La espectroscopia transitoria de nivel profundo ( DLTS ) es una herramienta experimental para estudiar defectos eléctricamente activos (conocidos como trampas de portadores de carga ) en semiconductores . DLTS establece parámetros fundamentales de defectos y mide su concentración en el material. Algunos de los parámetros se consideran defectos como "huellas dactilares" que se utilizan para su identificación y análisis.
DLTS investiga los defectos presentes en una región de carga espacial ( agotamiento ) de un dispositivo electrónico simple. Los más utilizados son los diodos Schottky o las uniones pn . En el proceso de medición, el voltaje de polarización inversa del diodo de estado estable se ve perturbado por un pulso de voltaje . Este pulso de voltaje reduce el campo eléctrico en la región de carga espacial y permite portadores libresdel volumen del semiconductor para penetrar en esta región y recargar los defectos causando su estado de carga de desequilibrio. Después del pulso, cuando el voltaje vuelve a su valor de estado estable, los defectos comienzan a emitir portadores atrapados debido al proceso de emisión térmica. La técnica observa la capacitancia de la región de carga del espacio del dispositivo donde la recuperación del estado de carga defectuosa causa la capacitancia transitoria. El pulso de voltaje seguido por la recuperación del estado de carga por defecto se cicla, lo que permite una aplicación de diferentes métodos de procesamiento de señales para el análisis del proceso de recarga de defectos.
La técnica DLTS tiene una sensibilidad más alta que casi cualquier otra técnica de diagnóstico de semiconductores. Por ejemplo, en el silicio puede detectar impurezas y defectos a una concentración de una parte en 10 12 de los átomos que albergan el material. Esta característica, junto con la simplicidad técnica de su diseño, la hizo muy popular en laboratorios de investigación y fábricas de producción de materiales semiconductores.
La técnica DLTS fue iniciada por David Vern Lang en Bell Laboratories en 1974. [1] Una patente estadounidense fue otorgada a Lang en 1975. [2]
Métodos DLTS
DLTS convencional
En el DLTS convencional, los transitorios de capacitancia se investigan utilizando un amplificador de bloqueo [3] o una técnica de promediado de caja doble cuando la temperatura de la muestra varía lentamente (generalmente en un rango desde la temperatura del nitrógeno líquido hasta la temperatura ambiente de 300 K o superior). La frecuencia de referencia del equipo es la tasa de repetición de pulsos de voltaje. En el método DLTS convencional, esta frecuencia multiplicada por alguna constante (dependiendo del hardware utilizado) se denomina "ventana de velocidad". Durante el escaneo de temperatura, aparecen picos cuando la tasa de emisión de portadores de algún defecto es igual a la ventana de tasa. Al configurar diferentes ventanas de velocidad en las siguientes mediciones de espectros DLTS, se obtienen diferentes temperaturas a las que aparece algún pico en particular. Teniendo un conjunto de la tasa de emisión y los pares de temperatura correspondientes, se puede hacer una gráfica de Arrhenius , que permite la deducción de la energía de activación del defecto para el proceso de emisión térmica. Por lo general, esta energía (a veces llamada nivel de energía de defecto ) junto con el valor de intersección de la parcela son parámetros de defecto que se utilizan para su identificación o análisis. En muestras con baja densidad de portadores libres, también se han utilizado transitorios para un análisis DLTS. [4]
Además del barrido de temperatura convencional DLTS, en el que se barre la temperatura mientras se pulsa el dispositivo a una frecuencia constante, la temperatura se puede mantener constante y barrer la frecuencia de pulsación. Esta técnica se denomina DLTS de barrido de frecuencia . [3] En teoría, el DLTS de barrido de frecuencia y temperatura debería producir los mismos resultados. El escaneo de frecuencia DLTS es especialmente útil cuando un cambio agresivo de temperatura puede dañar el dispositivo. Un ejemplo en el que se demuestra que la exploración de frecuencia es útil es para estudiar dispositivos MOS modernos con óxidos de puerta delgados y sensibles. [3]
DLTS se ha utilizado para estudiar puntos cuánticos y células solares de perovskita . [5] [6] [7] [8] [9]
MCTS y DLTS de portadores minoritarios
Para los diodos Schottky, las trampas de portadora mayoritaria se observan mediante la aplicación de un pulso de polarización inversa, mientras que las trampas de portadora minoritaria se pueden observar cuando los pulsos de voltaje de polarización inversa se reemplazan con pulsos de luz con la energía del fotón del rango espectral de banda prohibida del semiconductor anterior . [10] [11] Este método se llama Espectroscopía transitoria portadora minoritaria (MCTS). Las trampas de portadores minoritarios también se pueden observar para las uniones pn mediante la aplicación de pulsos de polarización directa, que inyectan portadores minoritarios en la región de carga espacial. [12] En los gráficos DLTS, los espectros de las portadoras minoritarias generalmente se representan con un signo opuesto de amplitud con respecto a los espectros de trampa de portadora mayoritaria.
