Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Переходная спектроскопия глубоких уровней ( DLTS ) - это экспериментальный инструмент для изучения электрически активных дефектов (известных как ловушки носителей заряда ) в полупроводниках . DLTS определяет основные параметры дефектов и измеряет их концентрацию в материале. Некоторые параметры рассматриваются как «отпечатки пальцев» дефектов, используемые для их идентификации и анализа.

DLTS исследует дефекты, присутствующие в области пространственного заряда ( истощения ) простого электронного устройства. Чаще всего 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 носителямиз объема полупроводника, чтобы проникнуть 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 определяет емкость области пространственного заряда устройства, где восстановление дефектного состояния заряда вызывает переходный процесс емкости. Импульс напряжения, за которым следует восстановление дефектного состояния заряда, 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 10 12 основных атомов материала. Эта особенность вместе с технической простотой конструкции сделала его очень популярным в исследовательских лабораториях и на заводах по производству полупроводниковых материалов.

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

Методы DLTS [ править ]

Обычный DLTS [ править ]

Типичные стандартные спектры DLTS

В обычных DLTS переходные процессы емкости исследуются с помощью синхронизирующего усилителя [3] или метода усреднения двойной прямоугольной последовательности, когда температура образца медленно изменяется (обычно в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной температуры 300 К.или выше). Опорная частота оборудования - это частота следования импульсов напряжения. В традиционном методе DLTS эта частота, умноженная на некоторую константу (в зависимости от используемого оборудования), называется «окном скорости». Во время сканирования температуры пики появляются, когда скорость эмиссии носителей из какого-либо дефекта равна окну скорости. Устанавливая разные окна скорости в последующих измерениях спектров DLTS, можно получить разные температуры, при которых появляется определенный пик. Имея набор пар скорости излучения и соответствующих температур, можно построить график Аррениуса , который позволяет вычесть энергию активации дефекта для процесса термоэмиссии. 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 переходные процессы также использовались для анализа DLTS. [4]

В дополнение к обычному сканированию температуры DLTS, при котором температура изменяется при подаче импульсов на устройство с постоянной частотой, температуру можно поддерживать 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. Пример использования частотного сканирования - изучение современных МОП-устройств с тонкими и чувствительными оксидами затвора. [3]

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

MCTS и DLTS неосновных операторов [ править ]

Для диодов Шоттки ловушки основных носителей наблюдаются при приложении импульса обратного смещения, в то время как ловушки неосновных носителей могут наблюдаться, когда импульсы напряжения обратного смещения заменяются световыми импульсами с энергией фотонов из указанного выше спектрального диапазона запрещенной зоны полупроводников . [10] [11] Этот метод называется спектроскопией переходных процессов на малых носителях (MCTS). Ловушки неосновных носителей могут также наблюдаться для pn-переходов путем применения импульсов прямого смещения, которые инжектируют неосновные носители в область пространственного заряда. [12] На графиках DLTS спектры неосновных несущих обычно изображаются с противоположным знаком амплитуды по сравнению со спектрами захвата основных несущих.

Лаплас DLTS [ править ]

Существует расширение DLTS, известное как DLTS с преобразованием Лапласа высокого разрешения (LDLTS). Лапласовский DLTS - это изотермический метод, в котором переходные процессы емкости оцифровываются и усредняются при фиксированной температуре. Затем вычисляются скорости эмиссии дефектов численными методами, эквивалентными обратному преобразованию Лапласа . Полученные скорости излучения представлены в виде спектрального графика. [13] [14] Основным преимуществом DLTS Лапласа по сравнению с обычным DLTS является существенное увеличение разрешения по энергии, понимаемое здесь как способность различать очень похожие сигналы.

