第28卷第3期 物理学报 Vol 28, No. 3 1979年5月 ACTA PHYSICA SINICA May,1979 用阶跃恢复法测定砷化镓结型(pn 和MS结)两极管的载流子寿命*1) 王渭源 (中国科学院上海冶金研究所) 提 要 本文报告了我们用阶跃恢复法测定砷化镓两极管载流子寿命的初步结果。首先,对硅阶 跃两极管用反向恢复法和阶跃恢复法两种方法测寿命经比较结果,数据相当符合。在此基础 上提出了阶跃恢复法的测试条件,并认为这一方法测得的pn结两极管寿命即少数载流子寿 命。然后,用阶跃恢复法测定了砷化镓p-n结两极管的少数载流子寿命。我们也测定了砷化 镓M-S结两极管的寿命,经过分析,认为它不是少数载流子寿命 引言 少数载流子寿命是半导体材料和器件的一个重要参量.少数载流子寿命对晶体三极 管、太阳能电池、阶跃管、开关管以及一些I-V族化合物的发光管等等,都有影响.通过 少数载流子寿命的测定,将使我们对材料的深复合中心的行为有所了解 硅、锗材料少数载流子寿命的各种测定方法,曾由Bui作过归纳, Milnes2)对测试方 法作了评述。在砷化镓方面,由于少数载流子寿命短至10-或更低的数量级,给测定 带来极大困难,六十年代,Hium& Holeman1和 KoJyaHOBa, HacJieAOB从测定砷化镓 光电导和光磁效应来计算少数载流子寿命,但此后我们不曾看到运用这一方法的报道.后 来陆续有一些作者从测定少数载流子扩散长度来计算少数载流子寿命( Ashley& Biard, KycTOB, Op JTOBG, Ambridge等, Hwang),利用测定两极管从正向偏置转向反向偏置 的瞬态特性中的存储时间或恢复时间或两者之和,可以获得少数载流子寿命(以下简称 反向恢复法, Kingston, Baranowski& Forster1),Moll等田,Dean&Neus, Wayne& Edward1),但这种方法受脉冲讯号源上升时间的限制,可测的少数载流子寿命限于≥ 5×10-0sec,我们注意到 Krakauer提出的利用两极管在正弦波作用下电荷存储阶 跃恢复特性测两极管的寿命(以下简称阶跃恢复法),方法简便,可测<10-°se数量级,但 由于原文作者对两极管寿命的物理意义和测试条件未作讨论,故仅为少数作者所利用 (Saltich Chark s) 本文中,我们报告了利用阶跃恢复法测两极管载流子寿命的初步结果 1978年4月24日收到 1)测试中,张镇瑶,伍炳权同志给予不少帮助,特此致谢
物理学报 28卷 实验方法 1.实验所用的两极管实验所用两极管计三种:()硅阶跃两极管两只,硼扩散 缓变pn结,测试编号Si-D-1及S-D-2.(i)砷化镓锌扩散台面p+-n结两极管七只, 中18mm同轴封装,测试编号 GaAs-D-1至 GaAs-7(系用不同编号的若干片n+-n外延 片制备外延层厚度d=2-3m,晶向(100),n=3-8×106cm-).两极管R(25mA) 15-29,V(-1A)~10V,C;=0.62-0.14pf(按C;大小次序编号).(i)砷化镓 Ni·Cr- n GaAs肖脱基势垒接触平面两极管五只,φ18mm同轴封装,测试编号GaAs-D* 至 GaAs*-5(系用三个编号的n+-n外延片制备,但参数比较接近,d=0.8m,晶向 〈100>,n=9×101cm-3).两极管R(25mA)=15-2,VB(-1A)=5-7V,C;=0.51 0.28pf(按C;大小次序编号) 2阶跃恢复法测试原理及装量图1表示两极管上施加正弦波电压 E, sin tot的 电流瞬态特性。理想的开关两极管没有反向导电,当有电荷存储时两极管在反向半波内, 有一个短促的通导时间然后突然截止1.但我们发现,改变正弦波的角频率a(=2xf), 两种情况可以互为转化(同一个两极管)降低可成为“开关”,提高O可过渡到“电荷 存储”.仔细考察电荷存储两极管,电流落后电压一个角度θ,而电流达到反向峰值i突 然截止之点总储存电荷Q()=0(分别参见图1(c和1(d) Einer Epc+ψ 0 电流0 理想的(b 开关两极管 存储两极管(9 n,∠ 图1施加正弦波电压后两极管的瞬态 根据存储电荷连续性方程式,当0≤r≤0.3和0≤sin0≤0.3, Krakauer导得1 07= (1) 而在正向导通时, n,=Bn=由
3期王滑源:用阶跃恢复法测定砷化镓结型(p-n和M-S结)两极管的载流子寿命343 于是有 或可写为 ip,f 式中,τ是两极管载流子寿命,但原文作者对r的物理意义未作讨论.ψ是两极管的正 向压降,R是迴路总阻抗.我们注意到当Ep选取10伏数量级,ψ/Ep<1,于是 为了满足or≤0.3,要求ip/p≤0.3.这提示,测定一个未知r的两极管,(=2xf)应 选取使i,/n≤0.3.另外,实验中发现,当选得较低以至in/ip<0.1时,测得的r 误差较大,原因是过小的,在示波器上无法读准,图2(a)系实际测定两极管r的测试 方框图.由于实际两极管中除正向和存储导电外还有电容性导电,有时取样示波器上观 察到的电流波形将如图2(b)所示(图1(c)系理想的电荷存储两极管).根据取样示波器 上显示的电流波形,可读出i,和ip,必须指出,并不是从基线而是从电容性导电延 长线读出,原因是要消除电容性导电的贡献.改变高频讯号源的f使图示的inm/ip, 在0.15-0.3间是测准两极管τ的一个关键,测准τ的其他条件还有:稳定的正弦波信 XG-13 Y140A 30420m;衰减 被测的两极管衰减器 取样示波器 3-160mc1 高频信号源 图2(a)阶跃恢复法测两极管载流子寿命装置 线 1电容性导电正向导电储导电 图2(b)测试时取样示波器上观察到的电流波形11
