Transientspektroskopie mit tiefem Niveau

Transientspektroskopie mit tiefem Niveau (DLTS) ist ein experimentelles Instrument zur Untersuchung elektrisch aktiver Defekte (bekannt als Anklagestreifen Fallen) in Halbleiter. DLTS legt grundlegende Defektparameter her und misst ihre Konzentration im Material. Einige der Parameter gelten als Defekt "Fingerabdrücke", die für ihre Identifikationen und Analysen verwendet werden.

DLTS untersucht Defekte, die in einer Raumladung vorhanden sind (Erschöpfung) Region eines einfachen elektronischen Geräts. Die am häufigsten verwendeten sind Schottky Dioden oder P-N-Übergänge. Im Messprozess wird die stationäre Dioden-Revers-Polarisationsspannung durch eine Spannung gestört Impuls. Dieser Spannungsimpuls reduziert das elektrische Feld im Raumladungsbereich und ermöglicht frei Träger Aus dem Halbleiter, um in diesen Bereich einzudringen und die Defekte aufzuladen, die ihren Nicht-Gleichgewichts-Ladungszustand verursachen. Nach dem Impuls werden die Defekte aufgrund des thermischen Emissionsprozesses, wenn die Spannung zu ihrem stationären Wert zurückkehrt, aufgrund des thermischen Emissionsprozesses ab. Die Technik beobachtet den Bereich der Gerätespace Ladungsregion Kapazität Wenn die Wiederherstellung des Defektladungszustands den Kapazitätsübergang verursacht. Der Spannungsimpuls, gefolgt von der Wiederherstellung des Defektladungszustands Signalverarbeitung Methoden zur Analyse des Aufladungsprozesses für Defekte.

Die DLTS -Technik hat eine höhere Empfindlichkeit als fast jede andere Halbleiterdiagnosetechnik. Zum Beispiel in Silizium Es kann Verunreinigungen und Defekte in einer Konzentration von einem Teil in 10 erkennen12 der materiellen Wirtatome. Diese Funktion hat zusammen mit einer technischen Einfachheit seines Designs in Forschungslabors und Halbleiter -Materialproduktionsfabriken sehr beliebt.

Die DLTS -Technik wurde von David Vern Lang bei Pionierarbeit bei Glockenlabors 1974.[1] Ein US -Patent wurde 1975 an Lang vergeben.[2]

DLTS -Methoden

Konventionelle DLTs

Typische herkömmliche DLTS -Spektren

In herkömmlichen DLTs werden die Kapazitätstransienten unter Verwendung von a untersucht Verstärker des Sperrverstärkers[3] oder doppelt Box-Car-Mittelung Technik, wenn die Probentemperatur langsam variiert (normalerweise in einem Bereich von Flüssigstickstoff Temperatur bis Raumtemperatur 300 K oder höher). Die Ausrüstungsreferenzfrequenz ist die Spannungspulswiederholungsrate. Bei der herkömmlichen DLTS -Methode wird diese Frequenz multipliziert mit einer Konstanten (je nach verwendeter Hardware) als "Ratenfenster" bezeichnet. Während des Temperaturscans treten Peaks auf, wenn die Emissionsrate von Trägern aus einem Defekt dem Geschwindigkeitsfenster entspricht. Durch das Einrichten verschiedener Geschwindigkeitsfenster in nachfolgenden DLTS -Spektrenmessungen erhält man unterschiedliche Temperaturen, bei denen ein bestimmter Peak auftritt. Mit einem Satz der Emissionsrate und den entsprechenden Temperaturpaaren kann man eine machen Arrhenius Plot, was den Abzug des Defekts ermöglicht Aktivierungsenergie Für den thermischen Emissionsprozess. Normalerweise diese Energie (manchmal als Defekt bezeichnet Energielevel) zusammen mit dem Plot -Intercept -Wert sind Defektparameter, die für seine Identifizierung oder Analyse verwendet werden. Bei Proben mit niedrig freier Trägerdichteleitfähigkeit wurden auch Transienten für eine DLTS -Analyse verwendet.[4]

Zusätzlich zu den herkömmlichen Temperaturen -Scan -DLTs, bei denen die Temperatur beim Puls des Geräts bei einer konstanten Frequenz gefegt wird, kann die Temperatur konstant gehalten werden und die Pulsfrequenz fegen. Diese Technik wird die genannt Frequenz -Scan -DLTs.[3] Theoretisch sollten die Frequenz- und Temperatur -Scan -DLTs die gleichen Ergebnisse liefern. Frequenz -Scan -DLTs sind speziell nützlich, wenn eine aggressive Temperaturänderung das Gerät beschädigen kann. Ein Beispiel, bei dem gezeigt wird, dass der Frequenzscan nützlich ist, ist die Untersuchung moderner MOS -Geräte mit dünnen und empfindlichen Gateoxiden.[3]

DLTS wurde verwendet, um zu studieren Quantenpunkte und Perovskit -Solarzellen.[5][6][7][8][9]

MCTs und Minderheiten-Carrier-DLTs

Für Schottky -Dioden, Mehrheitsbetreiber Fallen werden durch die Anwendung eines Reverse -Bias -Impulses beobachtet, während Minderheitsbetreiber Fallen können beobachtet werden, wenn die Spannungspulse der umgekehrten Vorspannung durch leichte Impulse durch das ersetzt werden Photon Energie aus dem obigen Halbleiter Bandabstand Spektralbereich.[10][11] Diese Methode wird als Minderheitsträger -Transient -Spektroskopie (MCTs) bezeichnet. Die Minderheitenträgerfallen können auch für die beobachtet werden P-N-Übergänge Durch Anwendung von Vorspannungen impulse, die Minderheitsträger in den Raumladungsbereich einfließen lassen.[12] In DLTs -Diagrammen werden die Minderheitenträgerspektren normalerweise mit einem entgegengesetzten Vorzeichen einer Amplitude in Bezug auf die Mehrheitsbetreiber -Trap -Spektren dargestellt.

