Derin seviye geçici spektroskopi - Deep-level transient spectroscopy

Derin seviye geçici spektroskopi ( DLTS ), yarı iletkenlerdeki elektriksel olarak aktif kusurları ( yük taşıyıcı tuzakları olarak bilinir) incelemek için deneysel bir araçtır . DLTS, temel kusur parametrelerini belirler ve malzeme içindeki konsantrasyonlarını ölçer. Bazı parametreler, tanımlamaları ve analizleri için kullanılan kusurlu "parmak izleri" olarak kabul edilir.

DLTS , basit bir elektronik cihazın uzay şarjı ( tükenme ) bölgesinde bulunan kusurları araştırır . En yaygın olarak kullanılanlar Schottky diyotları veya pn bağlantılarıdır . Ölçüm sürecinde, sabit durum diyot ters polarizasyon voltajı , bir voltaj darbesi ile bozulur . Bu voltaj darbesi, uzay şarj bölgesindeki elektrik alanını azaltır ve yarı iletken yığınından gelen serbest taşıyıcıların bu bölgeye girmesine ve denge dışı yük durumuna neden olan kusurları yeniden yüklemesine izin verir . Darbeden sonra, voltaj sabit durum değerine döndüğünde, arızalar termal emisyon süreci nedeniyle sıkışmış taşıyıcılar yaymaya başlar. Teknik , arızalı şarj durumu kurtarmanın kapasitans geçici olmasına neden olduğu cihaz boşluk şarj bölgesi kapasitansını gözlemler . Hatalı şarj durumu geri kazanımını izleyen voltaj darbesi , hata yeniden şarj işlemi analizi için farklı sinyal işleme yöntemlerinin uygulanmasına izin verecek şekilde çevrilir .

DLTS tekniği, hemen hemen tüm diğer yarı iletken teşhis tekniklerinden daha yüksek bir hassasiyete sahiptir. Örneğin, silikonda , malzeme konakçı atomlarının 10 12'sinde bir kısım konsantrasyonda safsızlıkları ve kusurları tespit edebilir . Bu özellik, tasarımının teknik basitliğiyle birlikte araştırma laboratuvarlarında ve yarı iletken malzeme üretim fabrikalarında çok popüler hale getirdi.

DLTS tekniğinin öncülüğünü 1974'te Bell Laboratuvarlarında David Vern Lang yaptı . 1975'te Lang'a bir ABD Patenti verildi.

DLTS yöntemleri

Geleneksel DLTS

Tipik geleneksel DLTS spektrumları

Geleneksel DLTS'de, geçici kapasitans , numune sıcaklığı yavaşça değiştiğinde (genellikle sıvı nitrojen sıcaklığından 300 K veya daha yüksek oda sıcaklığına kadar bir aralıkta) kilitli bir amplifikatör veya çift kutu-araba ortalama tekniği kullanılarak araştırılır . Ekipman referans frekansı, voltaj darbe tekrarlama oranıdır. Geleneksel DLTS yönteminde, bu frekansın bazı sabitlerle çarpılması (kullanılan donanıma bağlı olarak) "hız penceresi" olarak adlandırılır. Sıcaklık taraması sırasında, bazı kusurlardan taşıyıcıların emisyon oranı hız penceresine eşit olduğunda zirveler görünür. Sonraki DLTS spektrum ölçümlerinde farklı hız pencereleri kurarak, belirli bir tepe noktasının göründüğü farklı sıcaklıklar elde edilir. Emisyon oranına ve karşılık gelen sıcaklık çiftlerine sahip olarak, termal emisyon işlemi için kusur aktivasyon enerjisinin çıkarılmasına izin veren bir Arrhenius grafiği oluşturulabilir . Genellikle bu enerji (bazen kusurlu enerji seviyesi olarak da adlandırılır ) çizim kesişim değeri ile birlikte, tanımlama veya analizi için kullanılan kusur parametreleridir. Düşük serbest taşıyıcı yoğunluklu iletkenlik geçişlerine sahip numunelerde bir DLTS analizi için de kullanılmıştır.

Cihaza sabit bir frekansta darbe uygularken sıcaklığın tarandığı geleneksel sıcaklık taraması DLTS'ye ek olarak, sıcaklık sabit tutulabilir ve darbe frekansını tarayabilir. Bu teknik, frekans taraması DLTS olarak adlandırılır . Teorik olarak, frekans ve sıcaklık taraması DLTS aynı sonuçları vermelidir. Frekans taraması DLTS, özellikle sıcaklıktaki agresif bir değişikliğin cihaza zarar verebileceği durumlarda yararlıdır. Frekans taramasının yararlı olduğu gösterilen bir örnek, ince ve hassas geçit oksitleri olan modern MOS cihazlarını incelemek içindir.

DLTS, kuantum noktaları ve perovskit güneş pillerini incelemek için kullanılmıştır .

