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Charge Carriers diffusion length in boron doped diamond layers by cathodoluminescence
J.C. Piñero1, M. Paz Alegre1, D. Araújo1, M.P. Villar1, M. Kadri2, P.N. Volpe2, A. Fiori2, E. Bustarret2
1Dpto. Ciencias de los Materiales, Universidad de Cádiz, 11510, Puerto Real (Cádiz), Spain.
2Institut Néel, CNRS, 25 Avenue des Martyrs, BP 166, 38042 Grenoble, France.
Despite the exceptionally known electronic properties of diamond, it still suffer from lack of knowledge on some carrier transport parameters. In particular, the influence of doping, point defects and extended defects on the decay of the carrier lifetime and diffusion length has not been, to our knowledge, quantified. This is not only interesting from the point of view of fundamental physics but also for the development of diamond related devices, whose mobility plays an important role. The latter can be obtained by Hall measurements [1], or recombination lifetimes through time-resolved methods [2]. Here, evaluation of carrier diffusion length, using a CL setup, on boron-doped homoepitaxial layer is presented.
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| Fig. 1: Schematic description of the sample preparation by FIB at the edge of the sample |
A systematic study changing the boron content is carried out; a cross sectional method (see fig.1) has been developed using a FIB (Focused Ion Beam) to remove material and make accessible the layer from the edge of the sample. Carrier recombination peaks present only in the substrate are used to detect carrier transport from the layer (see fig.2a). To minimize effect of the extended generation of e-h (electron-holes, first effect: the pear shaped volume of interaction between incident high energetic electron of the e-beam and diamond material, second effect: the size of the e-beam spot) special attention has been dedicated to the e-beam voltage and current to keep the lateral extension of e-h pair generation at full width half maximum (FWHM) below 0.2 µm.
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| Fig. 2: Monochromatic CL micrograph at 503nm (a) that allows to extract the minority carrier diffraction length (see Fig. 2B) from the CL intensity linescan (b). |
Diffusion length is shown to decrease with the boron content from LD = 1.6µm at [B] = 1·1015at/cm3 to LD = 1.0µm at [B] = 1·1020at/cm3. A good agreement is obtained comparing these results to that obtained by the Einstein relation using mobilities previously published [3].
Curioseando con el pozo cuántico
Asumiendo que la distribución de carga en una lámina de diamante es gaussiana (es decir, que realmente la transición de la zona dopada a la no dopada es gradual y no abrupta), he empezado a curiosear en los pozos cuánticos que se consiguen en estas estructuras. Si bien son resultados preliminares y sin ninguna relevancia, me alegra haberlos conseguido "tan pronto", así que os voy a dejar una imagen del pozo... espero dejaros pronto también los estados de la función de onda en este pozo:
Primeros estudios por CL de difusión de portadores
Hace tiempo que no os pongo al corriente de cómo van mis investigaciones... pues bien, de momento estoy intentando disponer de todos los datos que necesitaré para construir el dispositivo en un futuro. Entre esos datos se encuentran la completa caracterización eléctrica del material que estudio. En Cádiz, sólo puedo hacer estudios de difusión (y con una resolución mejorable). En la actualidad, ando enfrascado en la producción de maquinaria más precisa para las medidas que necesito. Respecto de los resultados de difusión y movilidad de portadores... espero exponerlos en la presentación de la tesina en Diciembre, para entonces los subiré al blog también.
De momento, os dejo un esquemita del experimento que vengo desarrollando; os dejaría los planos del montaje que estoy diseñando, pero quiero patentarlo antes =P
Difusión de portadores en diamante
Bueno, hace algún tiempo que no hablo nada al respecto de mi proyecto de investigación... Así que voy a poner el blog un poco al día.
Desde hace algún tiempo vengo investigando la longitud de difusión de portadores en diamante (la distancia que un portador de carga recorre antes de recombinarse). Resulta que en el diamante esta longitud es muy superior a la de otros materiales (se dice que los portadores tienen mucha movilidad). Estoy haciendo un estudio comparativo de longitudes de difusión de varias muestras de diamante con distinto dopado, lo que permitirá determinar las condiciones óptimas de crecimiento (donde difunda más, habrá menos defectos de crecimiento). A grandes rasgos ésto es lo que estoy haciendo ahora mismo, algo ralentizado por el esfuerzo que ha supuesto hacer el master a la par que investigaba.
Este estudio está siendo el tema de mi trabajo de fin de master, que espero subir a este blog tan pronto como termine. Serán unas 100 páginas en las que explicaré con todo detalle el funcionamiento de los semiconductores y, en concreto, los basados en diamante... además de describir con todo lujo de detalles las técnicas que empleo.
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Primer éxito del modelo teórico
Me gustaría compartir con mis selectos visitantes este pequeño paso adelante en mi investigación, en la imagen os muestro una comparativa entre los resultados experimentales con ruido suavizado (línea azul) y el modelo teórico que elaboré (en rojo). Afortunadamente, han resultado ser coincidentes; lo que va a permitirme a partir de ahora trabajar por delante de los resultados del laboratorio.
Quiero aprovechar para animar a todos los que aún estáis sufriendo el dolor de muelas que es una carrera; la vida después de los estudios es infinitamente más reconfortante, pero tienes que haberte dejado el culo estudiando... echadle huevos, hincad codos; que tiene frutos, en serio.
