stringtranslate.com

Глубокая переходная спектроскопия

Глубокая переходная спектроскопия ( DLTS ) — это экспериментальный инструмент для изучения электрически активных дефектов (известных как ловушки носителей заряда ) в полупроводниках . DLTS устанавливает фундаментальные параметры дефектов и измеряет их концентрацию в материале. Некоторые из параметров рассматриваются как «отпечатки пальцев» дефектов, используемые для их идентификации и анализа.

DLTS исследует дефекты, присутствующие в области пространственного заряда ( обеднения ) простого электронного устройства. Наиболее часто используются диоды Шоттки или pn-переходы . В процессе измерения установившееся напряжение обратной поляризации диода нарушается импульсом напряжения . Этот импульс напряжения уменьшает электрическое поле в области пространственного заряда и позволяет свободным носителям из объема полупроводника проникать в эту область и перезарядить дефекты, вызывая их неравновесное зарядовое состояние. После импульса, когда напряжение возвращается к своему установившемуся значению, дефекты начинают испускать захваченные носители из-за процесса термоэмиссии. Методика наблюдает емкость области пространственного заряда устройства , где восстановление зарядового состояния дефекта вызывает переходный процесс емкости. Импульс напряжения, за которым следует восстановление зарядового состояния дефекта, циклически повторяется, что позволяет применять различные методы обработки сигналов для анализа процесса перезарядки дефектов.

Метод DLTS имеет более высокую чувствительность, чем почти любой другой метод диагностики полупроводников. Например, в кремнии он может обнаруживать примеси и дефекты при концентрации одной части на 1012 атомов материала-хозяина. Эта особенность в сочетании с технической простотой конструкции сделала его очень популярным в исследовательских лабораториях и на заводах по производству полупроводниковых материалов.

Метод DLTS был впервые предложен Дэвидом Верном Лэнгом в Bell Laboratories в 1974 году. [1] Патент США был выдан Лэнгу в 1975 году. [2]

Методы DLTS

Обычный DLTS

Типичные обычные спектры DLTS

В обычном DLTS переходные процессы емкости исследуются с помощью синхронного усилителя [3] или метода усреднения двойной последовательности с узкими интервалами , когда температура образца медленно изменяется (обычно в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной температуры 300 К или выше). Опорной частотой оборудования является частота повторения импульсов напряжения. В обычном методе DLTS эта частота, умноженная на некоторую константу (в зависимости от используемого оборудования), называется «окном скорости». Во время сканирования температуры пики появляются, когда скорость испускания носителей из некоторого дефекта равна окну скорости. Устанавливая различные окна скорости в последующих измерениях спектров DLTS, можно получить различные температуры, при которых появляется определенный пик. Имея набор пар скорости испускания и соответствующей температуры, можно построить график Аррениуса , который позволяет вывести энергию активации дефекта для процесса тепловой эмиссии. Обычно эта энергия (иногда называемая уровнем энергии дефекта ) вместе со значением пересечения графика являются параметрами дефекта, используемыми для его идентификации или анализа. На образцах с низкой плотностью свободных носителей заряда переходные процессы проводимости также использовались для анализа DLTS. [4]

В дополнение к обычному температурному сканированию DLTS, в котором температура изменяется при импульсном действии устройства с постоянной частотой, температура может поддерживаться постоянной и изменять частоту импульсов. Этот метод называется частотным сканированием DLTS . [3] Теоретически частотное и температурное сканирование DLTS должно давать одинаковые результаты. Частотное сканирование DLTS особенно полезно, когда резкое изменение температуры может повредить устройство. Примером, когда частотное сканирование оказывается полезным, является изучение современных МОП-устройств с тонкими и чувствительными оксидами затвора. [3]

DLTS использовался для изучения квантовых точек и перовскитных солнечных элементов . [5] [6] [7] [8] [9]

