Введение

Глубокоуровневая переходная спектроскопия (DLTS) – это экспериментальный метод для изучения электрически активных дефектов (известных как ловушки носителей заряда) в полупроводниках. DLTS определяет основные параметры дефектов и измеряет их концентрацию в материале. Некоторые из этих параметров рассматриваются как «отпечатки пальцев» дефектов, используемые для их идентификации и анализа. DLTS исследует дефекты, присутствующие в области пространственного заряда (обеднённого слоя) простого электронного прибора. Наиболее часто используются диоды Шоттки или p-n переходы. В процессе измерения постоянное напряжение обратного смещения диода нарушается импульсом напряжения. Этот импульс уменьшает электрическое поле в области пространственного заряда и позволяет свободным носителям заряда из объема полупроводника проникать в эту область и перезаряжать дефекты, переводя их в неравновесное состояние. После импульса, когда напряжение возвращается к своему исходному значению, дефекты начинают испускать захваченные носители заряда за счет процесса термической эмиссии. Метод регистрирует изменение ёмкости области пространственного заряда прибора, вызванное восстановлением заряда дефектов, что проявляется в виде переходного процесса ёмкости. Импульс напряжения, за которым следует восстановление заряда дефектов, повторяется циклически, что позволяет применять различные методы обработки сигналов для анализа процесса перезарядки дефектов. Метод DLTS обладает более высокой чувствительностью, чем большинство других методов диагностики полупроводников. Например, в кремнии он позволяет обнаруживать примеси и дефекты при концентрации в одну часть на 10¹² атомов материала-основы. Эта особенность, в сочетании с технической простотой конструкции, сделала DLTS широко распространенным в исследовательских лабораториях и на предприятиях по производству полупроводниковых материалов. Метод DLTS был разработан Дэвидом Верном Лэнгом в Bell Laboratories в 1974 году. В 1975 году Лэнгу был выдан патент США.

Обычные DLTS

В обычной DLTS транзиенты ёмкости исследуются с помощью амплитудного селективного усилителя или метода двойного усреднения по временным интервалам при медленном изменении температуры образца (обычно в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной температуры 300 К и выше). Референтная частота оборудования соответствует частоте повторения импульсов напряжения. В традиционном методе DLTS эта частота, умноженная на некоторую константу (зависящую от используемого оборудования), называется "временным окном". Во время температурной зависимости пики возникают, когда скорость эмиссии носителей заряда из дефекта становится равной временному окну. Варьируя временные окна в последовательных измерениях спектров DLTS, получают различные температуры, при которых наблюдается конкретный пик. Имея набор значений скорости эмиссии и соответствующих температур, можно построить график Аррениуса, позволяющий определить энергию активации дефекта для процесса тепловой эмиссии. Обычно эта энергия (иногда называемая энергетическим уровнем дефекта) вместе со значением пересечения с осью являются параметрами дефекта, используемыми для его идентификации или анализа. Для образцов с низкой концентрацией свободных носителей заряда также использовались транзиенты проводимости для анализа DLTS. Помимо традиционного температурного сканирования DLTS, при котором температура изменяется при импульсации устройства с постоянной частотой, можно поддерживать постоянную температуру и изменять частоту импульсации. Эта методика называется частотным сканированием DLTS.

MCTS и DLTS для меньшинств

Для диодов Шоттки ловушки основных носителей заряда наблюдаются при приложении импульса обратного смещения, а ловушки неосновных носителей заряда можно наблюдать при замене импульсов обратного напряжения на световые импульсы с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника. Этот метод называется спектроскопией переходных процессов неосновных носителей заряда (MCTS). Ловушки неосновных носителей заряда также можно наблюдать в p-n переходах при приложении импульсов прямого смещения, которые внедряют неосновные носители заряда в область пространственного заряда. На графиках DLTS спектры неосновных носителей заряда обычно отображаются со знаком амплитуды, противоположным спектрам основных носителей заряда.

Лапласский DLTS

Существует расширение метода DLTS, известное как высокоразрешающая трансформация Лапласа DLTS (LDLTS). Laplace DLTS – это изотермическая методика, при которой переходные процессы ёмкости оцифровываются и усредняются при фиксированной температуре. Затем скорости эмиссии дефектов определяются с использованием численных методов, эквивалентных обратному преобразованию Лапласа. Полученные скорости эмиссии представляются в виде спектрального графика. Основное преимущество Laplace DLTS по сравнению с традиционным DLTS заключается в значительном увеличении энергетического разрешения, понимаемого здесь как способность различать очень близкие сигналы. Laplace DLTS в сочетании с одноосным напряжением приводит к расщеплению энергетического уровня дефекта. При условии случайного распределения дефектов по неэквивалентным ориентациям, количество расщепленных линий и соотношение их интенсивностей отражают класс симметрии данного дефекта.

DLTS с постоянной емкостью

В целом, анализ переходных процессов емкости в измерениях DLTS исходит из предположения, что концентрация исследуемых захватов значительно меньше концентрации легирования материала. В случаях, когда это предположение не выполняется, для более точного определения концентрации захватов используется метод DLTS с постоянной емкостью (CCDLTS). Когда дефекты перезаряжаются и их концентрация велика, ширина обедненного слоя прибора изменяется, что приводит к неточности анализа переходного процесса емкости. Дополнительная электронная схема, поддерживающая постоянную емкость прибора путем изменения приложенного напряжения, помогает поддерживать постоянной ширину обедненного слоя. В результате изменение напряжения прибора отражает процесс перезарядки дефектов. Анализ системы CCDLTS с использованием теории обратной связи был выполнен Лау и Лэмом в 1982 году.

I-DLTS и PITS

Существует важный недостаток DLTS: его нельзя использовать для анализа изоляционных материалов. (Примечание: изолятор можно рассматривать как полупроводник с очень большой шириной запрещенной зоны.) Для изоляционных материалов сложно или невозможно создать структуру с областью пространственного заряда, ширину которой можно было бы изменять внешним напряжением, и, следовательно, методы DLTS, основанные на измерении ёмкости, неприменимы для анализа дефектов. Основываясь на опыте, полученном в спектроскопии термически стимулированного тока (TSC), анализ переходных процессов тока проводится методами DLTS (I DLTS), при этом световые импульсы используются для изменения заполнения дефектов. Этот метод в литературе иногда называют спектроскопией фотоиндуцированных переходных процессов (PITS). I DLTS или PITS также применяются для изучения дефектов в i-области p-i-n диода.