Релаксация емкости после импульсного изменения смещения.

Релаксационная спектроскопия глубоких уровней: новый метод характеризации ловушек в полупроводниках

Предложен новый метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней (DLTS). Метод наблюдения различных ловушек в полупроводниках заключается в температурном сканировании релаксации высокочастотной емкости. Метод позволяет получить спектр ловушек в кристалле в виде положительных и отрицательных пиков как функцию температуры, обладает высокой чувствительностью, быстротой и простотой анализа. Знак пика указывает, где находится ловушка – вблизи какой из зон, валентной или проводимости, находится ловушка. Высота пика пропорциональна концентрации ловушек, положение пика на температурной шкале однозначно связано со свойствами термической эмиссии ловушки. Кроме того, могут быть определены энергия активации, профиль концентрации, сечение захвата электрона и дырки для каждой ловушки. Дан простой теоретический анализ метода для случая экспоненциальной релаксации. Различные ловушки в GaAs использованы в качестве примера для иллюстрации некоторых особенностей DLTS метода. В заключении проведено критическое сравнение с другими емкостными методами.

Введение

Большинство новых методов, предназначенных для изучения безизлучательных центров, используют емкость p – n перехода или барьера Шоттки для наблюдения за изменением зарядового состояния центров. Однако, эти методы, используемые до настоящего времени, либо не обладают достаточной чувствительностью и скоростью и не охватывают интервал глубин наблюдаемых ловушек, либо не имеют спектроскопического характера, что делало бы их практически важным средством спектроскопии безизлучательных центров большого числа образцов.

В настоящей статье представлен метод температурного сканирования, обладающий всеми упомянутыми свойствами, и, таким образом, весьма привлекательный для изучения неизвестных ловушек как в относительно небольшом наборе образцов, так и в серийном контроле известных ловушек в широком интервале энергии. Метод, который назван deep level transient spectroscopy (DLTS), является методом высокочастотной емкости структур с потенциальным барьером и имеет преимущество по сравнению с методом термостимулированного тока (TSC) в силу более высокой помехоустойчивости к шуму и токам утечки по поверхностным каналам, а также возможности различать ловушки основных и неосновных носителей заряда. Он имеет преимущество и по отношению к лучшему до сих пор методу исследования, методу термостимулированной емкости (TSCAP), т.к. предельная чувствительность и интервал наблюдения глубин ловушек нового метода намного больше. Он также более универсален, чем спектроскопический метод полной проводимости.

В основном измерительная система DLTS состоит из чувствительного и быстродействующего измерителя емкости, позволяющего наблюдать релаксацию, одного или импульсных генераторов для быстрых измерений смещения на диоде, двух-стробного интегратора, X-Y самописца и криостата с переменной температурой.

Наличие ловушки обнаруживается появлением положительного или отрицательного пика на фоне нулевого уровня, в зависимости от температуры. Высота пика пропорциональна концентрации соответствующей ловушки. Знак пика указывает на его принадлежность ловушке основных или неосновных носителей. Положение пика просто и однозначно определяется установкой стробов и свойствами термической эмиссии соответствующей ловушки.

Релаксация емкости после импульсного изменения смещения.

Для объяснения DLTS. Необходимо рассмотреть сначала основные проблемы релаксации емкости. Использование релаксации емкости для изучения ловушек в полупроводниках хорошо известно. Эта методика применяется для получения информации о примесных уровнях в области обеднения барьера Шоттки или p - n перехода путем наблюдения релаксации емкости, связанной с возвращением к термически равновесной заселенности уровня из неравновесного состояния. Измеряя время релаксации как функцию температуры, можно получить энергию активации уровня. Начальная величина сигнала релаксации определяется концентрацией ловушек. В разновидности методики DLTS используют один или более импульсов напряжения, которые прикладываются к образцу, чтобы задать начальные условия. Понятия и обозначения метода импульсного смещения описаны ранее. Для полноты мы изложим также здесь это метод.

Для простоты рассмотрим ситуацию в материале р- типа в ассиметричном n ⁺ p диоде. Результаты имеют полностью общий характер с тривиальными изменениями в обозначениях. В более симметричных переходах ловушки по обе стороны от перехода будут давать сравнимые сигналы, в о время как в ассиметричном случае область обеднения находится главным образом в низко-легированном материале и, следовательно, далее будем рассматривать только ловушки в слабо легированной р- области n ⁺ p диода.