MCTS и DLTS для неосновных операторов

Для диодов Шоттки ловушки основных носителей заряда наблюдаются путем подачи обратного импульса смещения, в то время как ловушки неосновных носителей заряда могут наблюдаться, когда импульсы обратного напряжения смещения заменяются световыми импульсами с энергией фотонов из указанного выше спектрального диапазона запрещенной зоны полупроводника. [10] [11] Этот метод называется переходной спектроскопией неосновных носителей заряда (MCTS). Ловушки неосновных носителей заряда также могут наблюдаться для pn-переходов путем подачи прямых импульсов смещения, которые вводят неосновные носители заряда в область пространственного заряда. [12] На графиках DLTS спектры неосновных носителей заряда обычно изображаются с противоположным знаком амплитуды по отношению к спектрам ловушек основных носителей заряда.

Лаплас DLTS

Существует расширение DLTS, известное как преобразование Лапласа высокого разрешения DLTS (LDLTS). Лапласа DLTS — это изотермическая техника, в которой переходные процессы емкости оцифровываются и усредняются при фиксированной температуре. Затем скорости эмиссии дефектов получаются с использованием численных методов, эквивалентных обратному преобразованию Лапласа . Полученные скорости эмиссии представляются в виде спектрального графика. [13] [14] Главным преимуществом Лапласа DLTS по сравнению с обычным DLTS является существенное увеличение энергетического разрешения, понимаемого здесь как способность различать очень похожие сигналы.

Лаплас DLTS в сочетании с одноосным напряжением приводит к расщеплению уровня энергии дефекта. Предполагая случайное распределение дефектов в неэквивалентных ориентациях, количество расщепленных линий и их отношения интенсивностей отражают класс симметрии [15] данного дефекта. [13]

Применение LDLTS к МОП-конденсаторам требует поляризационных напряжений устройства в диапазоне, где уровень Ферми , экстраполированный от полупроводника к интерфейсу полупроводник-оксид, пересекает этот интерфейс в пределах запрещенной зоны полупроводника . Электронные интерфейсные состояния, присутствующие на этом интерфейсе, могут захватывать носители заряда аналогично дефектам, описанным выше. Если их занятость электронами или дырками нарушается небольшим импульсом напряжения, то емкость устройства восстанавливается после импульса до своего начального значения, поскольку интерфейсные состояния начинают испускать носители заряда. Этот процесс восстановления можно проанализировать с помощью метода LDLTS для различных поляризационных напряжений устройства. Такая процедура позволяет получить распределение энергетических состояний интерфейсных электронных состояний на интерфейсах полупроводник-оксид (или диэлектрик ). [16]

DLTS с постоянной емкостью

В целом, анализ переходных процессов емкости в измерениях DLTS предполагает, что концентрация исследуемых ловушек намного меньше концентрации легирования материала . В случаях, когда это предположение не выполняется, то для более точного определения концентрации ловушек используется метод постоянной емкости DLTS (CCDLTS). [17] Когда дефекты перезаряжаются и их концентрация высока, ширина области пространства устройства изменяется, что делает анализ переходного процесса емкости неточным. Дополнительная электронная схема, поддерживающая постоянную общую емкость устройства путем изменения напряжения смещения устройства, помогает поддерживать постоянную ширину области обеднения. В результате изменяющееся напряжение устройства отражает процесс перезарядки дефектов. Анализ системы CCDLTS с использованием теории обратной связи был предоставлен Лау и Лэмом в 1982 году. [18]

