Переходная спектроскопия глубокого уровня

Спектроскопия переходных процессов на глубоких уровнях ( DLTS ) — 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 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 возмущается импульсом напряжения . Этот импульс напряжения уменьшает электрическое поле в области объемного заряда и позволяет свободным носителям из объема полупроводника проникать в эту область и перезаряжать дефекты, вызывая их неравновесное зарядовое состояние. После импульса, когда напряжение возвращается к установившемуся значению, дефекты начинают излучать захваченные носители за счет процесса термоэмиссии. области пространственного заряда устройства Этот метод позволяет наблюдать емкость , где восстановление состояния дефектного заряда вызывает переходный процесс емкости. Импульс напряжения, за которым следует восстановление состояния заряда дефекта, циклически повторяется, что позволяет применять различные методы обработки сигналов для анализа процесса перезарядки дефекта.

Метод DLTS имеет более высокую чувствительность, чем практически любой другой метод диагностики полупроводников. Например, в кремнии он может обнаруживать примеси и дефекты при концентрации одна десятая часть. ¹² атомов материального 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 Лангом из Bell Laboratories в 1974 году. ^[1] Патент США был выдан Лангу в 1975 году. ^[2]

DLTS-методы

Обычный DLTS

В обычном DLTS переходные процессы емкости исследуются с помощью синхронного усилителя. ^[3] или метод усреднения с двойной коробкой , когда температура образца медленно изменяется (обычно в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной температуры 300 К или выше). Опорная частота оборудования – это частота повторения импульсов напряжения. В традиционном методе DLTS эта частота, умноженная на некоторую константу (в зависимости от используемого оборудования), называется «окном скорости». При сканировании температуры пики появляются, когда скорость эмиссии носителей из какого-либо дефекта равна окну скоростей. Устанавливая разные окна скоростей при последующих измерениях спектров DLTS, можно получить разные температуры, при которых появляется тот или иной конкретный пик. Имея набор пар скорости эмиссии 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 точки пересечения графика являются параметрами дефекта, используемыми для его идентификации или анализа. На образцах с низкой плотностью свободных носителей для анализа DLTS также использовались переходные процессы проводимости. ^[4]

В дополнение к обычному сканированию температуры DLTS, при котором температура сканируется при пульсации устройства с постоянной частотой, температуру можно поддерживать постоянной и сканировать частоту пульсации. Этот метод называется сканированием частоты DLTS . ^[3] Теоретически сканирование частоты и температуры DLTS должно давать такие же результаты. Сканирование частоты DLTS особенно полезно, когда резкое изменение температуры может повредить устройство. Примером полезности сканирования частоты является исследование современных МОП-устройств с тонкими и чувствительными оксидами затвора. ^[3]

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

MCTS и DLTS с второстепенными операторами связи

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

Лаплас ДЛЦ

Существует расширение DLTS, известное как DLTS преобразования Лапласа высокого разрешения (LDLTS). DLTS по Лапласу — это изотермический метод, при котором переходные процессы емкости оцифровываются и усредняются при фиксированной температуре. Затем с помощью численных методов, эквивалентных обратному преобразованию Лапласа , получаются скорости эмиссии дефектов . Полученные скорости выбросов представлены в виде спектрального графика. ^[13]^[14] Основным преимуществом DLTS по Лапласу по сравнению с обычным DLTS является существенное увеличение энергетического разрешения, понимаемого здесь как способность различать очень похожие сигналы.

Лапласовское DLTS в сочетании с одноосным напряжением приводит к расщеплению уровня энергии дефекта. Если предположить случайное распределение дефектов в неэквивалентных ориентациях, то количество линий расщепления и соотношение их интенсивностей отражают класс симметрии. ^[15] данногодефект. ^[13]

Применение LDLTS в МОП-конденсаторах требует напряжения поляризации устройства в диапазоне, в котором уровень Ферми полупроводник-оксид, , экстраполированный от полупроводника к границе раздела пересекает этот интерфейс в пределах запрещенной зоны полупроводника . Состояния электронного интерфейса, присутствующие на этом интерфейсе, могут захватывать носители аналогично описанным выше дефектам. Если их заселенность электронами или дырками нарушается небольшим импульсом напряжения, то емкость устройства после импульса восстанавливается до исходного значения, поскольку интерфейсные состояния 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

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

I-DLTS и PITS

У ДЛТС 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 создать устройство, имеющее пространственную область, ширина которой может быть изменена за счет внешнего смещения напряжения и, следовательно, на основе измерения емкости. Методы DLTS 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 возмущения занятости дефектов. 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 .