На рис. 1 показаны схематически процессы эмиссии и захвата, характеризующие некоторую ловушку. Скорости захвата и эмиссии для неосновных носителей (электронов в данном случае) – обозначены с₁ и е₁ соответственно, для основных носителей (дырок) – с₂ и е₂. В равновесном состоянии, когда диод обратно смещен, наблюдаемые ловушки находятся в обедненной области. При этом скорости захвата равны нулю, и заселенность уровня определяется скоростями термической эмиссии е₁ и е₂. Как указано на рис.1, равновесная заселенность уровня равна:

ň₁= е₂/(е₁+е₂)/ N          (1)

где N – концентрация ловушек. Электронная ловушка (ловушка неосновных носителей) по определению обычно не заполнена электронами (ň₁=0) и может захватывать их, и наоборот, дырочная ловушка (ловушка основных носителей) обычно заполнена электронами (ň₁= N ) и может захватить дырку, которая рекомбинирует с электроном. Тогда согласно уравнению (1), для электронной ловушки е₁>>е₂, а для дырочной е₂>>е₁. Это обозначено толстыми и тонкими стрелками внизу рис.1. Скорость эмиссии пропорциональна Больцмановскому фактору и зависит экспоненциально от разности энергий уровня ловушки и зоны проводимости для эмиссии электронов, и уровня ловушки и валентной зоны для эмиссии дырок. Поэтому электронные ловушки обычно находятся в верхней половине запрещенной зоны, а дырочные ловушки – в нижней половине.

Изменение емкости (рис.1) вызывается приложением импульса смещения, который вводит носители заряда в обедненную область и изменяет заселенность ловушки электронами по сравнению с равновесной величиной (1). В процессе возвращения заселенности к равновесной величине емкость также возвращается к исходному значению. Для простых линейных уравнений, описывающих скорости переходов, релаксация экспоненциально зависит от времени и скорость изменения равна е₁+е₂. Для ловушек основных носителей в указанной сумме обычно преобладает величина е₂, для ловушек неосновных носителей – е₁. Знак изменения емкости зависит от того, увеличивается или уменьшается импульс смещения заселенность ловушки электронами. Захват неосновных носителей увеличивает емкость перехода, и релаксация имеет положительный знак. Релаксация, связанная с захватом основных носителей, всегда отрицательна (рис.1).

Существует два типа импульсов смещения - импульс инжекции, который мгновенно переводит диод в состояние прямого смещения и инжектирует неосновные носители в область наблюдения (рис.2), и импульс основных носителей, который мгновенно уменьшает смещение на диоде и вводит только основные носители в область наблюдения (рис.3). Как указано на рис.1, равновесная заселенность электронами во время действия импульса смещения равна

ň₁= с₁/(с₁+с₂)/ N          (2)

где с₁ - скорость захвата неосновных носителей, пропорциональная концентрации инжектированных неосновных носителей и с₂ - скорость рекомбинации основных носителей, пропорциональная концентрации основных носителей. Во всех случаях, которые будут рассмотрены, скорость захвата намного больше скорости эмиссии, которой можно пренебречь во время импульса смещения. Импульс инжекции, который вводит достаточно большое количество электронов, такое что с₁>>c ₂ и опустошение ловушек полностью подавлено, заполнит ловушки полностью. Такой импульс называется насыщающим импульсом инжекции. С другой стороны, импульс основных носителей вводит только дырки и вызывает опустошение ловушек электронами, т.е. захват ими дырок.

Рис.2 показывает последовательность приложения импульса инжекции, вызывающего релаксацию емкости в случае захвата неосновных носителей (электронов); аналогично. рис.З показывает последовательность приложения импульса в случае захвата основных носителей (дырок). Оба рисунка 2 п 3 представляют схематические диаграммы зависимостей энергия-расстояние для n ⁺ р перехода, которые описываются изгибом зон электрическим полем перехода, опускаемым здесь для простоты. Края областей обеднения указаны штриховкой. На рис. 2 и 3 показаны сверху вниз - область обеднения, процессы захвата и эмиссии, а также заселенность ловушки электронами до, во время и после соответствующего импульса смещения. Рис.4 - схематическая иллюстрация временных зависимостей различных экспериментальных параметров в случае импульса захвата основных носителей (вверху) и импульса инжекции неосновных носителей (внизу).

Концентрация ловушек может быть определена непосредственно по величине изменения емкости при полном заполнении ловушек насыщающим импульсом инжекции (в случае ловушек неосновных носителей) или наибольшим возможным импульсом основных носителей (в случае ловушек основных носителей). Соотношение для электронных ловушек имеет простой вид:

N =2( ΔC | C )( N_A  - N_D ), (3)

где N - концентрация ловушек. ΔС - изменение емкости в момент t=0 насыщающего импульса инжекции, С — емкость диода в равновесных условиях при обратном смещении и N_A - N_D результирующая концентрация акцепторов в р - области перехода, где наблюдаются ловушки. Более точное определение концентрации ловушек в более общем случае легирования может быть получено концентрационным профилированием, что обсуждается в разделе IV.