Lebensdauer von Minderheitenträgern
Die Lebensdauer der Minoritätsträger ist einer der wichtigsten und aussagekräftigsten Materialparameter. Sie reagiert äußerst empfindlich auf geringste Mengen an Verunreinigungen oder intrinsischen Defekten und ist daher ein idealer Parameter für die Inline-Charakterisierung der Materialqualität und die Prozesssteuerung. Sie ist für die Leistungsfähigkeit vieler Halbleiterbauelemente von entscheidender Bedeutung. Die Minoritätsladungsträgerlebensdauer ist definiert als die durchschnittliche Zeit, die ein überschüssiger Minoritätsladungsträger benötigt, um zu rekombinieren. Sie hängt stark von der Stärke und Art der Rekombinationsprozesse im Halbleiter ab.
Die wichtigsten Arten der Rekombination sind:
SRH-Rekombination ⇒ über Defekte
Auger-Rekombination ⇒ über einen Dreiteilchenprozess
intrinsische oder strahlende Rekombination ⇒ über Band-zu-Band
\(\cfrac{1}{\tau_{bulk}} =\cfrac{1}{\tau_{SRH}} + \cfrac{1}{\tau_{Auger}} + \cfrac{1}{\tau_{rad}}\)
Bei Silizium ist SRH oft der dominierende Rekombinationsmechanismus. Die Lebensdauer der Minoritätsträger im Volumen hängt dementsprechend von der Anzahl der vorhandenen Defekte und deren Rekombinationseigenschaften ab. In Silizium kann die Lebensdauer bis zu 1 ms betragen, während sie in einem direkten Halbleiter wie GaAs, in dem die intrinsische Rekombination dominiert, nur im Bereich von ns bis µs liegt. Neben den Defekteigenschaften hängt die Minoritätsladungsträgerlebensdauer vom Injektionsniveau (Überschussladungsträgerkonzentration) und der Dotierungskonzentration ab. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen diese Abhängigkeiten für alle verschiedenen Lebensdauern.
Fig. 2: injection dependence of all important recombination rates
Fig. 3: doping dependence of all important recombination rates
Die gemessene effektive Lebensdauer setzt sich aus der Volumenlebensdauer und der Oberflächenlebensdauer zusammen, die von den Oberflächeneigenschaften einer Probe abhängt. Daher muss die Oberfläche passiviert werden, wenn Sie die Volumeneigenschaften Ihrer Probe messen möchten. Wenn Sie die Qualität der Oberflächenpassivierung untersuchen möchten, empfiehlt sich ein FZ-Si-Wafer, da die Volumenrekombination vernachlässigt werden kann.
\(\cfrac{1}{\tau_{eff}} = \cfrac{1}{\tau_{bulk}} + \cfrac{1}{\tau_{surface}}\)
Außerdem hängt die gemessene effektive Lebensdauer von der Messmethode ab. Weitere Einzelheiten finden Sie unter:
[1] S. Rein, Lifetime Spectroscopy – A Method of Defect Characterization in Silicon for Photovoltaic Applications, Band 85 (Springer, Berlin Heidelberg, 2005)
[2] D. K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization, 2. Aufl. (John Wiley & Sons, New York, 1998)
