Жартылай өткізгіштегі бұзылыстарды зерттеуге арналған терең деңгейлік уақыттық спектроскопия
Deep-level transient spectroscopy
Жартылай өткізгіштегі электрлік ақауларды (ұстағыштарды) зерттеуге арналған DLTS әдісі. Ақаулардың параметрлерін анықтап, шолуға көмектеседі. (DLTS, ақаулар, жартылай өткізгіш)
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Терең деңгейлі уақытша спектроскопия (DLTS) – жартылай өткізгіштердегі электрлік белсенді ақауларды (заряд тасымалдаушы тұзақтары деп белгілі) зерттеуге арналған тәжірибелік құрал. DLTS негізгі ақау параметрлерін анықтайды және материалдағы олардың концентрациясын өлшейді. Кейбір параметрлер ақауларды сәйкестендіру және талдау үшін қолданылатын ақаулардың «белгісі» ретінде қарастырылады. DLTS кеңістіктегі зарядталған (электр тозу) аймақтағы қарапайым электрондық құрылғыдағы ақауларды зерттейді. Ең көп қолданылатыны – Шоттки диодтары немесе p-n тораптары. Өлшеу процесінде тұрақты күйдегі диодтың кері поляризациялық кернеуі кернеу импульсімен бұзылады. Бұл кернеу импульсі кеңістіктегі заряд аймағындағы электр өрісін азайтады және жартылай өткізгіштің ішкі бөлігінен еркін тасымалдаушыларға осы аймаққа енуге және ақауларды қайта зарядтауға, осылайша олардың тепе-теңдіксіз зарядты күйіне түсуіне мүмкіндік береді. Импульстен кейін, кернеу тұрақты күйге келгенде, ақаулар жылулық эмиссия процесі арқылы тұтқындалған тасымалдаушыларды шығара бастайды. Бұл техника құрылғының кеңістіктегі заряд аймағының сыйымдылығын бақылайды, онда ақаулардың зарядты күйін қалпына келтіру сыйымдылықтың уақытша өзгеруіне (транзиентке) әкеледі. Кернеу импульсі және ақаулардың зарядты күйін қалпына келтіру циклдары ақауларды қайта зарядтау процесін талдау үшін әртүрлі сигналды өңдеу әдістерін қолдануға мүмкіндік береді. DLTS техникасы жартылай өткізгіш диагностикасының басқа әдістеріне қарағанда жоғары сезімталдыққа ие. Мысалы, кремнийде ол материалдың құрамындағы 1012-ге бір бөлігінің концентрациясындағы қоспаларды және ақауларды анықтай алады. Бұл ерекшелік, оның техникалық қарапайымдылығымен бірге, оны ғылыми-зерттеу зертханаларында және жартылай өткізгіш материалдарды өндіру заводтарында кеңінен танымал етті. DLTS техникасын 1974 жылы Дэвид Верн Ланг Белл зертханасында алғаш рет қолданды. 1975 жылы Лангқа АҚШ патенті берілді.
Deep level transient spectroscopy (DLTS) is an experimental tool for studying electrically active defects (known as charge carrier traps) in semiconductors. DLTS establishes fundamental defect parameters and measures their concentration in the material. Some of the parameters are considered as defect "finger prints" used for their identifications and analysis. DLTS investigates defects present in a space charge (depletion) region of a simple electronic device. The most commonly used are Schottky diodes or p n junctions. In the measurement process the steady state diode reverse polarization voltage is disturbed by a voltage pulse. This voltage pulse reduces the electric field in the space charge region and allows free carriers from the semiconductor bulk to penetrate this region and recharge the defects causing their non equilibrium charge state. After the pulse, when the voltage returns to its steady state value, the defects start to emit trapped carriers due to the thermal emission process. The technique observes the device space charge region capacitance where the defect charge state recovery causes the capacitance transient. The voltage pulse followed by the defect charge state recovery are cycled allowing an application of different signal processing methods for defect recharging process analysis. The DLTS technique has a higher sensitivity than almost any other semiconductor diagnostic technique. For example, in silicon it can detect impurities and defects at a concentration of one part in 1012 of the material host atoms. This feature together with a technical simplicity of its design made it very popular in research labs and semiconductor material production factories. The DLTS technique was pioneered by David Vern Lang at Bell Laboratories in 1974. A US Patent was awarded to Lang in 1975.