344 物 报 号源以及采取适当的措施保证施加于两极管的正弦波不失真(改变衰减器) 附带指出,当实验中无法提高Ep,例如E~3V,则必须利用(4)式以计算r,但测准 的条件仍可利用选择f使i,/in,在0.15-0.3之间 3反向恢复法测试原理及装置 Kingston,Mo等人田详细分析了处于正向偏置 的两极管突然转到反向偏置后两极管的电压和电流瞬态特性,对于缓变pn结两极管,得 (6) I& IK 式中,τ是pt-n结中n材料中的少数载流子(空穴)寿命,是正向偏置电流,Ik是脉冲讯 号源在二极管上施加反向偏压后流过二极管的反向电流.在我们的测试条件下,I可取 5,35和2mA三个数值,Ik则仅能取40mA一个数值.在取样示波器上可清楚地读出存 储时间t,为了测准t2,要求脉冲讯号源的前沿《t1,在我们条件下前沿为25×10-0ec 因此可满足10-s的测试。具体的测试装置已为大家熟知,不再复述 根据(6)式,从已知的IP,IR和测得的t,可算得少数载流子寿命rp 、实验结果 1.硅阶跃两极管图3,4表示用阶跃恢复法测量硅阶跃管S-D-1和S-D-2寿命 r的结果.由于硅管ψ<1V,而实验中E,~8V,因此(5)式关系成立(图3).几次测 定S-D-2发现,当0.35<ip/in,<0.1,数据偏离直线关系.根据直线范围内直线的斜 Si-D- 025 Si-D-2 0063i/→增加 0.20 0076 324b04 图3阶跃恢复法测硅阶跃管所得的i,/, 图4阶跃恢复法测得的硅阶跃管少数载流子 与f的关系(参见文中(5)式) (空穴)寿命(E~8V)
3期王渭源:用阶跃恢复法测定砷化镓结型(p-n和M-S结)两极管的载流子寿命345 率可算得τ(注意直线并不通过零点).另一方面,我们也可利用(5)式将逐点f与ipr/i,t 代入而计算τ(意即每一实验点都通过零点),Si-D-2的结果见图4.从图4可清楚看 出,为了算得较准确的r,in/ip应选在015-0.3之间.两种计算方法算得的r基木 致(表1) 表1硅阶跃管少数载流子寿命 测得的少数载流子寿命p(10-e) 测试方法 Si-D- 1U.8,14.5,12.6 1U.6 阶跃恢复法 Si-D-2 6.5 Si-D-l 反向恢复法 Si-D-2 56,5.8,68 4.8 1)一系列数据的平均值(图4) 图5是用反向恢复法测量SD1及 S-D-2少数载流子寿命τp的结果.根 据(6)式,可从图5直线斜率(并不通过 零点)或逐点代入(表示每一实验点通过 零点)计算τ.结果也在表1中列出,可 见所得数据相当接近 比较表1两种测试方法,数据相当 符合.鉴于大家公认用反向恢复法可测 S-D-1 少数载流子寿命,因此可以认为用阶跃 0 恢复法测得的,对pn结来说即是少 03 数载流子寿命。在目前情况是n型硅中 空穴寿命 05 2.砷化镓pt-n结两极管初步 的实验表明,这类管子的存储时间已接 近脉冲讯号源的前沿时间(25×10-0 sec),故无法利用反向恢复法测量少数载 U20.04000080.100.20. 19 流子寿命.图6用上节实验已验证的阶 IF/I(40mA) 跃恢复法对砷化镓pt-n两极管进行测 图5反向恢复法测硅阶跃管所得的与 定,图中列出部分结果(其他管子关系类 同,从略)。据此,我们可从逐点代人或直线斜率分别算得少数载流子寿命(砷化镓管 ψ<1V,实验时Ep~8V,仍用(5)式关系),见表2,这里p+102cm-3,n3-8×10cm 是p+-n结,因此表2中少数载流子寿命是 n-GaAs的空穴寿命rp 表2中两种计算方法所得的v有些差别,后者约高出前者10-20%,系由于后一方 法直线不通过零点所致,目前尚不能肯定那种方法较好暂取它们的平均值列于表
346 学报 As-D-5 GaAs-D-2 图6阶跃恢复法测量砷化镓p-n结两极管所得的ip,/p,与 f的关系和少数载流子寿命(Ep~8V,参见文中(5)式) 表2砷化镓p+-n结两极管的少数载流子寿命 测得的少数载流子寿命r(10-"sec) 从逐点代入1) 从直线斜率 GaAs-D-3 2.4 GaAs-D-s 6.5 7, GaAs-D-6 1.G 19 GaAs-D-7 1)类似图6上部那样的一系列数据的平均值 3砷化镓Ni·cr- nGaA势垒接触两极管阶跃恢复法对部分管子的测试结果 示于图7.这里E~3V.对于Ni· CrnGaAs势垒接触,ψ取075V’,于是(1一串/E1) =075V,故应用(4)式以计算.五个管子的全部结果列于表3.由于现在情况下测试 频率选得很高(为了满足ipm/in在015-0,3之间),故ip/ip与f的直线延长后几乎都 可通过零点,因此从直线斜率或逐点代人所得结果,几乎相同,表3中就不再分别列出 可以看到,这里的τ值比表2扩散的p+-n结低了许多,约百分之五十至一个数量级.我 们认为这里的τ值并不就是n材料的少数载流子寿命 四、讨论 1测试方法至今,文献中报道的能测准砷化镓少数载流子寿命(10-至10-0e) t)我们曾测定了Ni·. Cr-nGaAs势垒接触的(1/C)V关系V是加在MS结上的反向偏压,C是电容经外插 至(1/C)→0,得电压轴的截距v=0.75V,这里取ψ~V
