Переходная спектроскопия глубокого уровня - Deep-level transient spectroscopy - Wikipedia

Переходная спектроскопия глубокого уровня (DLTS) представляет собой экспериментальный инструмент для изучения электрически активных дефектов (известных как носитель заряда ловушки) в полупроводники. 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 пространственном заряде (истощение ) область простого электронного устройства. Наиболее часто используются Диоды Шоттки или же p-n переходы. В процессе измерения установившийся диод инвертирует напряжение поляризации нарушается напряжением пульс. Этот импульс напряжения уменьшает электрическое поле в области пространственного заряда и позволяет свободно перевозчики из объема полупроводника, чтобы проникнуть в эту область и перезарядить дефекты, вызывая их неравновесное зарядовое состояние. После импульса, когда напряжение возвращается к своему стационарному значению, дефекты начинают испускать захваченные носители из-за процесса термоэмиссии. Методика учитывает область пространственного заряда устройства емкость где восстановление дефектного состояния заряда вызывает переходный процесс емкости. Импульс напряжения, за которым следует восстановление дефектного состояния заряда, циклически повторяется, что позволяет применять различные обработка сигналов методы анализа процесса перезарядки дефектов.

Метод DLTS имеет более высокую чувствительность, чем почти любой другой метод диагностики полупроводников. Например, в кремний он может обнаруживать примеси и дефекты при концентрации одна часть к 1012 атомов материального хозяина. Эта особенность вместе с технической простотой конструкции сделала его очень популярным в исследовательских лабораториях и на заводах по производству полупроводниковых материалов.

Техника DLTS была впервые предложена Дэвидом Верном Лангом в Bell Laboratories в 1974 г.[1] Патент США был выдан Лэнгу в 1975 году.[2]

DLTS методы

Обычный DLTS

Типичные стандартные спектры DLTS

В обычных DLTS переходные процессы емкости исследуются с помощью синхронный усилитель[3] или двойной усреднение крытых вагонов метод, когда температура образца изменяется медленно (обычно в диапазоне от жидкий азот температура до комнатной 300 K 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 температурного сканирования 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 составить Заговор Аррениуса, что позволяет вычесть дефект энергия активации для термоэмиссионного процесса. Обычно эта энергия (иногда называемая дефектом) уровень энергии ) 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 традиционному 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 частотное сканирование DLTS.[3] Теоретически сканирование частоты и температуры 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 изучения квантовые точки и перовскитовые солнечные элементы.[5][6][7][8][9]

MCTS и DLTS неосновной несущей

Для диодов Шоттки, основной оператор ловушки наблюдаются при приложении импульса обратного смещения, а миноритарный перевозчик ловушки могут наблюдаться при замене импульсов напряжения обратного смещения на световые импульсы с фотон энергия от вышеуказанного полупроводника запрещенная зона спектральный диапазон.[10][11] Этот метод называется нестационарной спектроскопией малых носителей (MCTS). Ловушки неосновных носителей могут наблюдаться также для p-n переходы за счет 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

Существует расширение DLTS, известное как высокое разрешение. Преобразование Лапласа DLTS (LDLTS). Лапласовский DLTS - это изотермический метод, в котором переходные процессы емкости оцифрованный и усреднены при фиксированной температуре. Затем численными методами вычисляются интенсивности выброса дефектов, эквивалентные обратное преобразование Лапласа. Полученные значения интенсивности излучения представлены в виде спектрального графика.[13][14] Основным преимуществом Лапласа DLTS по сравнению с обычным DLTS является существенное увеличение разрешения по энергии, понимаемое здесь как способность различать очень похожие сигналы.

Лапласовый DLTS в сочетании с одноосным стресс 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-конденсаторы требуется устройство поляризационные напряжения в диапазоне, где Уровень Ферми экстраполированный из полупроводника в полупроводник-оксид интерфейс пересекает эту границу раздела в полупроводнике запрещенная зона классифицировать. Состояния электронного интерфейса, присутствующие на этом интерфейсе, могут захватывать носители аналогично дефектам, описанным выше. Если их заполнение электроны или же дыры нарушается 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 электронных состояний интерфейса полупроводник-оксид (или диэлектрик ) интерфейсы.[16]

DLTS постоянной емкости

В целом, анализ переходных процессов емкости в измерениях DLTS предполагает, что концентрация исследуемых ловушек намного меньше, чем концентрация материала. допинг концентрация. 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 году.[18]

