Электрические методы исследования разрывов энергетических зон в полупроводниковых микро- и наногетероструктурах. Учебное пособие

22

на величину сигнала влияют, кроме того, пространственное расположение перезаряжающихся ловушек между границами ОПЗ, тип ловушки, способ регистрации DLTS, величина выбираемой постоянной времени.

Рис. 7. Различные весовые функции: а – двухимпульсный интегратор (double boxcar); б – синхронный усилитель (lock-in); в – экспоненциальная весовая функция вида exp(-t/(0,4Tc)); г – функция Ходгарта (длительность ступенек (0,1, 0,15, 0,75) Tc , высота ступенек (4,7, 1,45, -0,92)); д – синусоидальная весовая функция; е, ж, з – функции высокого разрешения HiRes-3, HiRes-4 и HiRes-5 (длительности ступенек равны, высота построена на основе биноминальных коэффициентов и соответственно равна (-1, 2, 1), (-1, 3, -3, 1) и (-1, 4, -6, 4, -1)); и – функция высокого разрешения HiRes-6 (длительность ступенек пропорциональна (1, 2, 4, 8), высота ступенек (1, -7/8, 7/32, -1/64)); Tg – длительность задержки от начала релаксации, Tc – длительность “ кадра” [10]

23

Рассмотрим далее относительное изменение емкости перехода

удаленном на расстояние x от металлургической границы p+-n- перехода (диода Шоттки, МДП – структуры) в слое ОПЗ (0 < x < w). Из уравнения Пуассона следует, что изменение напряжения, индуцированное захватом n(x) электронов в окрестности точки x,

равно [4]

U = εεe0 [ND w w − n(x)x x].

Для режима регистрации изменения емкости структуры при постоянном напряжении смещения получается [4]:

Необходимо отметить, что чувствительность емкости перехода к перезарядке ГЦ линейно изменяется от нуля при перезарядке ГЦ вблизи границы раздела перехода до максимального значения при перезарядке ГЦ на внешней границе ОПЗ. При емкостной DLTS это справедливо для ловушек как основных, так и неосновных НЗ.

При исследовании ГУ по релаксации емкости перехода имеется возможность разделения сигналов ловушек основных и неосновных носителей заряда, если условия заполнения ГУ выбраны такими, что заполняются оба типа ловушек. Опустошение ловушек основных носителей заряда после выключения заполняющего импульса напряжения приводит к увеличению плотности заряда в ОПЗ и, следовательно, к увеличению емкости перехода в процессе релаксации до равновесного состояния, определяемого величиной амплитуды опустошающего импульса. В случае опустошения ловушек неосновных носителей заряда ситуация обратная. Следовательно, сигналы емкостной DLTS от ловушек основных и неосновных носителей заряда будут при регистрации давать пики на спектре различного знака.

Релаксация тока через диодную структуру вызвана выносом освободившихся НЗ с глубоких уровней в ОПЗ в электронейтральные области диодной структуры. Если обозначить величину заряда, обусловленного эмиссией n(x) электронов с ловушек,

расположенных в интервале x на расстоянии x от границы раздела перехода, как Q , тогда

24

Q = eS n(x) x ,

где S – площадь перехода.

В случае эмиссии электронов в материале n-типа проводимости некоторая часть заряда Q+ вызывает изменение емкости перехода за счет изменения толщины ОПЗ:

Q+ = eSND w .

При эмиссии дырок в материале n-типа проводимости ситуация обратная: во внешней цепи регистрируется заряд Q+ .

Таким образом, перезарядка ловушек, расположенных в интервале x на расстоянии x от границы раздела перехода, приведет к

возникновению во внешней цепи электрического тока [4]

соответственно.

Поскольку дырки и электроны, эмитируемые ловушками в ОПЗ, движутся в противоположных направлениях, пики ГУ для этих ловушек совпадают по полярности на спектрах токовой DLTS.

Как в емкостной, так и в токовой DLTS величина сигнала пропорциональна концентрации захваченных ловушкой электронов

или концентрации захваченных ловушками дырок [Nt − n(t)].

Временную зависимость n(t) можно описать следующими

если до момента времени t = 0 ловушки для электронов (в материале n- типа) полностью заполнены и

25

когда инжектирующий импульс напряжения при t = 0 заполняет дырочные ловушки [4].

