技术文章
TECHNICAL ARTICLES在半导体材料的研究与应用中,缺陷表征至关重要。特别是在中子嬗变掺杂(NTD)硅的处理过程中,了解其辐射诱导缺陷对于优化退火条件、提升材料性能意义非凡。Freiberg Instruments公司的微波探测光致电流瞬态光谱法(MDPICTS)技术(如图1),为这一领域带来了新的突破,展现出诸多传统技术难以企及的优点。
NTD硅,因能实现极低的电阻率变化,在大面积辐射探测器制造中占据重要地位。然而,掺杂后的硅晶体因辐射产生大量缺陷,实际电阻率远超预期,退火成为必要环节。在此过程中,准确把握晶体损伤程度成为关键。传统的深能级瞬态光谱法(DLTS)在面对高电阻率材料时,会因高串联电阻干扰测量结果;光致电流瞬态光谱法(PICTS)虽适用于高阻材料,但制作欧姆接触的过程复杂且可能影响衬底性能。而 MDPICTS 技术完整避开了这些问题,以其非接触式的测量方式,消除了接触制作带来的困扰,为半导体缺陷研究开辟了新路径。
图 1. 微波探测光致电流瞬态光谱法(MDPICTS)测量装置示意图。
MD - PICTS 技术基于单独的原理运行。当对样品进行光学激发时,会产生过剩载流子,关闭激发后,载流子衰减呈现两步式。初始阶段,少数载流子迅速复合,借此可获取有效寿命和扩散长度等关键参数;随后,被俘获的载流子热再发射并复合(如图2),运用DLTS速率窗口概念对这部分衰减进行分析,便能准确绘制PICTS光谱,从而确定缺陷的激发活能和俘获截面等重要信息。这一过程不仅科学严谨,而且为深入了解半导体内部缺陷特性提供了有力支持。
图 2. 不同光产生速率下的典型瞬态。两次测量均在室温下对同一样品进行,使用940nm的发光二极管(LED)进行激发。
研究人员借助Freiberg Instruments公司的MDpicts仪器,对未退火的NTD硅样品展开了全方面研究。实验过程中,405nm和940nm的LED作为激发光源,不同的波长对应不同的光穿透深度,这为确定缺陷位于表面还是体相提供了依据。通过精心控制光产生速率,并多次测量取平均以提高信噪比,研究人员获取了高精度的数据。
图 3. 典型的光致电流瞬态光谱(PICTS)(初始延迟时间为2 s至100 s)。激发光源为940 nm的发光二极管(LED)。
实验结果令人瞩目。MD - PICTS 技术成功识别出三个具有明确激发活能和俘获截面的陷阱(如图3),其中两个陷阱的激发活能低于100meV,这是传统PICTS技术此前未曾发现的(如图4和表1)。此外,还检测到能量更深的陷阱,尽管其激发活能变化范围较大,但依然为研究晶体缺陷提供了重要线索。通过波长相关分析,明确了所有观察到的陷阱均为体缺陷。同时,该技术还测定出少数载流子寿命约为0.7μs,直观反映出晶体受中子辐射的损伤程度。
图 4. 典型的阿伦尼乌斯图(初始延迟时间为2 s至 200 s),该图用于提取激发活能以及表观俘获截面。激发采用 940 nm的发光二极管。
MD - PICTS 技术的优势不仅体现在实验成果上,更体现在其广泛的应用前景中。它不仅在辐射探测器领域能够发挥关键作用,助力提升探测器的性能和可靠性,对于硅基功率半导体的研究和开发也具有潜在价值。而且,该技术不受限于裸衬底的检测,能够对部分加工样品进行分析,为半导体制造过程中的质量控制和工艺优化提供了有力的技术支持。
表1. 从阿伦尼乌斯图中提取的激发活能。相应测量使用940nm的LED进行。
Freiberg Instruments公司的MDPICTS技术凭借非接触式测量、宽温度范围检测、准确的缺陷定位和丰富的参数获取能力等优点,成为半导体缺陷表征领域的有力工具。随着技术的不断发展和应用的深入,相信它将为半导体行业带来更多的惊喜和突破,推动整个行业向着更高的水平迈进。
该文章翻译于Fraunhofer Research Institution和Institute of Physics等机构共同研究的工作。本论文发表于Journal of Applied Physics期刊中。
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