Laplace DLTS
Existe una extensión de DLTS conocida como DLTS de transformación de Laplace de alta resolución (LDLTS). Laplace DLTS es una técnica isotérmica en la que los transitorios de capacitancia se digitalizan y promedian a una temperatura fija. Luego, las tasas de emisión de defectos se obtienen con el uso de métodos numéricos que son equivalentes a la transformación inversa de Laplace . Las tasas de emisión obtenidas se presentan como un gráfico espectral. [13] [14] La principal ventaja del DLTS de Laplace en comparación con el DLTS convencional es el aumento sustancial en la resolución de energía entendida aquí como la capacidad de distinguir señales muy similares.
Laplace DLTS en combinación con la tensión uniaxial da como resultado una división del nivel de energía del defecto. Suponiendo una distribución aleatoria de defectos en orientaciones no equivalentes, el número de líneas de división y sus relaciones de intensidad reflejan la clase de simetría [15] del defecto dado. [13]
La aplicación de LDLTS a capacitores MOS necesita voltajes de polarización del dispositivo en un rango en el que el nivel de Fermi extrapolado del semiconductor a la interfaz semiconductor-óxido interseca esta interfaz dentro del rango de banda prohibida de semiconductores . Los estados de la interfaz electrónica presentes en esta interfaz pueden atrapar portadores de manera similar a los defectos descritos anteriormente. Si su ocupación con electrones o huecos se ve perturbada por un pequeño pulso de voltaje, la capacitancia del dispositivo se recupera después del pulso a su valor inicial cuando los estados de la interfaz comienzan a emitir portadoras. Este proceso de recuperación se puede analizar con el método LDLTS para diferentes voltajes de polarización del dispositivo. Tal procedimiento permite obtener la distribución del estado de energía de los estados electrónicos de la interfaz en las interfaces semiconductor-óxido (o dieléctrico ). [dieciséis]
DLTS de capacitancia constante
En general, el análisis de los transitorios de capacitancia en las mediciones DLTS asume que la concentración de trampas investigadas es mucho menor que la concentración de dopaje del material . En los casos en que no se cumpla esta suposición, se utiliza el método DLTS de capacitancia constante (CCDLTS) para una determinación más precisa de la concentración de la trampa. [17] Cuando los defectos se recargan y su concentración es alta, entonces el ancho de la región del espacio del dispositivo varía, lo que hace que el análisis de la capacitancia transitoria sea impreciso. El circuito electrónico adicional que mantiene constante la capacitancia total del dispositivo variando el voltaje de polarización del dispositivo ayuda a mantener constante el ancho de la región de agotamiento. Como resultado, el voltaje variable del dispositivo refleja el proceso de recarga defectuoso. Lau y Lam proporcionaron un análisis del sistema CCDLTS utilizando la teoría de la retroalimentación en 1982. [18]
I-DLTS y PITS
Existe una deficiencia importante de DLTS: no se puede utilizar para materiales aislantes. (Nota: un aislante se puede considerar como un semiconductor de banda prohibida muy grande ). Para materiales aislantes, es difícil o imposible producir un dispositivo que tenga una región espacial para la cual el ancho podría cambiarse por la polarización de voltaje externo y, por lo tanto, la medición de capacitancia basada en Los métodos DLTS no se pueden aplicar para el análisis de defectos. Sobre la base de las experiencias de la espectroscopia de corriente estimulada térmicamente (TSC), los transitorios de corriente se analizan con los métodos DLTS (I-DLTS), donde los pulsos de luz se utilizan para la perturbación de la ocupación del defecto. Este método en la literatura a veces se denomina espectroscopia transitoria fotoinducida (PITS). [19] I-DLTS o PITS también se utilizan para estudiar defectos en la región i de un diodo pin .
Ver también
- Generación y recombinación de portadores
- Bandgap
- Masa efectiva
- Diodo Schottky
- Defecto de Frenkel
- Defecto de Schottky
- Dispositivo semiconductor
- Vacante (química)
- Perfilado de voltaje de capacitancia
- Dieléctrico de alto k
Referencias
- ^ Lang, DV (1974). "Espectroscopia transitoria de nivel profundo: un nuevo método para caracterizar trampas en semiconductores". Revista de Física Aplicada . Publicación AIP. 45 (7): 3023–3032. doi : 10.1063 / 1.1663719 . ISSN 0021-8979 .
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enlaces externos
- Base de datos de señales DLTS de defectos en semiconductores
- Base de datos de defectos en semiconductores