I-DLTS и PITS

У DLTS есть важный недостаток: его нельзя использовать для изоляционных материалов. (Примечание: изолятор можно рассматривать как полупроводник с очень большой запрещенной зоной .) Для изоляционных материалов трудно или невозможно изготовить устройство, имеющее область пространства, ширина которой может быть изменена внешним смещением напряжения, и, таким образом, методы DLTS, основанные на измерении емкости, не могут быть применены для анализа дефектов. Основываясь на опыте спектроскопии термостимулированного тока (TSC), переходные процессы тока анализируются с помощью методов DLTS (I-DLTS), где световые импульсы используются для нарушения занятости дефекта. Этот метод в литературе иногда называют фотоиндуцированной переходной спектроскопией (PITS). [19] I-DLTS или PITS также используются для изучения дефектов в i-области pin-диода .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Lang, DV (1974). «Глубокоуровневая переходная спектроскопия: новый метод характеризации ловушек в полупроводниках». Журнал прикладной физики . 45 (7). AIP Publishing: 3023–3032. Bibcode : 1974JAP....45.3023L. doi : 10.1063/1.1663719. ISSN  0021-8979.
  2. ^ [1], "Метод измерения ловушек в полупроводниках", опубликовано 1973-12-06 
  3. ^ abc Elhami Khorasani, Arash; Schroder, Dieter K.; Alford, TL (2014). «Быстрая технология экранирования времени жизни генерации носителей с использованием DLTS на МОП-конденсаторах». IEEE Transactions on Electron Devices . 61 (9). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 3282–3288. Bibcode : 2014ITED...61.3282E. doi : 10.1109/ted.2014.2337898. ISSN  0018-9383. S2CID  5895479.
  4. ^ Fourches, N. (28 января 1991 г.). «Глубокая переходная спектроскопия на основе переходных процессов проводимости». Applied Physics Letters . 58 (4). AIP Publishing: 364–366. Bibcode : 1991ApPhL..58..364F. doi : 10.1063/1.104635. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Lin, SW; Balocco, C.; Missous, M.; Peaker, AR; Song, AM (3 октября 2005 г.). "Сосуществование глубоких уровней с оптически активными квантовыми точками InAs". Physical Review B. 72 ( 16). Американское физическое общество (APS): 165302. Bibcode : 2005PhRvB..72p5302L. doi : 10.1103/physrevb.72.165302. ISSN  1098-0121.
  6. ^ Антонова, Ирина В.; Володин, Владимир А.; Неустроев, Ефим П.; Смагулова, Светлана А.; Едржеевси, Едржей; Балберг, Исаак (15 сентября 2009 г.). "Charge spectroscopy of Si nanocrystallites embedded in a SiO 2 matrix". Journal of Applied Physics . 106 (6). AIP Publishing: 064306–064306–6. Bibcode :2009JAP...106f4306A. doi :10.1063/1.3224865. ISSN  0021-8979.
  7. ^ Бульян, М.; Гренцэр, Й.; Холы, В.; Радич, Н.; Мишич-Радич, Т.; Левичев, С.; Бернсторфф, С.; Пивац, Б.; Капан, И. (18 октября 2010 г.). "Структурные и зарядовые свойства захвата двух двухслойных пленок (Ge+SiO 2 )/SiO 2 , осажденных на рифленую подложку". Applied Physics Letters . 97 (16). AIP Publishing: 163117. Bibcode :2010ApPhL..97p3117B. doi :10.1063/1.3504249. ISSN  0003-6951.
  8. ^ Назируддин, Мохаммад Хаджа; Ан, Тэ Гю; Шин, Джай Кван; Ким, Ён Су; Юн, Донг-Джин; Ким, Кихонг; Пак, Чон-Бонг; Ли, Джухо; Сеол, Минсу (17 мая 2017 г.). «Анализ захваченных дефектов на глубоком уровне в перовскитных солнечных элементах CH3NH3PbI3 методом переходной спектроскопии на глубоком уровне». Энергетика и экология . 10 (5): 1128–1133. дои : 10.1039/C7EE00303J. ISSN  1754-5706.
