Войти
Переходная спектроскопия глубокого уровня (DLTS ) - экспериментальный инструмент для изучения электрически активных дефектов (известный как носитель заряда t raps) 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 (истощение ) простого электронного устройства. Чаще всего используются диоды Шоттки или p-n переходы. В процессе измерения установившийся реверс 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 перезаряжать 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 за областью емкости 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 восстановления дефектного заряда.
Метод DLTS имеет более высокую чувствительность, чем почти любой другой метод диагностики полупроводников. Например, в кремнии он может обнаруживать примеси и дефекты при концентрации одна часть на 10 атомов-хозяев 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 Лангом в Bell Laboratories в 1974 году. Патент США был выдан Лангу в 1975 году.
Типичные стандартные спектры DLTS В обычных DLTS переходные процессы емкости исследуются с помощью синхронного усилителя или двойного метод усреднения прямоугольной формы, 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 излучения 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 значений скорости излучения и соответствующих пар температур, можно построить график Аррениуса, который позволяет вычесть энергию активации дефекта для процесса термоэмиссии. Обычно эта энергия (иногда называемая дефектом энергетическим уровнем ) 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.
В дополнение к обычному сканированию температуры DLTS, при котором температура изменяется при импульсном воздействии на устройство с постоянной частотой, температура можно поддерживать постоянной и изменять частоту импульсов. Этот метод называется сканированием частоты DLTS . 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.
DLTS использовался для изучения квантовых точек и солнечных элементов из перовскита..
Для диодов Шоттки ловушки основной несущей наблюдаются при применении импульса обратного смещения, тогда как ловушки неосновной несущей могут наблюдаться, когда импульсы напряжения обратного смещения заменяются световыми импульсами с энергией фотона из указанного выше спектрального диапазона полупроводниковой запрещенной зоны. Этот метод называется нестационарной спектроскопией малых носителей заряда (MCTS). Захваты неосновных носителей могут также наблюдаться для p-n-переходов путем приложения импульсов прямого смещения, которые инжектируют неосновные носители в область пространственного заряда. На графиках DLTS спектры неосновных несущих обычно изображаются с противоположным знаком амплитуды по сравнению со спектрами захвата основных несущих.
Существует расширение DLTS, известное как высокое разрешение преобразование Лапласа DLTS (LDLTS). Лапласовский DLTS - это изотермический метод, в котором переходные процессы емкости оцифровываются и усредняются при фиксированной температуре. Затем с помощью численных методов получаются скорости эмиссии дефектов, эквивалентные обратному преобразованию Лапласа . Полученные скорости излучения представлены в виде спектрального графика. Основным преимуществом Лапласа DLTS 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 разделенных линий и их отношения интенсивности отражают класс симметрии данного дефекта.
Применение LDLTS в МОП-конденсаторах требует устройства в диапазоне, где уровень Ферми, экстраполированный от полупроводника к границе раздела полупроводник-оксид , пересекает эту границу в пределах диапазона запрещенной зоны полупроводника . Состояния электронного интерфейса, присутствующие на этом интерфейсе, могут захватывать носители аналогично дефектам, описанным выше. Если их заполнение электронами или дырками нарушается небольшим импульсом напряжения, то емкость устройства восстанавливается после импульса до своего исходного 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 электронных состояний интерфейса на границах раздела полупроводник-оксид (или диэлектрик ).
В целом, анализ переходных процессов емкости в измерениях DLTS предполагает, что концентрация исследуемых ловушек намного меньше, чем концентрация материала легирования. В тех случаях, когда это предположение не выполняется, для более точного определения концентрации ловушки используется метод DLTS постоянной емкости (CCDLTS). 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 предоставлен Лау и Ламом в 1982 году.
У DLTS есть важный недостаток: ее нельзя использовать для изоляционных материалов.. (Примечание: изолятор может рассматриваться как полупроводник с очень большой запрещенной зоной.) Для изоляционных материалов трудно или невозможно создать устройство, имеющее область пространства, ширина которой может изменяться под действием внешнего смещения напряжения и таким образом, методы DLTS, основанные на измерении емкости, 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 занятости дефекта. Этот метод в литературе иногда называют фотоиндуцированной переходной спектроскопией (PITS). I-DLTS или PITS также используются для изучения дефектов в i-области pin-диода.