DLTS Лапласа 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 в МОП-конденсаторах требует поляризационных напряжений устройства в диапазоне, в котором уровень Ферми, экстраполированный от полупроводника к границе полупроводник-оксид, пересекает эту границу в пределах запрещенной зоны полупроводника . Состояния электронного интерфейса, присутствующие на этом интерфейсе, могут захватывать носители подобно дефектам, описанным выше. Если их заполнение электронами или дыркаминарушается небольшим импульсом напряжения, тогда емкость устройства восстанавливается после импульса до своего начального значения, когда состояния интерфейса начинают излучать носители. Этот процесс восстановления можно проанализировать с помощью метода LDLTS для различных напряжений поляризации устройства. Такая процедура позволяет получить распределение энергетических состояний интерфейсных электронных состояний на границах раздела полупроводник-оксид (или диэлектрик ). [16]

DLTS постоянной емкости [ править ]

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

I-DLTS и PITS [ править ]

У DLTS есть важный недостаток: ее нельзя использовать для изоляционных материалов. (Примечание: изолятор можно рассматривать как полупроводник с очень большой шириной запрещенной зоны .) Для изоляционных материалов сложно или невозможно создать устройство, имеющее область пространства, ширина которой может изменяться под действием внешнего смещения напряжения и, следовательно, на основе измерения емкости. Методы DLTS не могут применяться для анализа дефектов. На основе опыта спектроскопии термостимулированного тока (TSC) переходные процессы тока анализируются с помощью методов DLTS (I-DLTS), в которых световые импульсы используются для нарушения заполнения дефекта. Этот метод в литературе иногда называют фотоиндуцированной нестационарной спектроскопией (PITS). [19]I-DLTS или PITS также используются для изучения дефектов в i-области pin-диода .

См. Также [ править ]

  • Генерация и рекомбинация носителей
  • Запрещенная зона
  • Эффективная масса
  • Диод Шоттки
  • Дефект Френкеля
  • Дефект Шоттки
  • Полупроводниковый прибор
  • Вакансия (химия)
  • Профилирование емкостного напряжения
  • Диэлектрик High-k