См. также

Ссылки

^ Ланг, Д.В. (1974). «Переходная спектроскопия глубокого уровня: новый метод характеристики ловушек в полупроводниках». Журнал прикладной физики . 45 (7). Издательство AIP: 3023–3032. Бибкод : 1974JAP....45.3023L . дои : 10.1063/1.1663719 . ISSN 0021-8979 .
^ [1] , «Метод измерения ловушек в полупроводниках», выпущено 6 декабря 1973 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Эльхами Хорасани, Араш; Шредер, Дитер К.; Алфорд, ТЛ (2014). «Быстрый метод экранирования времени жизни генерации несущей с использованием DLTS на МОП-конденсаторах». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 61 (9). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 3282–3288. Бибкод : 2014ITED...61.3282E . дои : 10.1109/тед.2014.2337898 . ISSN 0018-9383 . S2CID 5895479 .
^ Фурш, Н. (28 января 1991 г.). «Переходная спектроскопия глубокого уровня, основанная на переходных процессах проводимости». Письма по прикладной физике . 58 (4). Издательство AIP: 364–366. Бибкод : 1991ApPhL..58..364F . дои : 10.1063/1.104635 . ISSN 0003-6951 .
^ Лин, Юго-Запад; Балокко, К.; Миссус, М.; Пикер, Арканзас; Сонг, AM (3 октября 2005 г.). «Сосуществование глубоких уровней с оптически активными квантовыми точками InAs». Физический обзор B . 72 (16). Американское физическое общество (APS): 165302. Бибкод : 2005PhRvB..72p5302L . дои : 10.1103/physrevb.72.165302 . ISSN 1098-0121 .
^ Антонова Ирина Викторовна; Володин Владимир А.; Неустроев Ефим П.; Смагулова Светлана А.; Енджеевси, Енджей; Бальберг, Исаак (15 сентября 2009 г.). «Зарядовая спектроскопия нанокристаллитов Si, внедренных в матрицу SiO ₂ ». Журнал прикладной физики . 106 (6). Издательство АИП: 064306–064306–6. Бибкод : 2009JAP...106f4306A . дои : 10.1063/1.3224865 . ISSN 0021-8979 .
^ Бульян, М.; Гренцер, Дж.; Голый, В.; Радич, Н.; Мишич-Радич, Т.; Левичев С.; Бернсторф, С.; Пивац, Б.; Капан, И. (18 октября 2010 г.). «Структурные и зарядовые свойства двух двухслойных пленок (Ge+SiO ₂ )/SiO _2, нанесенных на гофрированную подложку». Письма по прикладной физике . 97 (16). Издательство AIP: 163117. Бибкод : 2010ApPhL..97p3117B . дои : 10.1063/1.3504249 . ISSN 0003-6951 .
^ 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 дефектов, захваченных на глубоком уровне, в перовскитных солнечных элементах CH3NH3PbI3 методом нестационарной спектроскопии глубокого уровня». Энергетика и экология . 10 (5): 1128–1133. дои : 10.1039/C7EE00303J . ISSN 1754-5706 .
^ Хо, Сун; Со, Габсок; Ли, Юнхуэй; Сеол, Минсу; Ким, Сон Хон; Юн, Донг-Джин; Ким, Ёнсу; Ким, Кихонг; Ли, Чуно (2019). «Причины высокой производительности и деградации солнечных элементов из смешанного перовскита». Продвинутые материалы . 31 (8): 1805438. Бибкод : 2019AdM....3105438H . дои : 10.1002/adma.201805438 . ISSN 1521-4095 . ПМИД 30614565 . S2CID 58578989 .
^ Брунвин, Р.; Гамильтон, Б.; Джордан, П.; Пикер, Арканзас (1979). «Обнаружение ловушек неосновных носителей с помощью переходной спектроскопии». Электронные письма . 15 (12). Инженерно-технологический институт (ИЭТ): 349. Бибкод : 1979ElL....15..349B . дои : 10.1049/эл:19790248 . ISSN 0013-5194 .
^ Гамильтон, Б.; Пикер, Арканзас; Уайт, ДР (1979). «Фосфид галлия с пожизненным несовершеннолетним носителем, контролируемым глубинным государством». Журнал прикладной физики . 50 (10). Издательство AIP: 6373–6385. Бибкод : 1979JAP....50.6373H . дои : 10.1063/1.325728 . ISSN 0021-8979 .
^ Маркевич, вице-президент; Хокинс, ID; Пикер, Арканзас; Емцев, К.В.; Емцев В.В.; Литвинов В.В.; Мурин, Л.И.; Добачевский, Л. (27 декабря 2004 г.). «Пары атомов вакансия-примесь V-группы в кристаллах Ge, легированных P, As, Sb и Bi». Физический обзор B . 70 (23). Американское физическое общество (APS): 235213. Бибкод : 2004PhRvB..70w5213M . дои : 10.1103/physrevb.70.235213 . ISSN 1098-0121 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Добачевский Л.; Пикер, Арканзас; Бонде Нильсен, К. (2004). «Спектроскопия глубокого уровня с преобразованием Лапласа: метод и его применение к исследованию точечных дефектов в полупроводниках». Журнал прикладной физики . 96 (9). Издательство AIP: 4689–4728. Бибкод : 2004JAP....96.4689D . дои : 10.1063/1.1794897 . ISSN 0021-8979 .
^ Преобразование Лапласа Спектроскопия переходных процессов глубокого уровня
^ Симметрия группы точек
^ Добачевский Л.; Бернардини, С.; Крушевский, П.; Херли, ПК; Маркевич, вице-президент; Хокинс, ID; Пикер, Арканзас (16 июня 2008 г.). «Распределение энергетических состояний центров P _b (100), (110) и (111), _{на границах раздела Si/SiO 2} исследованных методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней Лапласа» (PDF) . Письма по прикладной физике . 92 (24). Издательство AIP: 242104. Бибкод : 2008ApPhL..92x2104D . дои : 10.1063/1.2939001 . ISSN 0003-6951 .
^ Джонсон, Нью-Мексико; Бартелинк, диджей; Золото, РБ; Гиббонс, Дж. Ф. (1979). «DLTS-измерение профилей плотности дефектов в полупроводниках при постоянной емкости» . Журнал прикладной физики . 50 (7). Издательство AIP: 4828–4833. Бибкод : 1979JAP....50.4828J . дои : 10.1063/1.326546 . ISSN 0021-8979 .
^ Лау, штат Вашингтон; Лам, Ю.В. (1982). «Анализ и некоторые соображения по проектированию системы DLTS постоянной емкости». Международный журнал электроники . 52 (4). Информа UK Limited: 369–379. дои : 10.1080/00207218208901442 . ISSN 0020-7217 .
^ Хуртес, Ч.; Булу, М.; Митонно, А.; Буа, Д. (15 июня 1978 г.). «Спектроскопия глубокого уровня в материалах с высоким сопротивлением». Письма по прикладной физике . 32 (12). Издательство AIP: 821–823. Бибкод : 1978ApPhL..32..821H . дои : 10.1063/1.89929 . ISSN 0003-6951 .