Un abrazo
Matematizando nivel de fermi vs delta-dopado
Aquí os dejo una comparativa de resultados entre mis cálculos para la curvatura del nivel de Fermi con los resultados ya publicados en "Physica Status Solidi". Me salen clavados, ahora falta refinar la técnica para extenderla a distintos dopados y anchuras... si sale adelante, tendré casi lista la parte teórica de mi tesis.
Mis resultados:
Técnicas de análisis basadas en catodoluminiscencia
A quien pueda interesarle, tenga curiosidad o simplemente quiera familiarizarse con las técnicas de microscopia electrónica y de análisis por catodoluminiscencia es posible que le resulte de interés un pequeño trabajo que voy a entregar en el máster que estoy cursando.
Aquí os dejo un pequeño informe sobre técnicas de análisis basadas en catodoluminiscencia.
Técnicas de análisis: Catodoluminiscencia
Como es una de las técnicas que más empleo, me he decidido a contar un poco como funciona esta técnica... ya que en breve quiero publicar en el blog los resultados que voy obteniendo y me gustaría que mis sufridos amigos que me visitan de cuando en cuando tengan una breve referencia de cómo funcionan las técnicas que aplico. Es muy sencillo:
La catodoluminiscencia es un fenómeno por el que un haz de electrones impacta en un material "luminiscente", causando que éste emita luz visible... el ejemplo más común de esto es el funcionamiento de las pantallas de televisión antiguas. En mi caso, la catodoluminiscencia ocurre cuando un haz de electrones de alta energía incide sobre un semiconductor, lo que resulta en la promoción de electrones de la banda de valencia a la de conducción, dejando atrás un "hueco". Cuando un electrón y un hueco se recombinan (se aniquilan) es posible que se emita un fotón, la energía (color) de ese fotón y la posibilidad de que se emita un fotón (que es luz, y no un fonón, que es una vibración de las partículas colindantes) depende del material, su pureza y sus defectos.
En mi caso, el haz de electrones barre una determinada zona de la muestra (o bien hago medidas puntuales) y recolecto los fotones emitidos desviándolos mediante un espejo hacia un sistema de colección, siguiendo el esquema mostrado en la figura de abajo.
Por lo tanto, lo que haremos con esta técnica es recoger los fotones emitidos por la muestra cuando se le hace incidir un haz de electrones de alta energía. Fácil, ¿no?. Interpretar los resultados será el tema de otro post.
Diamantes para dispositivos de potencia
Bueno, para los que habéis seguido con cierta asiduidad este blog (algunos como forma de purgar su alma mediante la automutilación cerebral, y otros porque sencillamente están igual o peor que yo) seguro que no se os ha escapado el hecho de que llevo una temporada en la que no he escrito demasiado. Os comunico que esta eventualidad se ha debido, principalmente, a mi feliz incorporación en el grupo de "Ciencia de los Materiales, Ingeniería Metalúrgica y Química Inorgánica" de la universidad de Cádiz, como paso previo a la realización de mi tesis doctoral. Y, para que nadie se crea que lo que estoy haciendo (o más bien, voy a hacer) es algo que requiera una mente privilegiada, me he propuesto crear una nueva línea de posts en la que pretendo ir subiendo los avances que haga en mi investigación (así también tengo una copia de seguridad en la red).
Empiezo por sentar las bases del proyecto y por contaros a grandes rasgos en que consiste el tema fundamental de mi tesis.
Para aquellos que poseen una formación básica en electrónica, conocerán sobradamente el extenso uso que se hace de los materiales semiconductores, así como la gran cantidad de inconvenientes que se derivan de su uso... entre ellos la pérdida de conductividad con la temperatura, el exceso de calentamiento y otros muchos. Como todos sabemos, el semiconductor más extendido para hacer de base en la electrónica moderna es el Silicio, y la estructura básica que se usa para construir los distintos artilugios electrónicos es el transistor (una agrupación de transistores de una forma más o menos imaginativa puede hacer la función de cualquier otro dispositivo electrónico, lo que lo convierte en el "ladrillo" de la electrónica).
Para alterar las propiedades de los semiconductores y hacerlos más afines a la función que se quiere que desempeñen estos se "dopan", el dopado consiste en la introducción de impurezas en el material semiconductor (Silicio) que refuerzan o debilitan la conductividad (Silicio dopado con Boro, por ejemplo).
El tema fundamental de mi tesis es desarrollar un transistor MOSFET de diamante (apuntamos alto) posiblemente con un alto dopado de Boro. Las ventajas de este transistor serían aplicables a dispositivos de alta potencia, aquellos que requieran trabajar a temperaturas más elevadas, un flujo mayor de corriente y algún día (¿quién sabe?) actuar como base de una electrónica basada en la transmisión de información por fotones (no por electrones, como en la actualidad).
Dicho así, creo que hasta a mí me parece algo perfectamente realizable y hasta fácil... el tiempo dirá. Y por último no querría dejar pasar esta oportunidad para felicitar a aquellos de mis compañeros, físicos (licenciados o no) o de cualquier otra disciplina; el trabajo tiene sus frutos y ante la crisis de este fantástico sistema nuestro creo que la respuesta debe ser una economía basada en el desarrollo... así que el futuro está en nuestras manos.
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