Laplace DLTS

Es gibt eine Erweiterung der DLTs, die als hohe Auflösung bekannt ist Laplace-Transformation DLTS (LDLTS). Laplace DLTS ist eine isotherme Technik, bei der die Kapazitätstransienten sind digitalisiert und gemittelt bei einer festen Temperatur. Dann werden die Defektemissionsraten mit einer Verwendung von numerischen Methoden erhalten, die dem gleichwertig sind Inverse Laplace -Transformation. Die erhaltenen Emissionsraten werden als spektrales Diagramm dargestellt.[13][14] Der Hauptvorteil von Laplace -DLTs im Vergleich zu herkömmlichen DLTs ist der erhebliche Anstieg der Energieauflösung, die hier als Fähigkeit verstanden wird, sehr ähnliche Signale zu unterscheiden.

Laplace DLTs in Kombination mit Uniaxial betonen führt zu einer Aufteilung des Energieniveaus des Defekts. Unter der Annahme einer zufälligen Verteilung von Defekten in nichtäquivalenten Orientierungen spiegeln die Anzahl der geteilten Linien und deren Intensitätsverhältnisse die Symmetrieklasse wider[15] des gegebenen Defekts.[13]

Anwendung von LDLTs an MOS -Kondensatoren benötigt Gerätepolarisationsspannungen in einem Bereich, in dem die Fermi -Spiegel vom Halbleiter zum Halbleiteroxid extrapoliert Schnittstelle Überschneidet diese Schnittstelle innerhalb des Halbleiters Bandabstand Angebot. Die an dieser Grenzfläche vorhandenen elektronischen Grenzflächenzustände können Träger ähnlich wie oben beschriebene Defekte fangen. Wenn ihre Belegung mit Elektronen oder Löcher wird durch einen kleinen Spannungsimpuls gestört, dann erholt sich die Gerätekapazität nach dem Impuls zu seinem Anfangswert, wenn die Grenzflächenzustände die Träger abgeben. Dieser Wiederherstellungsprozess kann mit der LDLTS -Methode für verschiedene Gerätepolarisationsspannungen analysiert werden. Ein solches Verfahren ermöglicht es, die Energiezustandsverteilung der elektronischen Schnittstellenzustände am Halbleiteroxid zu erhalten (oder Dielektrikum) Schnittstellen.[16]

DLTs konstantes Kapazität

Im Allgemeinen wird die Analyse der Kapazitätstransienten in den DLTS -Messungen vorausgesetzt, dass die Konzentration der untersuchten Fallen viel kleiner ist als das Material Doping Konzentration. In Fällen, in denen diese Annahme nicht erfüllt ist, wird die Methode der konstanten KapazitätsdLTs (CCDLTs) zur genaueren Bestimmung der Fallenkonzentration verwendet.[17] Wenn sich die Defekte aufladen und ihre Konzentration hoch ist, variiert die Breite des Geräteraumbereichs die Analyse des Kapazitätsübergangs ungenau. Die zusätzliche elektronische Schaltung, die die Gesamteinrichtungskapazitätskonstante durch Variation der Vorspannung der Gerätespannung beibehält, hilft, die Breite der Verarmung der Region konstant zu halten. Infolgedessen spiegelt die variierende Gerätespannung den Defektaufladungsprozess wider. Eine Analyse des CCDLTS -Systems unter Verwendung der Feedback -Theorie wurde 1982 von LAU und LAM bereitgestellt.[18]

I-DLTS und Gruben

Es gibt ein wichtiges Mangel für DLTs: Es kann nicht für Isoliermaterialien verwendet werden. (Hinweis: Ein Isolator kann als als betrachtet werden Sehr großer Bandgap -Halbleiter.) Für Isoliermaterialien ist es schwierig oder unmöglich, ein Gerät mit einem Raumbereich zu produzieren, für den die Breite durch die externe Spannungsverzerrung geändert werden kann, und daher kann die auf Kapazitätsmessbasis basierende DLT-Methoden für die Defektanalyse nicht angewendet werden. Basis auf Erfahrungen der Thermisch stimulierter Strom (TSC) Spektroskopie, die Stromtransienten werden mit den DLTS-Methoden (I-DLTs) analysiert, bei denen die leichten Impulse für die Defektbelegungsstörung verwendet werden. Diese Methode in der Literatur wird manchmal als photoinduzierte transiente Spektroskopie (Gruben) bezeichnet.[19] I-DLTs oder Gruben werden auch zum Untersuchung von Defekten in der I-Region von a verwendet P-i-n Diode.

Siehe auch

Verweise

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Externe Links