Внешние ссылки

[1] Ланг, Д.В. (1974). «Переходная спектроскопия глубокого уровня: новый метод характеристики ловушек в полупроводниках». Журнал прикладной физики . 45 (7). Издательство AIP: 3023–3032. Бибкод : 1974JAP....45.3023L . дои : 10.1063/1.1663719 . ISSN 0021-8979 .

[2] [1] , «Метод измерения ловушек в полупроводниках», выпущено 6 декабря 1973 г.

[ref1-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Эльхами Хорасани, Араш; Шредер, Дитер К.; Алфорд, ТЛ (2014). «Быстрый метод экранирования времени жизни генерации несущей с использованием DLTS на МОП-конденсаторах». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 61 (9). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 3282–3288. Бибкод : 2014ITED...61.3282E . дои : 10.1109/тед.2014.2337898 . ISSN 0018-9383 . S2CID 5895479 .

[4] Фурш, Н. (28 января 1991 г.). «Переходная спектроскопия глубокого уровня, основанная на переходных процессах проводимости». Письма по прикладной физике . 58 (4). Издательство AIP: 364–366. Бибкод : 1991ApPhL..58..364F . дои : 10.1063/1.104635 . ISSN 0003-6951 .

[5] Лин, Юго-Запад; Балокко, К.; Миссус, М.; Пикер, Арканзас; Сонг, AM (3 октября 2005 г.). «Сосуществование глубоких уровней с оптически активными квантовыми точками InAs». Физический обзор B . 72 (16). Американское физическое общество (APS): 165302. Бибкод : 2005PhRvB..72p5302L . дои : 10.1103/physrevb.72.165302 . ISSN 1098-0121 .

[6] Антонова Ирина Викторовна; Володин Владимир А.; Неустроев Ефим П.; Смагулова Светлана А.; Енджеевси, Енджей; Бальберг, Исаак (15 сентября 2009 г.). «Зарядовая спектроскопия нанокристаллитов Si, внедренных в матрицу SiO ₂ ». Журнал прикладной физики . 106 (6). Издательство АИП: 064306–064306–6. Бибкод : 2009JAP...106f4306A . дои : 10.1063/1.3224865 . ISSN 0021-8979 .