MCTS ve azınlık taşıyıcı DLTS

Schottky diyotları için, çoğunluk taşıyıcı tuzakları bir ters öngerilim darbesi uygulanarak gözlemlenirken, azınlık taşıyıcı tuzakları, ters öngerilim voltaj darbeleri , yukarıdaki yarı iletken bant aralığı spektral aralığından foton enerjisi ile değiştirildiğinde gözlenebilir . Bu yönteme Azınlık Taşıyıcı Geçici Spektroskopisi (MCTS) adı verilir. Azınlık taşıyıcı tuzakları, azınlık taşıyıcıları uzay yükü bölgesine enjekte eden ileri önyargı darbelerinin uygulanmasıyla pn kavşakları için de gözlemlenebilir . DLTS grafiklerinde, azınlık taşıyıcı spektrumları genellikle çoğunluk taşıyıcı tuzak spektrumlarına göre ters bir genlik işareti ile gösterilir.

Laplace DLTS

Yüksek çözünürlüklü Laplace dönüşümü DLTS (LDLTS) olarak bilinen bir DLTS uzantısı vardır . Laplace DLTS, geçici kapasitansların sayısallaştırıldığı ve sabit bir sıcaklıkta ortalamasının alındığı bir izotermal tekniktir . Daha sonra, ters Laplace dönüşümüne eşdeğer olan sayısal yöntemler kullanılarak kusurlu emisyon oranları elde edilir . Elde edilen emisyon oranları spektral bir grafik olarak sunulmuştur. Laplace DLTS'nin geleneksel DLTS'ye kıyasla temel avantajı, burada çok benzer sinyalleri ayırt etme yeteneği olarak anlaşılan enerji çözünürlüğündeki önemli artıştır.

Tek eksenli gerilim ile birlikte Laplace DLTS , kusur enerji seviyesinin bölünmesine neden olur. Eşdeğer olmayan yönelimlerde rasgele bir kusur dağılımı varsayıldığında, bölünmüş çizgilerin sayısı ve yoğunluk oranları, verilen kusurun simetri sınıfını yansıtır.

LDLTS'nin MOS kapasitörlerine uygulanması, yarı iletkenten yarı iletken-oksit arayüzüne ekstrapole edilen Fermi seviyesinin yarı iletken bant aralığı aralığında bu arayüzle kesiştiği bir aralıkta cihaz polarizasyon voltajlarına ihtiyaç duyar . Bu arayüzde bulunan elektronik arayüz durumları, yukarıda açıklanan kusurlara benzer şekilde taşıyıcıları yakalayabilir. Elektronlar veya delikler ile işgalleri küçük bir voltaj darbesiyle bozulursa , arayüz durumları taşıyıcılar yaymaya başladığında cihaz kapasitansı darbeden sonra başlangıç ​​değerine geri döner. Bu kurtarma işlemi, farklı cihaz polarizasyon voltajları için LDLTS yöntemi ile analiz edilebilir. Böyle bir prosedür, yarı iletken oksit (veya dielektrik ) arayüzlerindeki arayüz elektronik durumlarının enerji durumu dağılımının elde edilmesine izin verir .

Sabit kapasitanslı DLTS

Genel olarak, DLTS ölçümlerindeki geçici kapasitans analizi, incelenen tuzakların konsantrasyonunun malzeme katkılama konsantrasyonundan çok daha küçük olduğunu varsayar . Bu varsayımın yerine getirilmediği durumlarda, tuzak konsantrasyonunun daha doğru belirlenmesi için sabit kapasitans DLTS (CCDLTS) yöntemi kullanılır. Kusurlar yeniden yüklendiğinde ve konsantrasyonları yüksek olduğunda, cihaz alanı bölgesinin genişliği değişir ve geçici kapasitans analizini yanlış yapar. Cihaz ön gerilimini değiştirerek toplam cihaz kapasitansını sabit tutan ek elektronik devre, tükenme bölgesi genişliğini sabit tutmaya yardımcı olur. Sonuç olarak, değişken cihaz voltajı, hatalı yeniden şarj sürecini yansıtır. Geri bildirim teorisi kullanılarak CCDLTS sisteminin analizi 1982'de Lau ve Lam tarafından sağlandı.

I-DLTS ve PITS

DLTS için önemli bir eksiklik vardır: yalıtım malzemeleri için kullanılamaz. (Not: bir yalıtkan, çok büyük bir bant aralıklı yarı iletken olarak düşünülebilir .) Yalıtım malzemeleri için, genişliği harici voltaj önyargısı ve dolayısıyla kapasitans ölçümüne dayalı olarak değiştirilebilen bir boşluk bölgesine sahip bir cihaz üretmek zordur veya imkansızdır. Hata analizi için DLTS yöntemleri uygulanamaz. Termal olarak uyarılan akım (TSC) spektroskopisinin deneyimlerine dayanarak , mevcut geçişler, kusur doluluk bozukluğu için ışık darbelerinin kullanıldığı DLTS yöntemleri (I-DLTS) ile analiz edilir. Literatürde bu yönteme bazen Foto Kaynaklı Geçici Spektroskopi (PITS) adı verilir. I-DLTS veya PITS, bir pin diyotunun i-bölgesindeki kusurları incelemek için de kullanılır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar