच्च उत्तेजना में कोमल बन गया अतिरिक्त वाहक एकाग्रता के लिए माइक्रोवेव परावर्तकता की असमानता के कारण घनत्व कि समीकरण (3) अपनी वैधता खो देंगे13,25,26 और τ1/e का अधिक अनुमान लगाया जाएगा । चित्रा 8 से पता चलता है-pcd क्षय वक्र के एक रासायनिक यांत्रिक चमकाने सतह उपचार n-प्रकार 4h-इस Si पर उत्तेजना के साथ SiC-चेहरा २६६ एनएम द्वारा उच्च उत्तेजना तीव्रता के तहत ।
इसके अलावा, समय संकल्प एक उत्तेजना स्रोत, एक आस्टसीलस्कप, और एक एम्पलीफायर जैसे माप तंत्र के प्रदर्शन पर निर्भर करता है. उदाहरण के लिए, इस अध्ययन में, उपकरण एक स्पंदित लेजर के शामिल 1 एनएस की चौड़ाई उत्तेजना स्रोत के रूप में और एक आस्टसीलस्कप ५०० मेगाहर्ट्ज के एक आवृत्ति बैंड होने. नतीजतन, ंयूनतम औसत दर्जे का जीवनकाल 2 एन एस पर अनुमान लगाया गया था ।
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है——————————-। फिर भी, इसके आवेदन अंय सामग्री के लिए बढ़ाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, tio227,28,29,30सहित photoactive सामग्री में ।
इसके अलावा, एक तरफ से-PCD, TR-PL2 और TR-fca पहले वर्गों पर शुरू की अंय दो वाहक जीवन भर मापन तकनीक हैं । टी. आर.-पीएल वाहक पुनर्संयोजन के कारण प्रकाश-संदीप्ति के समय परिवर्तन को देखता है जबकि TR-FCA जांच के समय परिवर्तन लाइट अवशोषण4का अवलोकन करते हैं । विशेष रूप से, मुक्त वाहक अवशोषण तब होता है जब बैंड अंतराल से छोटी ऊर्जा के साथ प्रकाश वाहक उत्तेजन3के दौरान किरणित है । फिर भी, इन दोनों की तुलना में,-PCD सीधे माइक्रोवेव द्वारा विद्युत चालकता के अवलोकन और एक उच्च सतह खुरदरापन और संकेत संवेदनशीलता है, यह अधिक आदर्श विधि के लिए वाहक जीवनकाल मापन के लिए अर्धचालक डिवाइस अनुप्रयोगों.
The authors have nothing to disclose.
इस काम को जापान के नागॉया इंस्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलजी ने सपोर्ट किया ।
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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 |
Gun diode | Microsemi https://www.microsemi.com/ | MO86751C | Microwave generation source |
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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 |
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