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深準位過渡分光法( DLTS ) は、半導体内の電気的に活性な欠陥 (電荷キャリアトラップと呼ばれる) を研究するための実験ツールです。DLTS は、基本的な欠陥パラメータを確立し、材料内の欠陥の濃度を測定します。パラメータの一部は、欠陥の識別と分析に使用される欠陥の「指紋」と見なされます。
DLTS は、単純な電子デバイスの空間電荷 (空乏) 領域に存在する欠陥を調査します。最も一般的に使用されるのは、ショットキー ダイオードまたはpn 接合です。測定プロセスでは、定常ダイオード逆分極電圧が電圧パルスによって乱されます。この電圧パルスは、空間電荷領域の電界を低減し、半導体バルクからの自由キャリアがこの領域に浸透して欠陥を再充電し、非平衡電荷状態を引き起こすことを可能にします。パルス後、電圧が定常値に戻ると、熱放出プロセスにより、欠陥はトラップされたキャリアを放出し始めます。この技術は、欠陥の電荷状態の回復によって容量過渡現象が発生するデバイスの空間電荷領域の容量を観察します。電圧パルスとそれに続く欠陥の電荷状態の回復を循環させることで、さまざまな信号処理方法を適用して欠陥再充電プロセス分析を行うことができます。
DLTS 技術は、他のほとんどの半導体診断技術よりも感度が高く、たとえばシリコンでは、材料ホスト原子の 10 12分の 1 の濃度の不純物や欠陥を検出できます。この機能と設計の技術的な単純さにより、研究室や半導体材料製造工場で非常に人気があります。
DLTS技術は1974年にベル研究所のデイビッド・バーン・ラングによって開発されました。 [1]ラングは1975年に米国特許を取得しました。[2]
DLTSメソッド
従来のDLTS
従来の DLTS では、サンプル温度がゆっくり変化しているとき (通常は液体窒素温度から室温 300 K以上までの範囲) 、ロックイン アンプ[3]またはダブルボックスカー平均化技術を使用して容量過渡現象が調査されます。装置の基準周波数は、電圧パルス繰り返し率です。従来の DLTS 法では、この周波数に定数 (使用するハードウェアによって異なります) を乗じたものを「レート ウィンドウ」と呼びます。温度スキャン中、欠陥からのキャリアの放出率がレート ウィンドウに等しいときにピークが現れます。その後の DLTS スペクトル測定で異なるレート ウィンドウを設定すると、特定のピークが現れるさまざまな温度が得られます。放出率と対応する温度のペアのセットがあれば、アレニウス プロットを作成できます。これにより、熱放出プロセスの欠陥活性化エネルギーを差し引くことができます。通常、このエネルギー (欠陥エネルギー レベルと呼ばれることもあります) とプロットの切片値は、欠陥の識別または分析に使用される欠陥パラメーターです。自由キャリア密度が低いサンプルでは、伝導率過渡現象も DLTS 分析に使用されています。[4]
従来の温度スキャンDLTS（デバイスを一定周波数でパルスしながら温度をスイープする）に加えて、温度を一定に保ち、パルス周波数をスイープすることもできます。この技術は周波数スキャンDLTSと呼ばれます。[3]理論上、周波数スキャンDLTSと温度スキャンDLTSは同じ結果をもたらすはずです。周波数スキャンDLTSは、急激な温度変化がデバイスを損傷する可能性がある場合に特に役立ちます。周波数スキャンが有用であることが示される例としては、薄くて敏感なゲート酸化物を備えた最新のMOSデバイスの研究が挙げられます。[3]
DLTSは量子ドットやペロブスカイト太陽電池の研究に使われてきました。[5] [6] [7] [8] [9]
MCTS と少数キャリア DLTS