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Lang, DV (1974). «Переходная спектроскопия на глубоком уровне: новый метод определения характеристик ловушек в полупроводниках». Журнал прикладной физики . Издательство AIP. 45 (7): 3023–3032. DOI : 10.1063 / 1.1663719 . ISSN  0021-8979 .
  2. ^ [1] , "Метод измерения ловушек в полупроводниках", выпущенный 1973-12-06. 
  3. ^ a b c Эльхами Хорасани, Араш; Шредер, Дитер К .; Алфорд, Т.Л. (2014). «Быстрый метод определения продолжительности жизни поколения несущих с использованием DLTS на МОП-конденсаторах». Транзакции IEEE на электронных устройствах . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 61 (9): 3282–3288. DOI : 10.1109 / ted.2014.2337898 . ISSN 0018-9383 . S2CID 5895479 .  
  4. ^ FOURCHES, N. (28 января 1991). «Переходная спектроскопия глубокого уровня на основе переходных процессов проводимости». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 58 (4): 364–366. DOI : 10.1063 / 1.104635 . ISSN 0003-6951 . 
  5. ^ Лин, ЮЗ; Balocco, C .; Missous, M .; Пикер, АР; Песня, AM (3 октября 2005 г.). «Сосуществование глубоких уровней с оптически активными квантовыми точками InAs». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 72 (16): 165302. DOI : 10,1103 / physrevb.72.165302 . ISSN 1098-0121 . 
  6. ^ Антонова, Ирина В .; Володин, Владимир А .; Неустроев, Ефим П .; Смагулова Светлана А .; Енжеевси, Енджей; Бальберг, Исаак (15 сентября 2009 г.). «Зарядовая спектроскопия нанокристаллитов Si, встроенных в матрицу SiO 2 ». Журнал прикладной физики . Издательство AIP. 106 (6): 064306. DOI : 10,1063 / 1,3224865 . ISSN 0021-8979 . 
  7. ^ Buljan, M .; Grenzer, J .; Holý, V .; Radić, N .; Мишич-Радич, Т .; Левичев, С .; Bernstorff, S .; Pivac, B .; Капан, И. (18 октября 2010 г.). «Структурные и зарядовые свойства двух двухслойных пленок (Ge + SiO 2 ) / SiO 2, нанесенных на волнистую подложку». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 97 (16): 163117. DOI : 10,1063 / 1,3504249 . ISSN 0003-6951 . 
  8. ^ Nazeeruddin Мохаммад Khaja; 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 глубоких уровнях в солнечных элементах из перовскита CH3NH3PbI3 методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней». Энергетика и экология . 10 (5): 1128–1133. DOI : 10.1039 / C7EE00303J . ISSN 1754-5706 . 
  9. ^ Хео, Сун; Со, Габсок; Ли, Юнхуэй; Сеол, Минсу; Ким, Сон Хон; Юн, Донг-Джин; Ким, Йонгсу; Ким, Кихонг; Ли, Чунхо (2019). «Истоки высокой производительности и деградации в солнечных элементах из смешанного перовскита». Современные материалы . 31 (8): 1805438. DOI : 10.1002 / adma.201805438 . ISSN 1521-4095 . PMID 30614565 .  
  10. ^ Brunwin, R .; Гамильтон, В .; Jordan, P .; Пикер, АР (1979). «Обнаружение ловушек неосновных носителей с помощью нестационарной спектроскопии». Письма об электронике . Институт инженерии и технологий (ИЭПП). 15 (12): 349. DOI : 10,1049 / эль: 19790248 . ISSN 0013-5194 . 
  11. ^ Гамильтон, B .; Пикер, АР; Уайт, Д.Р. (1979). «Время жизни неосновных носителей заряда, контролируемое глубинным государством, - фосфид галлия типа inn». Журнал прикладной физики . Издательство AIP. 50 (10): 6373–6385. DOI : 10.1063 / 1.325728 . ISSN 0021-8979 . 
  12. ^ Маркевич, В.П .; Хокинс, ID; Пикер, АР; Емцев, КВ; Емцев, В.В.; Литвинов В.В.; Мурин Л.И.; Добачжевский, Л. (27 декабря 2004 г.). «Пары вакансия – группа – V – примесь атома в кристаллах Ge, легированных P, As, Sb и Bi». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 70 (23): 235213. DOI : 10,1103 / physrevb.70.235213 . ISSN 1098-0121 . 
  13. ^ a b Добачевский, Л .; Пикер, АР; Бонд Нильсен, К. (2004). «Спектроскопия глубоких уровней с преобразованием Лапласа: методика и ее приложения к изучению точечных дефектов в полупроводниках». Журнал прикладной физики . Издательство AIP. 96 (9): 4689–4728. DOI : 10.1063 / 1.1794897 . ISSN 0021-8979 . 
  14. ^ Преобразование Лапласа Глубокая нестационарная спектроскопия
  15. ^ Точечная групповая симметрия
  16. ^ Dobaczewski, L .; Bernardini, S .; Kruszewski, P .; Херли, ПК; Маркевич, ВП; Хокинс, ID; Пикер, АР (16 июня 2008 г.). «Распределение энергетических состояний центров P b на границах раздела (100), (110) и (111) Si ∕ SiO 2, исследованное методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней Лапласа» (PDF) . Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 92 (24): 242104. DOI : 10,1063 / 1,2939001 . ISSN 0003-6951 .  
  17. ^ Джонсон, Нью-Мексико; Бартелинк, диджей; Золото, РБ; Гиббонс, Дж. Ф. (1979). «Измерение DLTS постоянной емкости профилей плотности дефектов в полупроводниках». Журнал прикладной физики . Издательство AIP. 50 (7): 4828–4833. DOI : 10.1063 / 1.326546 . ISSN 0021-8979 . 
  18. ^ Лау, WS; Лам, Ю. В. (1982). «Анализ и некоторые конструктивные соображения для системы DLTS постоянной емкости». Международный журнал электроники . Informa UK Limited. 52 (4): 369–379. DOI : 10.1080 / 00207218208901442 . ISSN 0020-7217 . 
  19. ^ Hurtes, Ch .; Boulou, M .; Mitonneau, A .; Бойс, Д. (15 июня 1978 г.). «Спектроскопия глубоких уровней в материалах с высоким удельным сопротивлением». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 32 (12): 821–823. DOI : 10.1063 / 1.89929 . ISSN 0003-6951 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • База данных DLTS-сигналов дефектов в полупроводниках
  • База данных дефектов полупроводников