  9. ^ Хео, Сон; Со, Габсок; Ли, Ёнхуэй; Соль, Минсу; Ким, Сон Хон; Юн, Дон-Джин; Ким, Ёнсу; Ким, Кихонг; Ли, Джунхо (2019). «Истоки высокой производительности и деградации в смешанных перовскитных солнечных элементах». Advanced Materials . 31 (8): 1805438. Bibcode :2019AdM....3105438H. doi :10.1002/adma.201805438. ISSN  1521-4095. PMID  30614565. S2CID  58578989.
  10. ^ Брунвин, Р.; Гамильтон, Б.; Джордан, П.; Пикер, А. Р. (1979). «Обнаружение ловушек неосновных носителей заряда с использованием переходной спектроскопии». Electronics Letters . 15 (12). Институт инженерии и технологий (IET): 349. Bibcode : 1979ElL....15..349B. doi : 10.1049/el:19790248. ISSN  0013-5194.
  11. ^ Гамильтон, Б.; Пикер, А. Р.; Уайт, Д. Р. (1979). «Время жизни неосновных носителей заряда в фосфиде галлия inn-типа, контролируемое глубоким состоянием». Журнал прикладной физики . 50 (10). Издательство AIP: 6373–6385. Bibcode : 1979JAP....50.6373H. doi : 10.1063/1.325728. ISSN  0021-8979.
  12. ^ Маркевич, ВП; Хокинс, ИД; Пикер, АР; Емцев, КВ; Емцев, ВВ; Литвинов, ВВ; Мурин, ЛИ; Добачевский, Л. (27 декабря 2004 г.). "Вакансия–группа-V-примесные атомные пары в кристаллах Ge, легированных P, As, Sb и Bi". Physical Review B. 70 ( 23). Американское физическое общество (APS): 235213. Bibcode : 2004PhRvB..70w5213M. doi : 10.1103/physrevb.70.235213. ISSN  1098-0121.
  13. ^ ab Dobaczewski, L.; Peaker, AR; Bonde Nielsen, K. (2004). «Спектроскопия глубоких уровней с преобразованием Лапласа: техника и ее применение для изучения точечных дефектов в полупроводниках». Journal of Applied Physics . 96 (9). AIP Publishing: 4689–4728. Bibcode : 2004JAP....96.4689D. doi : 10.1063/1.1794897. ISSN  0021-8979.
  14. ^ Преобразование Лапласа. Глубокая переходная спектроскопия.
  15. ^ Симметрия точечной группы
  16. ^ Dobaczewski, L.; Bernardini, S.; Kruszewski, P.; Hurley, PK; Markevich, VP; Hawkins, ID; Peaker, AR (16 июня 2008 г.). "Распределения энергетических состояний центров Pb на интерфейсах (100), (110) и (111) Si/SiO2, исследованные методом переходной спектроскопии глубоких уровней Лапласа" (PDF) . Applied Physics Letters . 92 (24). AIP Publishing: 242104. Bibcode :2008ApPhL..92x2104D. doi :10.1063/1.2939001. ISSN  0003-6951.
  17. ^ Джонсон, Н. М.; Бартелинк, Д. Х.; Голд, Р. Б.; Гиббонс, Дж. Ф. (1979). «Измерение профилей плотности дефектов в полупроводниках методом DLTS с постоянной емкостью». Журнал прикладной физики . 50 (7). Издательство AIP: 4828–4833. Bibcode : 1979JAP....50.4828J. doi : 10.1063/1.326546 . ISSN  0021-8979.
  18. ^ Lau, WS; Lam, YW (1982). «Анализ и некоторые соображения по проектированию системы DLTS с постоянной емкостью». International Journal of Electronics . 52 (4). Informa UK Limited: 369–379. doi : 10.1080/00207218208901442. ISSN  0020-7217.
  19. ^ Hurtes, Ch.; Boulou, M.; Mitonneau, A.; Bois, D. (15 июня 1978 г.). «Глубокая спектроскопия в материалах с высоким сопротивлением». Applied Physics Letters . 32 (12). AIP Publishing: 821–823. Bibcode : 1978ApPhL..32..821H. doi : 10.1063/1.89929. ISSN  0003-6951.

Внешние ссылки