3期王滑歌:用阶跃恢复法测定化像结型(GP和M结)两极管的载流子命34 的方法不多.六十年代初使用的 PC-PEM法,根据 Hilsum holeman的意见,可测至 10-8e,在10-c数量级用其他方法进行过核对,但测至10--10-cec没有用其他方法 表3砷化镓M-S结两极管的τ值 测得的t(10-1ec) GaAs-D-l GaAs-D中-1 GaAs-D4-2 GaAs-D*-4 GaAs-D-5 、,,N 核对过。这一方法从六十年代后期起就 不见再有人应用。另一种方法是从测定 0 GaAs-D-I 少数载流子扩散长度Lp结合少数载流 子扩散系数Dp的估计以算得r2,但 遭到Casy,Jr.等人的反对,自此以 后一些作者仅测量L(或L)而不再利 GaAs-D'-5 用此法计算,Dean, NeuseLl介绍的方 法,据称可测量之5×10-10c,但他们 所用的脉冲25×10-0e,我们认为测 定10-°sec比较可信.最近, Hwangs用 Amc) GaAs光吸收和发光测得Lp,结合用发 图7阶跃恢复法测砷化镓M-S结两极管所 光相移技术测得相移角而算得rp,但 ip,l/p,与f的关系和值(E~3V参见文中( 方法本身是否用其他方法核对过,作者未作交待 现在我们所用的阶跃恢复法在所测的少数载流子寿命10-sc数量级已经反向恢复 法核对,寿命在10-10-10-sc也可测量,但尚未用其他方法核对 2.砷化镓p+-n结两极管中n材料的少数载流子寿命和砷化镓MS结两极管的r 测试技术的困难,加上少数载流子寿命强烈地受深中心杂质和缺陷的影响,必定引起测试 结果的离散,这在表2结果和国外文献中已反映出来。例如:同样用 PC-PEM法测Tp Hilsum& Holeman对n10“cm3测得10--10-0sc,而 KoryaHoBa, HacteoBE数据在 n4×101cm-3高一个数量级,为10-8-10-se4;从扩散长度推算v,即使在相同n范围 内波动更大,为10-8-10-2sc.-mn;最近, Hwang的数据达10-bs413.这方面的工作有待 今后深入研究. 对M-S结,测得的(表3),我们认为并不就是少数载流子寿命,因为相似的材料少 数载流子寿命不可能有百分之五十至一个数量级的差别(与表2比较).事实上,M-S结 两极管是一种低注入条件下的多数载流子器件,在正向偏压足够大时,少数载流子注人比 y和存储时间τ可分别表示为20
348 理学报 28 这里,J和J分别表示正向电流密度和饱和电流密度A/cm3,n;和ND分别为本征和n 型材料的载流子浓度cm-3,L,是空穴扩散长度cm,p2和n分别为空穴和电子迁移率 cm2/V·se.我们注意到300K时n(GaAs)=11×10cm-,对于Nb~10"cm-3,P和 pn分别取300和4,000m/V·ec,L,2×10-m42,而J~5×10-4/cm2,即使当 J=105/m2时,y和r值仅各为18×10-10和7×10-se,因此少数载流子的影响可以 忽略不计, Kahng, Dasars52对Au-nSi势垒两极管的响应时间作了分析和测定,认为在低 电流下响应时间主要受电子(多子)渡越势垒区时间r影响,可近似表示为r;~W 在此,W是耗尽区宽度,V是漂移速度。取v(GaAs)10cm/sc(典型情况),W~0.1{m (ND10cm-3零偏压)2,得r2~1×10-2se,.低于表3结果,故他们的意见并不正确 Merkels,Hll认为势垒结开关两极管的响应时间为引线电感L:和结电容C的串联谐 振所决定,记作c,可表示为 2IVL L的实测值为0.3nH(典型数据),表3各编号管子的C;依次为0.51,0.48,0.34,0.3和 028pf,计算的tc各为73,7.0,5.9,5.8,54×10-1s,与表3的τ值非常一致.