Дәстүрлі DLTS
Кәдімгі DLTS-де сыйымдылық транзиенттері үлгі температурасы баяу өзгерген кезде (әдетте сұйық азот температурасынан бөлме температурасына дейін 300 К немесе одан жоғары) құлыптағы күшейткіш немесе екі еселік қораптық орташалау әдісі арқылы зерттеледі. Жабдықтың эталондық жиілігі – кернеу импульсінің қайталану жиілігі. Дәстүрлі DLTS әдісінде осы жиілік қандай да бір тұрақтыға көбейтілгенде (қолданылатын аппаратқа байланысты) ол "уақыт терезесі" деп аталады. Температуралық сканерлеу кезінде, егер қандай да бір ақаудан болатын тасымалдаушылардың эмиссиясы жылдамдығы уақыт терезесіне тең болса, шыңдар пайда болады. Кейінгі DLTS спектрлік өлшемдерінде әртүрлі уақыт терезелерін орнату арқылы белгілі бір шың қандай температурада пайда болатынын анықтауға болады. Эмиссия жылдамдығы мен сәйкес температура жұптарының жиынтығын пайдаланып, Аррениус графигін құруға болады, ол жылулық эмиссия процесі үшін ақаудың белсендіру энергиясын анықтауға мүмкіндік береді. Әдетте, бұл энергия (кейде ақау энергия деңгейі деп аталады) және графиктің қиылысу нүктесінің мәні ақауды анықтау немесе талдау үшін қолданылатын ақау параметрлері болып табылады. Азат тасымалдаушы тығыздығы төмен үлгілерде DLTS талдауы үшін өткізгіштік транзиенттері де қолданылған. Дәстүрлі температуралық сканерлеу DLTS-тен басқа, құрылғыны тұрақты жиілікпен импульстеу кезінде температураны өзгертуге болады, ал температураны тұрақты ұстап, импульстеу жиілігін өзгертуге болады. Бұл әдіс жиілікпен сканерлеу DLTS деп аталады.
In conventional DLTS the capacitance transients are investigated by using a lock in amplifier or double box car averaging technique when the sample temperature is slowly varied (usually in a range from liquid nitrogen temperature to room temperature 300 K or above). The equipment reference frequency is the voltage pulse repetition rate. In the conventional DLTS method this frequency multiplied by some constant (depending on the hardware used) is called the "rate window". During the temperature scan, peaks appear when the emission rate of carriers from some defect equals the rate window. By setting up different rate windows in subsequent DLTS spectra measurements one obtains different temperatures at which some particular peak appears. Having a set of the emission rate and corresponding temperature pairs one can make an Arrhenius plot, which allows for the deduction of defect activation energy for the thermal emission process. Usually this energy (sometimes called the defect energy level) together with the plot intercept value are defect parameters used for its identification or analysis. On samples with low free carrier density conductance transients have also been used for a DLTS analysis. In addition to the conventional temperature scan DLTS, in which the temperature is swept while pulsing the device at a constant frequency, the temperature can be kept constant and sweep the pulsing frequency. This technique is called the frequency scan DLTS.
MCTS және азшылық тасымалдаушы DLTS
Шоттки диодтары үшін көпшілік тасымалдаушы тұзақтар кері бұрылыс импульсын қолдану арқылы анықталады, ал азшылық тасымалдаушы тұзақтар кері бұрылыс кернеу импульстерінің орнына, жартылай өткізгіштің жолақтық спектрлік диапазонынан жоғары энергиялы фотондар бар жарық импульстарын қолдану арқылы анықталады. Бұл әдіс Азшылық Тасымалдаушы Уақытша Спектроскопиясы (MCTS) деп аталады. p-n тораптарында азшылық тасымалдаушы тұзақтарды кеңістіктік заряд аймағына азшылық тасымалдаушыларды енгізетін тікелей бұрылыс импульстарын қолдану арқылы да анықтауға болады. DLTS графиктерінде азшылық тасымалдаушы спектрлері әдетте көпшілік тасымалдаушы тұзақ спектрлеріне қатысты амплитуданың кері шартты белгісімен көрсетіледі.
For Schottky diodes, majority carrier traps are observed by the application of a reverse bias pulse, while minority carrier traps can be observed when the reverse bias voltage pulses are replaced with light pulses with the photon energy from the above semiconductor bandgap spectral range. This method is called Minority Carrier Transient Spectroscopy (MCTS). The minority carrier traps can be also observed for the p n junctions by application of forward bias pulses, which inject minority carriers into the space charge region. In DLTS plots the minority carrier spectra usually are depicted with an opposite sign of amplitude in respect to the majority carrier trap spectra.
Лапластың DLTS
DLTS-тің кеңейтілген түрі бар, ол жоғары ажыратымды Лаплас трансформациясы DLTS (LDLTS) деп аталады. Лаплас DLTS – бұл изотермиялық әдіс, онда сыйымдылық транзиенттері белгілі бір температурада цифрлық түрде тіркеліп, орташаланады. Содан кейін ақаулардың эмиссиялық деңгейлері сандық әдістерді қолдану арқылы, Лаплас кері трансформациясына тең нәтиже береді. Алынған эмиссиялық деңгейлер спектрлік график түрінде ұсынылады. Дәстүрлі DLTS-ке қарағанда Лаплас DLTS-тің басты артықшылығы – энергия ажыратымдылығының айтарлықтай жоғарылауы, яғни өте ұқсас сигналдарды ажырату қабілеті. Лаплас DLTS бір осьті кернеумен үйлестірілгенде ақаулықтың энергия деңгейінің бөлінуіне әкеледі. Ақаулардың бағыттарындағы кездейсоқ таралуын ескере отырып, бөлінген сызықтардың саны мен олардың қарқындылық қатынастары берілген ақаудың симметрия класын көрсетеді.
