MDP – микроволновая регистрация фотопроводимости

MDP – микроволновая регистрация фотопроводимости

Новый метод MDP хорошо подходит как для исследования дефектов, например, инжекционно-зависимое измерение времени жизни неосновных носителей заряда, так и для картирования пластин, подложек или даже брусков на поточной линии производства. Данный метод превосходит похожие конкурирующие методы регистрации (µ-PCD – микроволновое обнаружение спада фотопроводимости и QSSPC – квазистационарная фотопроводимость) с точки зрения разрешения, чувствительности и скорости.

Фотопроводимость, тесно связанная с длиной диффузии, измеряется по микроволновому поглощению во время и после возбуждения лазерным импульсом прямоугольной формы. На рис. 1 и 2 показан принцип измерения для метода MDP.

Рис. 1. Энергетическая схема принципа измерения методом MDP.

Генерация свободных носителей заряда
Ловушки, заполненные носителями заряда
Смещеннаяво времени рекомбинация переизлученных носителей
Тепловое переизлучение захваченных носителей заряда
Рекомбинация свободных носителей заряда

Рис. 2. Типовой MDP сигнал.

В частотно-стабилизированном микроволновом генераторе создается микроволна с частотой около 10 ГГц, которая разделяется на эталонную и измерительную составляющие. Мощность может регулироваться с помощью аттенюатора и обычно варьируется в диапазоне 1 – 100 МВт. Измеряемый образец располагается сразу за СВЧ-резонатором и является частью измерительной системы. Специальная диафрагма в стенке резонатора позволяет микроволновому полю проникать в образец. Таким образом, комплексная диэлектрическая проницаемость образца влияет на резонансную частоту и определяет потери в резонаторе.

Микроволновое поглощение избыточными носителями заряда регистрируется с помощью квадратурного IQ-детектора. Образец помещается на предметный XY-столик, что теоретически позволяет исследовать образцы любых размеров и перемещать их в горизонтальной плоскости. Для измерений, зависящих от температуры, образец должен быть частью системы криостата, поэтому для данного типа исследований размер образцов ограничен, но схема измерений та же самая.

Рис. 3. Блок-схема MDP устройства.

Сравнение с другими измерительными методами: µ-PCD и QSSPC

Помимо MDP метода, двумя другими наиболее важными бесконтактными методами измерения электрических свойств полупроводников являются µ-PCD – микроволновое обнаружение спада фотопроводимости и QSSPC – квазистационарная фотопроводимость. В настоящее время одна из самых больших проблем в фотоэлектрической промышленности состоит в том, чтобы получить сопоставимые друг с другом результаты измерений времени жизни носителей заряда различными методами. С помощью нашего нового инструментария появляется возможность для моделирования измерений как в установившемся, так и в неустановившемся режимах, что делает сравнение возможным.

µ-PCD метод

Данный метод обычно работает при очень больших инжекциях с очень коротким световым импульсом порядка 200 нс. Время жизни неосновных носителей заряда определяется с помощью фотопроводимости, аналогично MDP методу. µ-PCD регистрирует фотопроводимость, измеряя отражение микроволны на образце, что делает его менее чувствительным по сравнению с MDP.

QSSPC метод

Данный метод обнаруживает изменение проницаемости образца и, следовательно, проводимости за счет объединения образца катушкой с радиочастотным мостом. Интенсивность возбуждающего излучения медленно уменьшается, поэтому образец всегда находится в квазистационарном состоянии. Еще одним отличием от MDP является использование импульсного широкополосного света вместо монохроматического лазерного излучения в качестве источника возбуждения.

На рис. 4 показаны диапазоны инжекции, которые обычно используются различными методами для измерения времени жизни. Из анализа данной диаграммы становится ясно, что MDP превосходит другие методы, потому что он позволяет измерять более 7 инжекционных порядков величины.

Рис. 4. Сравнение методов MDP, µ-PCD и QSSPC по отношению к их типовым диапазонам инжекции.

При сравнении результатов измерений данными методами необходимо учитывать параметры инжекции, длину волны возбуждения, глубину проникновения микроволн, профиль носителей заряда и различное поведение ловушек, которые зависят от длительности импульса.

Таким образом, высокая чувствительность обнаружения, присущая MDP методу, позволяет использовать даже слабые лазерные импульсы с мощностью от мкВт до мВт и с неограниченной длительностью импульса. Следовательно, можно проводить измерения в не- и в установившемся режимах и непрерывно изменять длительность импульса от 100 нс до нескольких мс. Разрешение такой системы ограничено только диффузионной длиной исследуемого образца.

Помимо преимуществ скорости и чувствительности, главной особенностью MDP метода является возможность одновременного измерения фотопроводимости и времени жизни неосновных носителей заряда. Соответственно, из каждого измерения можно извлечь больше параметров, таких как длина диффузии, подвижность и даже динамика захвата.

Рис. 5. Типовая карта времени жизни носителей заряда в mc-Si подложке.

Рис. 6. Типовая карта фотопроводимости mc-Si подложки.