Ловушки, для которых en >> ep , называют ловушками для

основных носителей заряда в полупроводнике n-типа проводимости и ловушками для неосновных носителей в полупроводнике p-типа.

Противоположная ситуация обозначается как en << ep .

Сигнал емкостной DLTS определяется собственно величиной n(t) . Сигнал CDLTS пропорционален enn(t) (для случая эмиссии

электронов в материале n-типа).

Таким образом, чувствительность метода DLTS не зависит от выбираемой постоянной времени. Чувствительность метода СDLTS обратно пропорциональна величине выбранной постоянной времени

[4].

Метод DLTS позволяет определять все основные параметры ловушек, расположенных в ОПЗ полупроводниковых структур. В отличие от других термостимулированных методов контроля параметров ГУ при DLTS отпадает необходимость использования специальных законов повышения температуры образца, что исключает ошибку в определении параметров ГУ, связанную с отклонениями от заданного закона нагрева.

Чувствительность DLTS по концентрации ГЦ очень высока. При емкостной DLTS чувствительность определяется произведением

Boonton 7200) позволяют регистрировать величину C на уровне

C

10-6 ÷ 10-5. При типичных значениях уровня легирования базы ND в полупроводниковых барьерных структурах 1014 ÷ 1017 см-3 емкостная DLTS обнаруживает ловушки с минимальной концентрацией 109 ÷ ÷ 1012 см-3. При использовании CDLTS в режиме малых (~10 мкс и менее) постоянных времени релаксации чувствительность метода по минимальной концентрации ГЦ может достигать 108 см-3. При этом основным источником погрешности в оценке параметров ловушек является ошибка в измерении температуры образца. В современных измерительных ячейках, криостатах погрешность измерения температуры образца не превышает 0,1 К.

Процесс опустошения ГЦ происходит при наложении на диодную структуру внешнего обратного напряжения, усиливающего внутреннее

26

электрическое поле. Это электрическое поле может влиять на величину сечения захвата.

DLTS позволяет проводить независимое измерение скорости захвата носителей заряда на ловушки при их заполнении. Так как процесс заполнения ловушек проводится при небольшом внешнем напряжении смещения, можно определить степень влияния электрического поля на величину сечения захвата, сопоставив величины сечения захвата, полученные в режимах эмиссии и захвата НЗ на ловушки.

Кроме разновидностей DLTS метода по виду измеряемого релаксационного сигнала существуют различные виды DLTS, отличающиеся по способу возбуждения (заполнения) глубоких центров. В этом случае выделяют DLTS с электрическим, оптическим, фототоковым возбуждением, а также с возбуждением электронным лучом. Кроме того, возможно и комбинированное возбуждение ГУ (например, совместно с оптическим возбуждением ГУ часто используют электрическое возбуждение).

При емкостной DLTS для регистрации релаксации емкости диодной структуры используется высокочастотный (обычно частотой 1МГц) измерительный синусоидальный сигнал малой амплитуды (порядка kT/e, чтобы емкость не изменялась из-за переменного сигнала), накладываемый на импульсное напряжение смещения. Применение высокочастотного сигнала приводит к тому, что емкостные DLTS – спектрометры состоят из следующих основных блоков:

∙генератор импульсного напряжения (диапазон длительностей импульсов напряжения обычно 1 мкс ÷ 1 с, амплитуда импульсов –10 В ÷ +10 В);

∙измерительная ячейка (криостат) с возможностью управления

нагревом и охлаждением образца (обычно в диапазоне температур 10 ÷ 500 К);

∙измеритель емкости (обычно с верхним пределом измеряемой емкости порядка 100 пФ);

∙устройство селекции для выполнения операций фильтрации по методике DLTS и анализа экспериментальных данных,

которое обычно выполняется по технологии виртуальных инструментов на базе ЭВМ.

Современные DLTS – спектрометры содержат дополнительные блоки, обеспечивающие автоматическое управление экспериментом, температурой образца и обработку результатов эксперимента на ЭВМ.

27

Последние разработки в области автоматизации процесса измерения в DLTS связаны с применением ЭВМ. Такие важные параметры ГЦ, как концентрация, сечение захвата, энергия активации, полевой эффект и профиль распределения концентрации ГЦ, могут быть измерены в течение одного температурного сканирования.