因此, 用阶跃恢复法测得的M-S结两极管的τ不是少数载流子寿命,在我们目前的条件下,可 能是两极管L:C;的串联谐振时间常数 参考文献 [1] W. M. Bullis, Document AD 674, 697. National Teehnieal Information Service, springfield Virginia(1968) [2] A G. Milnes, Deep Impurities in Scmieonduetors, Wiley-Interseience Publication(1973),207- [3] C. Hilsun, B. Holeman, Proe. Internationa Conf on Semiconductor Physies, Prague (1960) [4] H. M. KoJtaHoBa, A. H. HacnienoB, usuKa rBepdoeo re aa, 8(1966), 1097. [5] K. I. Ashley, J. R. Biard, Trans. IEEE, ED-14(1967),429. [6] B T. KycToB, B. I. OpJoB, usuKa u rexHuKa no ynpoeodHuKo8, 3(1969),1728. [7]T. Ambridge et al, J. Appl. Electrochemistry, 3(1973),I [8] C. J. Hwang, J. Appl. Phys., 40(1969),3731 [9]R. H. Kingston, Proc. IRE, 42(1954),829 [10] A. E. Bakanowski, J. H. Forster, Bell System TechJ, 39( 1960),87 [11] J. L. Moll, S. Krakauer, R. Shen, Proc. IRE, 50(1962),43 [12] R. Y. Dean, C. J. Neuse, IEEE Trans., ED-18(1971),151 [13] Lo. Wayne, s. Edward, Solid State Electronics, 17(1974), 113. [14] S. M. Krakauer, Proc. IRE, 50(1962),1665 [15] J. I. Saltich, I. E. Clark, Solid State Electronics, 13(1970),857 [16] H.A. Watson, Microwave Semieonduetor Devices and Their Cireuit Applieations(1969),113 [17]且,C.Case,Jr,, J. AppL. Phy8,44(1973),1281 [18]C.J. hwang,J.dpp.Phys,42(1971),4408 [19 D. L. Scharfetter, Solid State Electron, 8(1965),299 [20 S. M. Sze, Physies of Semieonductor Devices(1969),40 [21] D. Kahng L. A. D'asars, Bell System Tech J, 43(1964), 225. [22] S. M. Sze, Physies of Semiconductor Devices (1969),59, 89 [23]J. Merkels, R, D. Hall, IEEE Solid State Circuits, SC-7( 1972),50
3期王渭源:用阶跃恢复法测定砷化镓结型(P-n和M-s结)两极管的载流子寿命349 MEASUREMeNt OF CARRIER LIFE TIME OF GaAs DIODES WITH P-n AND M-S JUNCTIONS BY STEP RECOVERY METHOD WANG WEI-YUAN Shanghai Institute of Metallurgy, Academia Sinica) ABSTRACT This paper presents some preliminary results on the measurement of carrier life. time of Gaas diodes by the step recovery method. The lifetime of Si recovery diodes with Boron diffused p-n junction has been measured by the reverse recovery and step ly consistent, indicating that it meets the requireme of the step recovery method sufficiently well. Therefore, it is suggested tha diode lifetim btained is equal to the minority carrier lifetime of GaAs diodes with p-n junction has been determined. The lifetime of GaAs diodes with M-S schottry barrier has also been measured. In this suggested from a prelim not the minority carrier lifetir