There is an extension to DLTS known as a high resolution Laplace transform DLTS (LDLTS). Laplace DLTS is an isothermal technique in which the capacitance transients are digitized and averaged at a fixed temperature. Then the defect emission rates are obtained with a use of numerical methods being equivalent to the inverse Laplace transformation. The obtained emission rates are presented as a spectral plot. The main advantage of Laplace DLTS in comparison to conventional DLTS is the substantial increase in energy resolution understood here as an ability to distinguish very similar signals. Laplace DLTS in combination with uniaxial stress results in a splitting of the defect energy level. Assuming a random distribution of defects in non equivalent orientations, the number of split lines and their intensity ratios reflect the symmetry class of the given
defect.
Тұрақты сыйымдылықтағы DLTS
Жалпы, DLTS өлшеулеріндегі сыйымдылық өтезгіштіктерін (транзиенттерін) талдау, зерттеліп отырған тұзақтардың концентрациясы материалдың допингтік концентрациясынан әлдеқайда төмен деп қарастырады. Егер бұл шарт орындалмаса, тұзақтардың концентрациясын дәлірек анықтау үшін тұрақты сыйымдылықты DLTS (CCDLTS) әдісі қолданылады. Ақаулар қайта зарядталғанда және олардың концентрациясы жоғары болғанда, құрылғының кеңістік аймағының ені өзгереді, бұл сыйымдылық өтезгіштігінің талдауын қате етеді. Қосымша электрондық тізбектер құрылғының жалпы сыйымдылығын тұрақты ұстап, құрылғыға берілетін кернеуді өзгерту арқылы, тозу аймағының енін тұрақты ұстауға көмектеседі. Нәтижесінде, құрылғы кернеуінің өзгеруі ақаулардың қайта зарядталу процесін көрсетеді. 1982 жылы Лау және Лам кері байланыс теориясын пайдаланып CCDLTS жүйесін талдады.
In general, the analysis of the capacitance transients in the DLTS measurements assumes that the concentration of investigated traps is much smaller than the material doping concentration. In cases when this assumption is not fulfilled then the constant capacitance DLTS (CCDLTS) method is used for more accurate determination of the trap concentration. When the defects recharge and their concentration is high then the width of the device space region varies making the analysis of the capacitance transient inaccurate. The additional electronic circuitry maintaining the total device capacitance constant by varying the device bias voltage helps to keep the depletion region width constant. As a result, the varying device voltage reflects the defect recharge process. An analysis of the CCDLTS system using feedback theory was provided by Lau and Lam in 1982.
I-DLTS және PITS
DLTS-тің маңызды кемшілігі бар: оны оқшаулағыш материалдарға қолдануға болмайды. (Ескерту: оқшаулағышты өте үлкен тыйымдалған аймаққа ие жартылай өткізгіш ретінде қарастыруға болады.) Оқшаулағыш материалдар үшін сыртқы кернеу арқылы ені өзгертілетін кеңістік аймағына ие құрылғы жасау қиын немесе мүмкін емес, сондықтан сыйымдылық өлшеуге негізделген DLTS әдістерін ақауларды талдау үшін қолдануға болмайды. Термиялық түрғысынан ынталандырылған ток (TSC) спектроскопиясы тәжірибесіне сүйене отырып, ток импульстары DLTS әдістерімен (I DLTS) талданады, мұнда ақаулықтардың толтырылуын өзгерту үшін жарық импульстері қолданылады. Бұл әдіс әдебиетте кейде Фотоиндуцирленген өткіштік спектроскопиясы (PITS) деп аталады. I DLTS немесе PITS p-i-n диодтың i аймағындағы ақауларды зерттеу үшін де қолданылады.
There is an important shortcoming for DLTS: it cannot be used for insulating materials. (Note: an insulator can be considered as a very large bandgap semiconductor.) For insulating materials it is difficult or impossible to produce a device having a space region for which width could be changed by the external voltage bias and thus the capacitance measurement based DLTS methods cannot be applied for the defect analysis. Basing on experiences of the thermally stimulated current (TSC) spectroscopy, the current transients are analyzed with the DLTS methods (I DLTS), where the light pulses are used for the defect occupancy disturbance. This method in the literature is sometimes called the Photoinduced Transient Spectroscopy (PITS). I DLTS or PITS are also used for studying defects in the i region of a p i n diode.