表面光起電力

表面光起電力( SPV ) 測定は、半導体の少数キャリア拡散長を決定するために広く使用されている方法です。少数キャリアの輸送は半導体デバイスに広く見られるpn 接合の動作を決定するため、表面光起電力データはそれらのパフォーマンスを理解するのに非常に役立ちます。非接触法である SPV は、オーミック接触や特殊なデバイス構造の製造が難しい、あまり理解されていない複合半導体の特性評価によく使用される手法です。

名前が示すように、SPV 測定では、光源で電子正孔対を生成しながら半導体表面の電位を監視します。半導体の表面は、欠陥による内蔵電界が可動電荷キャリアを一掃した空乏領域(または空間電荷領域) であることがよくあります。キャリア密度が減少するということは、多数キャリアの電子エネルギーバンドがフェルミレベルから遠ざかることを意味します。このバンドの曲がりによって表面電位が発生します。光源が半導体の奥深くに電子正孔対を生成すると、それらは表面空乏領域に到達する前にバルクを拡散する必要があります。光生成された少数キャリアの拡散長は、放射再結合できるはるかに多数の多数キャリアよりも短くなります。したがって、照射時の表面電位の変化は、少数キャリアが表面に到達する能力、つまり少数キャリア拡散長の尺度になります。拡散プロセスでは常にそうであるように、拡散長は、式 によって寿命とほぼ関連しています。ここで、 は拡散係数です。キャリアの ドリフト動作とは対照的に、拡散長は組み込みフィールドとは無関係です。${\displaystyle L}$${\displaystyle \tau _{\mathrm {bulk} }}$${\displaystyle L={\sqrt {D\tau _{\mathrm {bulk} }}}}$${\displaystyle D}$

光生成した多数キャリアも表面に向かって拡散しますが、中程度にドープされた半導体では、熱生成した多数キャリア密度の割合としてその数は小さすぎて、測定可能な光電圧を生成できません。両方のキャリア タイプは背面コンタクトに向かって拡散し、拡散長がフィルムの厚さよりも大きい場合、それらの収集によってデータの解釈が混乱する可能性があります。実際の半導体では、測定された拡散長には表面再結合の影響が含まれており、これはキャリアの寿命への影響を通じて最もよく理解されます。 ${\displaystyle L_{\mathrm {meas} }={\sqrt {D\tau _{\mathrm {eff} }}}}$

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

ここで、は有効キャリア寿命、はバルクキャリア寿命、は表面再結合速度、はフィルムまたはウェーハの厚さです。十分に特性評価された材料であっても、表面再結合速度の値に関する不確実性により、薄いフィルムの拡散長を決定する精度が低下します。 ${\displaystyle \tau _{\mathrm {eff} }}$${\displaystyle \tau _{\mathrm {bulk} }}$${\displaystyle s}$${\displaystyle d}$

表面光起電力測定は、半導体材料のウェーハまたはシートフィルムを接地電極上に置き、ケルビンプローブをサンプルの少し上に配置して行います。表面は、産業用途では固定波長の光で照射されますが、モノクロメータを使用して波長をスキャンして光子の吸収深度を変える光で照射されることもあります。半導体のより深いところでキャリア生成が起こるほど、表面に到達する少数キャリアの数が少なくなり、光起電力は小さくなります。スペクトル吸収係数がわかっている半導体では、原理的には、光起電力と波長の測定から少数キャリアの拡散長を抽出できます。新しい半導体の光学特性はよくわかっていない場合や、サンプル全体で均一でない場合があります。SPV 測定テスト中は、半導体の温度を慎重に制御する必要があります。熱ドリフトにより、異なるサンプルの比較が複雑になります。通常、SPV 測定は、振動するケルビンプローブではなく、チョップ光源を使用して AC 結合方式で行われます。

少数キャリアの拡散長は、光伝導 検出器やバイポーラトランジスタなどのデバイスの性能を決定する上で重要です。どちらの場合も、拡散長とデバイス寸法の比によってゲインが決まります。光起電デバイス、フォトダイオード、電界効果トランジスタでは、通常の条件下では、内蔵電界によるドリフト動作が拡散動作よりも重要です。それでも、SPV は、デバイスのパフォーマンスを制限する不純物由来の再結合中心の密度を測定する便利な方法です。SPV は、生産環境での材料品質の自動および日常的なテストとして、またあまり研究されていない半導体材料の挙動を調べる実験ツールとして実行されます。時間分解フォトルミネッセンスは、少数キャリアの輸送特性を決定する別の非接触法です。

• ケルビンプローブ力顕微鏡
• 光反射率
• 走査型ケルビンプローブ

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• Schroder, Dieter K. (2001). 「表面電圧と表面光電圧: 歴史、理論、応用」. Meas. Sci. Technol . 12 (3): R16–R31. Bibcode :2001MeScT..12R..16S. doi :10.1088/0957-0233/12/3/202.
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• Freiberg Instruments は、産業用および科学用の SPV および少数キャリア寿命測定システムのベンダーです。
• 商用 SPV および少数キャリア寿命測定システムの Semilab ベンダー
• KPテクノロジーのケルビンプローブのベンダーおよびコンサルタント
• ASTM 規格 F391-96「定常状態表面光電圧の測定による外因性半導体の少数キャリア拡散長の標準試験方法」