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광음향분광법을 이용한 GaAs와 Si 반도체의 열확산도 측정과 운반자특성 연구

Photoacoustic Investigation of Carrier Transport and Thermal Diffusivity in GaAs and Si

대한화학회지 1997년 41권 7호 p.329 ~ 336
임종태, 한호연, 박승한, 김웅, 최중길,
소속 상세정보
임종태 ( Lim Jong-Tae ) - Yonsei University Department of Chemistry
한호연 ( Han Ho-Youn ) - Yonsei University Department of Chemistry
박승한 ( Park Seung-Han ) - Yonsei University Department of Physics
김웅 ( Kim Ung ) - Yonsei University Department of Physics
최중길 ( Choi Joong-Gill ) - Yonsei University Department of Chemistry

Abstract

광음향 분광법을 이용하여 GaAs와 S1 반도체에서 운반자 운송특성을 연구하고 열확산도를 측정하였다. 변조주파수에 따른 반도체의 광음향신호와 위상으로부터 반도체에서의 운반자 특성이 낮은 주파수영역에서는 주로 순간적인 열원에 의하며, 높은 주파수영역에서는 비방사 벌크재결합과 비방사 표면재결합에의한 효과임을 관찰하였다. GaAs와 같은 직접전이 밴드갭을 갖는 반도체의 경우 위의 세가지 광음향효과를 모두 나타내는 반면, Si과 같은 간접전이 밴드갭을 갖는 반도체의 경우 순간적인 열원에 의한 효과와 비방사 벌크재결합에 의한 효과만을 볼 수 있었다. 이러한 효과로 변조주파수에 따른 광음향신호의 위상에서 GaAs반도체는 극소값을 보이는 반면 Si 반도체에서는 단조감소하는 것을 관찰할 수 있다. 아울러 광음향신호로부터 반도체 시료의 열확산도 ∝3를 계산하였으며 측정된 열확산도 ∝는 GaAs의 경우 0.35 cm2/s 이고 Si의 경우1.24cm2/s를 얻었다. 또한 광음향신호의 위상을 curve fitting하여 열확산도를 측정한 결과 광음향신호로 부터 구한 값과 유사한 열확산도를 구할 수 있었다.

Photoacoustic spectroscopy was utilized to investigate the carrier tmnsport and the thermal diffusivity in GaAs and Si. From the frequency dependence of the photoacoustic signal, it is found that heat source was originated from the instantaneous thermahzation process in low frequency region. In high frequency region, however, the heat was generated by the nonradiative bulk recombination and the nonradiative surface recombination processes. It was also shown that the photoacoustic effects in GaAs of a direct band gap were governed by all three processes and those in Si of an indirect band gap were produced by the instantaneous thermalization and the nonradiative bulk recombination only. The phase of the photoacoustic signal showed a minimum value in GaAs. In Si, the phase of the photoacoustic signal was monotonically decreased as the modulation frequency was increased, demonstrating the above-mentioned mechanisms of the generation of heat. By measuring the photoacoustic signal, thermal diffusivities of semiconductors were determined to be ~0.35 cm2/s for GaAs and ~1.24cm2/s for Si. In addition, the similar values of thermal diffusivities were obtained from the curve fitting of photoacoustic phase spectra.

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