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應(yīng)用分享|深能級缺陷表征- MDPICTS

更新時(shí)間:2025-02-19點(diǎn)擊次數(shù):239

在半導(dǎo)體材料的研究與應(yīng)用中,缺陷表征至關(guān)重要。特別是在中子嬗變摻雜(NTD)硅的處理過程中,了解其輻射誘導(dǎo)缺陷對于優(yōu)化退火條件、提升材料性能意義非凡。Freiberg Instruments公司的微波探測光致電流瞬態(tài)光譜法(MDPICTS)技術(shù)(如圖1),為這一領(lǐng)域帶來了新的突破,展現(xiàn)出諸多傳統(tǒng)技術(shù)難以企及的優(yōu)點(diǎn)。

NTD硅,因能實(shí)現(xiàn)極低的電阻率變化,在大面積輻射探測器制造中占據(jù)重要地位。然而,摻雜后的硅晶體因輻射產(chǎn)生大量缺陷,實(shí)際電阻率遠(yuǎn)超預(yù)期,退火成為必要環(huán)節(jié)。在此過程中,準(zhǔn)確把握晶體損傷程度成為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的深能級瞬態(tài)光譜法(DLTS)在面對高電阻率材料時(shí),會(huì)因高串聯(lián)電阻干擾測量結(jié)果;光致電流瞬態(tài)光譜法(PICTS)雖適用于高阻材料,但制作歐姆接觸的過程復(fù)雜且可能影響襯底性能。而 MDPICTS 技術(shù)完整避開了這些問題,以其非接觸式的測量方式,消除了接觸制作帶來的困擾,為半導(dǎo)體缺陷研究開辟了新路徑。

圖 1. 微波探測光致電流瞬態(tài)光譜法(MDPICTS)測量裝置示意圖。

MD - PICTS 技術(shù)基于單獨(dú)的原理運(yùn)行。當(dāng)對樣品進(jìn)行光學(xué)激發(fā)時(shí),會(huì)產(chǎn)生過剩載流子,關(guān)閉激發(fā)后,載流子衰減呈現(xiàn)兩步式。初始階段,少數(shù)載流子迅速復(fù)合,借此可獲取有效壽命和擴(kuò)散長度等關(guān)鍵參數(shù);隨后,被俘獲的載流子熱再發(fā)射并復(fù)合(如圖2),運(yùn)用DLTS速率窗口概念對這部分衰減進(jìn)行分析,便能準(zhǔn)確繪制PICTS光譜,從而確定缺陷的激發(fā)活能和俘獲截面等重要信息。這一過程不僅科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),而且為深入了解半導(dǎo)體內(nèi)部缺陷特性提供了有力支持。

圖 2. 不同光產(chǎn)生速率下的典型瞬態(tài)。兩次測量均在室溫下對同一樣品進(jìn)行,使用940nm的發(fā)光二極管(LED)進(jìn)行激發(fā)。

研究人員借助Freiberg Instruments公司的MDpicts儀器,對未退火的NTD硅樣品展開了全方面研究。實(shí)驗(yàn)過程中,405nm和940nm的LED作為激發(fā)光源,不同的波長對應(yīng)不同的光穿透深度,這為確定缺陷位于表面還是體相提供了依據(jù)。通過精心控制光產(chǎn)生速率,并多次測量取平均以提高信噪比,研究人員獲取了高精度的數(shù)據(jù)。

圖 3. 典型的光致電流瞬態(tài)光譜(PICTS)(初始延遲時(shí)間為2 ?s至100 ?s)。激發(fā)光源為940 nm的發(fā)光二極管(LED)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人矚目。MD - PICTS 技術(shù)成功識(shí)別出三個(gè)具有明確激發(fā)活能和俘獲截面的陷阱(如圖3),其中兩個(gè)陷阱的激發(fā)活能低于100meV,這是傳統(tǒng)PICTS技術(shù)此前未曾發(fā)現(xiàn)的(如圖4和表1)。此外,還檢測到能量更深的陷阱,盡管其激發(fā)活能變化范圍較大,但依然為研究晶體缺陷提供了重要線索。通過波長相關(guān)分析,明確了所有觀察到的陷阱均為體缺陷。同時(shí),該技術(shù)還測定出少數(shù)載流子壽命約為0.7μs,直觀反映出晶體受中子輻射的損傷程度。

圖 4. 典型的阿倫尼烏斯圖(初始延遲時(shí)間為2 ?s至 200 ?s),該圖用于提取激發(fā)活能以及表觀俘獲截面。激發(fā)采用 940 nm的發(fā)光二極管。

MD - PICTS 技術(shù)的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)成果上,更體現(xiàn)在其廣泛的應(yīng)用前景中。它不僅在輻射探測器領(lǐng)域能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用,助力提升探測器的性能和可靠性,對于硅基功率半導(dǎo)體的研究和開發(fā)也具有潛在價(jià)值。而且,該技術(shù)不受限于裸襯底的檢測,能夠?qū)Σ糠旨庸悠愤M(jìn)行分析,為半導(dǎo)體制造過程中的質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化提供了有力的技術(shù)支持。

表1. 從阿倫尼烏斯圖中提取的激發(fā)活能。相應(yīng)測量使用940nm的LED進(jìn)行。

Freiberg Instruments公司的MDPICTS技術(shù)憑借非接觸式測量、寬溫度范圍檢測、準(zhǔn)確的缺陷定位和豐富的參數(shù)獲取能力等優(yōu)點(diǎn),成為半導(dǎo)體缺陷表征領(lǐng)域的有力工具。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的深入,相信它將為半導(dǎo)體行業(yè)帶來更多的驚喜和突破,推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向著更高的水平邁進(jìn)。

該文章翻譯于Fraunhofer Research Institution和Institute of Physics等機(jī)構(gòu)共同研究的工作。本論文發(fā)表于Journal of Applied Physics期刊中。

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