ショットキーダイオードの場合、多数キャリアトラップは逆バイアスパルスの印加によって観察されますが、少数キャリアトラップは逆バイアス電圧パルスを上記の半導体バンドギャップスペクトル範囲からの光子エネルギーを持つ光パルスに置き換えると観察できます。 [10] [11]この方法は、少数キャリア過渡分光法 (MCTS) と呼ばれます。少数キャリアトラップは、少数キャリアを空間電荷領域に注入する順方向バイアスパルスの印加によってもpn接合で観察できます。 [12] DLTSプロットでは、少数キャリアスペクトルは通常、多数キャリアトラップスペクトルに対して振幅の反対の符号で表されます。
ラプラスDLTS
DLTS の拡張版として、高解像度ラプラス変換DLTS (LDLTS)があります。ラプラス DLTS は、一定温度で静電容量の過渡変化をデジタル化して平均化する等温技術です。次に、逆ラプラス変換に相当する数値手法を使用して欠陥放出率を取得します。得られた放出率はスペクトル プロットとして表示されます。[13] [14]従来の DLTS と比較したラプラス DLTS の主な利点は、エネルギー分解能が大幅に向上することであり、ここでは非常に類似した信号を区別する能力として理解されています。
ラプラスDLTSと一軸応力の組み合わせは、欠陥エネルギーレベルの分裂をもたらす。欠陥が非等価な方向にランダムに分布していると仮定すると、分裂線の数とその強度比は、与えられた欠陥の対称性クラス[15]を反映します。[13]
LDLTS をMOS コンデンサに適用するには、半導体から半導体-酸化物界面に外挿されたフェルミ準位が半導体バンドギャップ範囲内でこの界面と交差する範囲のデバイス分極電圧が必要です。この界面に存在する電子界面状態は、上記の欠陥と同様にキャリアをトラップできます。電子または正孔による占有が小さな電圧パルスによって乱されると、界面状態がキャリアを放出し始めると、デバイス容量はパルス後に初期値に回復します。この回復プロセスは、さまざまなデバイス分極電圧について LDLTS 法で分析できます。このような手順により、半導体-酸化物 (または誘電体) 界面における界面電子状態のエネルギー状態分布を取得できます。[16]
定容量DLTS
一般に、DLTS 測定における容量過渡現象の解析では、調査対象のトラップの濃度が材料のドーピング濃度よりもはるかに小さいと仮定します。この仮定が満たされない場合は、トラップ濃度をより正確に決定するために、定容量 DLTS (CCDLTS) 法が使用されます。[17]欠陥が再充電され、その濃度が高い場合、デバイス空間領域の幅が変化するため、容量過渡現象の解析が不正確になります。デバイスバイアス電圧を変化させることでデバイス全体の容量を一定に保つ追加の電子回路は、空乏領域の幅を一定に保つのに役立ちます。その結果、変化するデバイス電圧は欠陥の再充電プロセスを反映することになります。フィードバック理論を使用した CCDLTS システムの解析は、1982 年に Lau と Lam によって提供されました。[18]
I-DLTS と PITS
DLTS には重要な欠点があります。それは、絶縁材料には使用できないことです。(注: 絶縁体は、非常に大きなバンドギャップの半導体と見なすことができます。) 絶縁材料の場合、外部電圧バイアスによって幅を変更できる空間領域を持つデバイスを作成することは困難または不可能であるため、静電容量測定に基づく DLTS 法を欠陥分析に適用することはできません。熱刺激電流(TSC) 分光法の経験に基づいて、電流過渡現象は DLTS 法 (I-DLTS) で分析されます。この方法では、光パルスが欠陥占有率の乱れに使用されます。文献では、この方法は光誘起過渡分光法 (PITS) と呼ばれることもあります。[19] I-DLTS または PITS は、 pin ダイオードの i 領域の欠陥の研究にも使用されます。
参照
参考文献
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外部リンク
- 半導体欠陥のDLTS信号のデータベース
- 半導体欠陥データベース 2011-07-17 にWayback Machineでアーカイブ