Levensduur drager is een belangrijke parameter in de halfgeleiderfysica, die gebruikt wordt om de gemiddelde tijd te beschrijven dat niet-evenwichtsdragers (elektronen of gaten) in een materiaal overleven voordat ze recombineren. De waarde weerspiegelt rechtstreeks de kwaliteit en zuiverheid van het halfgeleidermateriaal en de potentiële prestaties van apparaten. Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg:
1. Basisdefinitie
Dragers:
Geleidende deeltjes in halfgeleiders, waaronder elektronen (negatieve lading) en gaten (positieve lading). Wanneer ze worden aangeslagen door licht, elektriciteit of warmte, gaan elektronen over van de valentieband naar de geleidingsband, waarbij elektron-gatparen worden gevormd (d.w.z. niet-evenwichtsdragers).
Levensduur drager:
De gemiddelde tijd vanaf het moment dat deze niet-evenwichtsdragers worden gegenereerd tot ze recombineren (elektronen vullen gaten), gemeten in microseconden (μs) of milliseconden (ms). Hoe langer de levensduur, hoe hoger de typische materiaalkwaliteit.
2. Waarom is het belangrijk?
Prestaties van halfgeleiderapparaten:
- Zonnecellen: Hoe langer de levensduur van de drager, hoe meer kansen fotogenererende elektron-gatparen hebben om door de elektroden te worden opgevangen, wat de omzettingsefficiëntie verbetert.
- Voedingsapparaten (bijvoorbeeld IGBT, SiC MOSFET): Een hogere levensduur vermindert de schakelverliezen en verbetert de spanningsbestendigheid.
- Sensoren/detectoren: Beïnvloedt reactiesnelheid en signaal-ruisverhouding.
Procesbewaking:
Een afname in levensduur kan duiden op materiaalvervuiling (zoals metaalonzuiverheden), kristaldefecten of processchade (zoals overmatige ionenimplantatie).
3. Factoren die de levensduur van dragers beïnvloeden
(1) Intrinsieke materiaaleigenschappen
- Bandkloofbreedte (Eg): Breedbandmaterialen (bijv. SiC, GaN) hebben over het algemeen een kortere levensduur van de drager (nanoseconden), terwijl silicium (Si) milliseconden kan bereiken.
- Kristalkwaliteit: Silicium met één kristal heeft een veel langere levensduur dan polykristallijn silicium (door de recombinatie van korrelgrenzen).
(2) Onzuiverheden en defecten
- Metaalonzuiverheden (Fe, Cu, enz.): Creëer recombinatiecentra en versnel dragerrecombinatie.
Voorbeeld: In silicium kan slechts 1 ppb (één deel per miljard) ijzeronzuiverheid de levensduur verkorten van 1000 μs tot 10 μs. - Dislocaties/Vacatures: Kristaldefecten vangen dragers, waardoor hun levensduur wordt verkort.
(3) Oppervlak en interface
- Recombinatie aan het oppervlak: Niet-gepassiveerde silicium waferoppervlakken bevatten bungelende bindingen die dienen als recombinatiecentra (kunnen onderdrukt worden met SiNx/Al₂O₃ passiveerlagen).
- Oxidelaag Lading: SiO₂/Si interface ladingen verhogen interface recombinatie snelheden.
4. Meetmethoden
| Methode | Principe | Toepassingsscenario |
|---|---|---|
| μ-PCD | Microgolf-gedetecteerd fotogeleidingsverval | Snel online testen (siliciumschijven voor zonne-energie) |
| QSSPC | Quasi-stationaire fotogeleiding meting van de diffusielengte van minderheidsdragers | Laboratoriummetingen met hoge precisie |
| PL (fotoluminescentie) | Leid levensduur af uit fotonintensiteit uitgezonden tijdens carrier recombinatie | Contactloos, geschikt voor dunne-filmmaterialen |
| TRPL (Tijd-opgelost PL) | Meet de vervaltijd van fluorescentie om direct de levensduur te verkrijgen | Voor halfgeleiders met directe bandbreedte (bijv. GaAs) |
5. Praktijkgeval: Hoe kwartsbuizen de levensduur van dragers beïnvloeden
- Overdracht van verontreiniging: Bij hoge temperaturen kan Na⁺ uit de kwartsbuis diffunderen in de siliciumwafers en recombinatiecentra vormen → verminderde levensduur.
- Kristallisatiedeeltjes: Devitrificatie (vorming van cristobaliet) in kwartsbuizen kan ertoe leiden dat deeltjes loskomen en zich hechten aan waferoppervlakken → verhoogde recombinatiesnelheid van oppervlakken.
Oplossing: Gebruik ultrazuivere synthetische kwartsbuizen (metaalonzuiverheden <0,1 ppm) en regel de procestemperaturen.
6. Typische industriële referentiewaarden
- Wafers van fotovoltaïsch silicium: >100 μs (PERC-cellen met hoog rendement hebben >500 μs nodig).
- Silicium van halfgeleiderkwaliteit: >1 ms (silicium met hoge resistiviteit voor geïntegreerde schakelingen).
- SiC epitaxiale lagen: ~0,1-1 μs (snellere recombinatie vanwege de brede bandkloof).
Samenvatting
De levensduur van dragers is de “gezondheidsindicator” van halfgeleidermaterialen. De waarde wordt gezamenlijk beïnvloed door het basismateriaal, onzuiverheden, interfaces en de procesomgeving. Door de zuiverheid van kwartsbuizen, de kwaliteit van flensafdichtingen en andere perifere componenten te optimaliseren, kan deze parameter indirect behouden blijven, waardoor de prestaties van het apparaat verbeteren.