I-DLTS и PITS

У DLTS есть важный недостаток: ее нельзя использовать для изоляционных материалов. (Примечание: изолятор можно рассматривать как полупроводник с очень большой запрещенной зоной.) Для изоляционных материалов трудно или невозможно создать устройство, имеющее область пространства, ширина которой может быть изменена за счет внешнего смещения напряжения, и, таким образом, методы DLTS, основанные на измерении емкости, не могут быть применены для анализа дефектов. На основе опыта термостимулированный ток (TSC) спектроскопия, переходные процессы тока анализируются методами DLTS (I-DLTS), где световые импульсы используются для нарушения занятости дефекта. Этот метод в литературе иногда называют фотоиндуцированной нестационарной спектроскопией (PITS).[19] I-DLTS или PITS также используются для изучения дефектов в i-области p-i-n диод.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ланг, Д. В. (1974). «Переходная спектроскопия на глубоком уровне: новый метод определения характеристик ловушек в полупроводниках». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 45 (7): 3023–3032. Дои:10.1063/1.1663719. ISSN  0021-8979.
  2. ^ [1], "Метод измерения ловушек в полупроводниках", выпущенный 1973-12-06 
  3. ^ а б c Эльхами Хорасани, Араш; Шредер, Дитер К .; Алфорд, Т. Л. (2014). «Быстрый метод определения срока службы генерации несущих с помощью DLTS на МОП-конденсаторах». Транзакции IEEE на электронных устройствах. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 61 (9): 3282–3288. Дои:10.1109 / ted.2014.2337898. ISSN  0018-9383. S2CID  5895479.
  4. ^ Фурчес, Н. (28 января 1991 г.). «Переходная спектроскопия глубокого уровня на основе переходных процессов проводимости». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 58 (4): 364–366. Дои:10.1063/1.104635. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Lin, S.W .; Balocco, C .; Missous, M .; Peaker, A.R .; Песня, А. М. (3 октября 2005 г.). «Сосуществование глубоких уровней с оптически активными квантовыми точками InAs». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 72 (16): 165302. Дои: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, внедренных в SiO2 матрица ». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 106 (6): 064306. Дои:10.1063/1.3224865. ISSN  0021-8979.
  7. ^ Бульян, М .; Grenzer, J .; Holý, V .; Radić, N .; Mišić-Radić, T .; Левичев, С .; Bernstorff, S .; Pivac, B .; Капан, И. (18 октября 2010 г.). «Структурные и зарядовые свойства двух бислоя (Ge + SiO2) / SiO2 пленки, нанесенные на волнистую подложку ». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 97 (16): 163117. Дои:10.1063/1.3504249. ISSN  0003-6951.
  8. ^ Назируддин, Мохаммад Хаджа; Ан, Тэ Гю; Шин, Джай Кван; Ким, Йонг 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. Дои: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, Чуно (2019). «Истоки высокой производительности и деградации в солнечных элементах из смешанного перовскита». Современные материалы. 31 (8): 1805438. Дои:10.1002 / adma.201805438. ISSN  1521-4095. PMID  30614565.
  10. ^ Brunwin, R .; Гамильтон, В .; Jordan, P .; Пикер, А. (1979). «Обнаружение ловушек неосновных носителей с помощью нестационарной спектроскопии». Письма об электронике. Институт инженерии и технологий (IET). 15 (12): 349. Дои:10.1049 / el: 19790248. ISSN  0013-5194.
  11. ^ Гамильтон, В .; Peaker, A.R .; Уайт, Д. Р. (1979). "Фосфид галлия типа гостиницы" время жизни неосновных носителей заряда, контролируемый глубинным государством ". Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 50 (10): 6373–6385. Дои:10.1063/1.325728. ISSN  0021-8979.
  12. ^ Маркевич, В. П .; Hawkins, I.D .; Peaker, A.R .; Емцев, К. В .; Емцев, В. В .; Литвинов, В. В .; Мурин, Л. И .; Добачевский, Л. (27 декабря 2004 г.). «Вакансия – группа – V – атомы примеси в кристаллах Ge, легированных P, As, Sb и Bi». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 70 (23): 235213. Дои:10.1103 / Physrevb.70.235213. ISSN  1098-0121.
  13. ^ а б Добачевский, Л .; Peaker, A.R .; 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. Дои:10.1063/1.1794897. ISSN  0021-8979.
  14. ^ Глубокая нестационарная спектроскопия с преобразованием Лапласа
  15. ^ Симметрия группы точек
  16. ^ Добачевский, Л .; Bernardini, S .; Kruszewski, P .; Hurley, P.K .; Маркевич, В. П .; Hawkins, I.D .; Пикер, А. Р. (16 июня 2008 г.). "Распределение энергетических состояний Pб центрах на (100), (110) и (111) Si ∕ SiO2 интерфейсы, исследованные методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней Лапласа " (PDF). Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 92 (24): 242104. Дои:10.1063/1.2939001. ISSN  0003-6951.
  17. ^ Johnson, N.M .; Бартелинк, Д. Дж .; Gold, R. B .; Гиббонс, Дж. Ф. (1979). «Измерение DLTS постоянной емкости профилей плотности дефектов в полупроводниках». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 50 (7): 4828–4833. Дои:10.1063/1.326546. ISSN  0021-8979.
  18. ^ Lau, W. S .; Лам, Ю. В. (1982). «Анализ и некоторые конструктивные соображения для системы DLTS постоянной емкости». Международный журнал электроники. Informa UK Limited. 52 (4): 369–379. Дои: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. Дои:10.1063/1.89929. ISSN  0003-6951.

внешняя ссылка