[7] Бульян, М.; Гренцер, Дж.; Голый, В.; Радич, Н.; Мишич-Радич, Т.; Левичев С.; Бернсторф, С.; Пивац, Б.; Капан, И. (18 октября 2010 г.). «Структурные и зарядовые свойства двух двухслойных пленок (Ge+SiO ₂ )/SiO _2, нанесенных на гофрированную подложку». Письма по прикладной физике . 97 (16). Издательство AIP: 163117. Бибкод : 2010ApPhL..97p3117B . дои : 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 дефектов, захваченных на глубоком уровне, в перовскитных солнечных элементах CH3NH3PbI3 методом нестационарной спектроскопии глубокого уровня». Энергетика и экология . 10 (5): 1128–1133. дои : 10.1039/C7EE00303J . ISSN 1754-5706 .

[9] Хо, Сун; Со, Габсок; Ли, Юнхуэй; Сеол, Минсу; Ким, Сон Хон; Юн, Донг-Джин; Ким, Ёнсу; Ким, Кихонг; Ли, Чуно (2019). «Причины высокой производительности и деградации солнечных элементов из смешанного перовскита». Продвинутые материалы . 31 (8): 1805438. Бибкод : 2019AdM....3105438H . дои : 10.1002/adma.201805438 . ISSN 1521-4095 . ПМИД 30614565 . S2CID 58578989 .

[10] Брунвин, Р.; Гамильтон, Б.; Джордан, П.; Пикер, Арканзас (1979). «Обнаружение ловушек неосновных носителей с помощью переходной спектроскопии». Электронные письма . 15 (12). Инженерно-технологический институт (ИЭТ): 349. Бибкод : 1979ElL....15..349B . дои : 10.1049/эл:19790248 . ISSN 0013-5194 .

[11] Гамильтон, Б.; Пикер, Арканзас; Уайт, ДР (1979). «Фосфид галлия с пожизненным несовершеннолетним носителем, контролируемым глубинным государством». Журнал прикладной физики . 50 (10). Издательство AIP: 6373–6385. Бибкод : 1979JAP....50.6373H . дои : 10.1063/1.325728 . ISSN 0021-8979 .

[12] Маркевич, вице-президент; Хокинс, ID; Пикер, Арканзас; Емцев, К.В.; Емцев В.В.; Литвинов В.В.; Мурин, Л.И.; Добачевский, Л. (27 декабря 2004 г.). «Пары атомов вакансия-примесь V-группы в кристаллах Ge, легированных P, As, Sb и Bi». Физический обзор B . 70 (23). Американское физическое общество (APS): 235213. Бибкод : 2004PhRvB..70w5213M . дои : 10.1103/physrevb.70.235213 . ISSN 1098-0121 .

[LapRev-13] Перейти обратно: ^а ^б Добачевский Л.; Пикер, Арканзас; Бонде Нильсен, К. (2004). «Спектроскопия глубокого уровня с преобразованием Лапласа: метод и его применение к исследованию точечных дефектов в полупроводниках». Журнал прикладной физики . 96 (9). Издательство AIP: 4689–4728. Бибкод : 2004JAP....96.4689D . дои : 10.1063/1.1794897 . ISSN 0021-8979 .

[14] Преобразование Лапласа Спектроскопия переходных процессов глубокого уровня

[15] Симметрия группы точек

[16] Добачевский Л.; Бернардини, С.; Крушевский, П.; Херли, ПК; Маркевич, вице-президент; Хокинс, ID; Пикер, Арканзас (16 июня 2008 г.). «Распределение энергетических состояний центров P _b (100), (110) и (111), _{на границах раздела Si/SiO 2} исследованных методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней Лапласа» (PDF) . Письма по прикладной физике . 92 (24). Издательство AIP: 242104. Бибкод : 2008ApPhL..92x2104D . дои : 10.1063/1.2939001 . ISSN 0003-6951 .

[17] Джонсон, Нью-Мексико; Бартелинк, диджей; Золото, РБ; Гиббонс, Дж. Ф. (1979). «DLTS-измерение профилей плотности дефектов в полупроводниках при постоянной емкости» . Журнал прикладной физики . 50 (7). Издательство AIP: 4828–4833. Бибкод : 1979JAP....50.4828J . дои : 10.1063/1.326546 . ISSN 0021-8979 .

[18] Лау, штат Вашингтон; Лам, Ю.В. (1982). «Анализ и некоторые соображения по проектированию системы DLTS постоянной емкости». Международный журнал электроники . 52 (4). Информа UK Limited: 369–379. дои : 10.1080/00207218208901442 . ISSN 0020-7217 .

[19] Хуртес, Ч.; Булу, М.; Митонно, А.; Буа, Д. (15 июня 1978 г.). «Спектроскопия глубокого уровня в материалах с высоким сопротивлением». Письма по прикладной физике . 32 (12). Издательство AIP: 821–823. Бибкод : 1978ApPhL..32..821H . дои : 10.1063/1.89929 . ISSN 0003-6951 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]