Поверхностное фотонапряжение

Измерения поверхностного фотонапряжения ( SPV ) являются широко используемым методом определения длины диффузии неосновных носителей заряда полупроводников . Поскольку транспорт неосновных носителей заряда определяет поведение pn-переходов , которые повсеместно встречаются в полупроводниковых приборах, данные поверхностного фотонапряжения могут быть очень полезны для понимания их производительности. Как бесконтактный метод, SPV является популярным методом для характеристики плохо изученных составных полупроводников, где изготовление омических контактов или специальных структур устройств может быть затруднено.

Как следует из названия, измерения SPV включают мониторинг потенциала поверхности полупроводника при генерации пар электрон-дырка с помощью источника света. Поверхности полупроводников часто представляют собой области обеднения (или области пространственного заряда ), где встроенное электрическое поле из-за дефектов выметает подвижные носители заряда. Уменьшенная плотность носителей означает, что электронная энергетическая зона основных носителей отклоняется от уровня Ферми . Этот изгиб зон приводит к возникновению поверхностного потенциала. Когда источник света создает пары электрон-дырка глубоко внутри полупроводника, они должны диффундировать через объем, прежде чем достигнуть области обеднения поверхности. Фотогенерированные неосновные носители имеют более короткую длину диффузии, чем гораздо более многочисленные основные носители, с которыми они могут излучательно рекомбинировать . Таким образом, изменение поверхностного потенциала при освещении является мерой способности неосновных носителей достигать поверхности, а именно длиной диффузии неосновных носителей. Как всегда в диффузионных процессах, длина диффузии приблизительно связана со временем жизни выражением , где - коэффициент диффузии . Длина диффузии не зависит от каких-либо встроенных полей в отличие от дрейфового поведения носителей.${\displaystyle L}$${\displaystyle \tau _ {\ mathrm {bulk} }}$${\displaystyle L={\sqrt {D\tau _ {\ mathrm {bulk} }}}}$${\displaystyle D}$

Обратите внимание, что фотогенерированные основные носители также будут диффундировать к поверхности, но их количество как доля термически генерируемой плотности основных носителей в умеренно легированном полупроводнике будет слишком мало, чтобы создать измеримое фотонапряжение. Оба типа носителей также будут диффундировать к заднему контакту, где их сбор может запутать интерпретацию данных, когда длины диффузии больше толщины пленки. В реальном полупроводнике измеренная длина диффузии включает эффект поверхностной рекомбинации, который лучше всего понять через его влияние на время жизни носителей:${\displaystyle L_{\mathrm {meas} }={\sqrt {D\tau _ {\mathrm {eff} }}}}$

${\displaystyle {\frac {1}{\tau _{\mathrm {eff} }}}={\frac {1}{\tau _{\mathrm {bulk} }}}+{\frac {2s}{d}}}$

где — эффективное время жизни носителей, — время жизни объемных носителей, — скорость поверхностной рекомбинации, — толщина пленки или пластины. Даже для хорошо охарактеризованных материалов неопределенность относительно значения скорости поверхностной рекомбинации снижает точность определения длины диффузии для более тонких пленок.${\displaystyle \tau _ {\ mathrm {eff} }}$${\displaystyle \tau _ {\ mathrm {bulk} }}$${\displaystyle с}$${\displaystyle д}$

Измерения поверхностного фотонапряжения выполняются путем помещения пластины или листовой пленки полупроводникового материала на заземляющий электрод и размещения зонда Кельвина на небольшом расстоянии над образцом. Поверхность освещается светом с фиксированной длиной волны в промышленных приложениях или светом, длина волны которого сканируется с помощью монохроматора, чтобы изменять глубину поглощения фотонов. Чем глубже в полупроводнике происходит генерация носителей , тем меньшее количество неосновных носителей достигнет поверхности и тем меньше фотонапряжение. На полупроводнике, спектральный коэффициент поглощения которого известен, длина диффузии неосновных носителей в принципе может быть извлечена из измерения фотонапряжения в зависимости от длины волны. Оптические свойства нового полупроводника могут быть недостаточно известны или могут быть неоднородными по всему образцу. Температура полупроводника должна тщательно контролироваться во время теста измерения SPV тепловой дрейф усложняет сравнение различных образцов. Обычно измерения SPV проводятся в режиме переменного тока с использованием источника прерывистого света, а не вибрирующего зонда Кельвина.

Длина диффузии неосновных носителей имеет решающее значение для определения производительности таких устройств, как фотопроводящие детекторы и биполярные транзисторы . В обоих случаях отношение длины диффузии к размерам устройства определяет коэффициент усиления . В фотоэлектрических устройствах, фотодиодах и полевых транзисторах дрейфовое поведение из-за встроенных полей более важно в типичных условиях, чем диффузионное поведение. Тем не менее SPV является удобным методом измерения плотности примесных рекомбинационных центров, которые ограничивают производительность устройства. SPV выполняется как в качестве автоматизированного и рутинного теста качества материала в производственной среде, так и в качестве экспериментального инструмента для исследования поведения менее изученных полупроводниковых материалов. Фотолюминесценция с временным разрешением является альтернативным бесконтактным методом определения свойств переноса неосновных носителей.

• Микроскоп с зондом Кельвина
• Фото-отражение
• Сканирующий зонд Кельвина

• Шредер, Дитер К. (2006). Характеристика полупроводниковых материалов и устройств . Wiley-IEEE Press. ISBN 978-0-471-73906-7.
• Шредер, Дитер К. (2001). "Поверхностное напряжение и поверхностное фотонапряжение: история, теория и применение". Meas. Sci. Technol . 12 (3): R16 – R31 . Bibcode : 2001MeScT..12R..16S. doi : 10.1088/0957-0233/12/3/202.
• Kronik, L.; Shapira, Y. (1999). "Явления поверхностного фотонапряжения: теория, эксперимент и приложения" (PDF) . Surface Science Reports . 37 (1): 1– 206. Bibcode :1999SurSR..37....1K. CiteSeerX  10.1.1.471.8047 . doi :10.1016/S0167-5729(99)00002-3. Архивировано из оригинала (PDF) 2005-03-12 . Получено 2008-07-03 .

• Freiberg Instruments — поставщик промышленных и научных систем измерения срока службы SPV и неосновных носителей заряда
• Поставщик полулабораторных систем коммерческого измерения срока службы SPV и неосновных носителей
• Поставщики и консультанты KP Technology по зондам Кельвина
• Стандарт ASTM F391-96 «Стандартные методы испытаний длины диффузии неосновных носителей заряда в примесных полупроводниках путем измерения стационарного поверхностного фотонапряжения»