Устройства на основе токовой DLTS отличаются большей простотой реализации. Отличие ее от емкостной DLTS заключается в том, что вместо измерителя емкости, выполняющего функции преобразователя «емкость – напряжение», используется преобразователь «ток – напряжение», который представляет собой усилитель напряжения с низким входным сопротивлением и может быть выполнен на основе операционного усилителя.

В зарядовой DLTS, являющейся разновидностью токовой DLTS, производится дополнительная операция с тем же самым сигналом релаксации тока – интегрирование. Введение этой дополнительной операции приводит к тому, что величина проинтегрированного релаксационного сигнала не зависит от постоянной времени и пропорциональна заряду, прошедшему через структуру. С одной стороны, это является преимуществом зарядовой DLTS, так как в этом случае высота пика на DLTS-спектре не меняется от времени релаксации и в связи с этим упрощается расчет параметров глубоких уровней, но, с другой стороны, при прочих равных условиях в зарядовой DLTS труднее избавиться от помехи, обусловленной обратным током утечки структуры. В связи с тем, что QDLTS исследует тот же сигнал, что и CDLTS, чувствительность обоих методов по концентрации ГЦ примерно одинакова.

Основные трудности в реализации токовой, а вследствие этого и зарядовой DLTS, связаны, во-первых, с помехой, обусловленной перезарядкой барьерной емкости структуры, и, во-вторых, с помехой, обусловленной током утечки через обратносмещенную диодную структуру. Первая причина легко устраняется путем введения в схему спектрометра электронных ключей, разряжающих барьерную емкость, применения устройств селекции с весовой функцией, равной нулю во время перезарядки барьерной емкости (то есть весовая функция вырабатывается с определенной задержкой во времени), и т.д.

Сложнее обстоит дело с током утечки через обратносмещенную структуру. Если ток утечки не меняется с течением времени, то в случае токовой DLTS помеха от него на выходной сигнал легко устраняется путем использования устройства селекции с весовой функцией, исключающей влияние постоянной составляющей на выходной сигнал (например, с весовой функцией “lock-in”), или путем

29

энергия ионизации практически не зависят от температуры;

2)сечение захвата НЗ на ГУ σn при изучении заселенности ГУ электронами в зависимости от длительности заполняющего импульса, используя выражение (4);

3)концентрацию ГУ Nt по амплитуде тока релаксации по выражению (7).

Аналогичные выражения и выводы можно получить и для структуры Шоттки с базой p-типа, для p+-n, n+-p переходов.

2.4. Особенности применения DLTS для изучения барьерных структур с квантовыми ямами, квантовыми точками

Для определения величин разрывов энергетических зон в квантово-размерных структурах применяется метод, основанный на использовании дополнительной информации о величине энергии термической активации носителей заряда, локализованных на основном уровне размерного квантования в квантовой яме (КЯ) или слое квантовых точек (КТ) и других наноструктурах. Экспериментальным методом извлечения этой информации является в том числе DLTS метод [6-8].

С позиций формализма DLTS уровень размерного квантования в КЯ подобен центру захвата гигантских размеров, и термоактивационный анализ может быть применен для определения энергетического зазора между уровнем размерного квантования и краем соответствующей разрешенной зоны в барьере [6-8]. В случае гетероструктур с достаточно широкими ямами энергия активации носителя заряда непосредственно равна величине разрыва соответствующей энергетической зоны. Если удается изучить процесс эмиссии как электронов, так и дырок из КЯ, то тем самым с помощью метода DLTS можно получить полную информацию о зонной диаграмме квантоворазмерной гетероструктуры. При обнаружении сигнала DLTS лишь от одного типа НЗ необходима дополнительная информация об энергии излучательного перехода в квантовой яме, которую можно легко получить из спектра люминесценции структуры [8]. В структурах с узкими КЯ необходимо определить положение основного уровня размерного квантования в яме. Здесь также приходится использовать модельные расчеты, однако зависимость конечного результата в определении разрыва зон от параметров модели в этом случае значительно слабее, чем при модельном анализе спектров возбуждения люминесценции.

Если говорить о применении DLTS для исследования процесса перезарядки энергетических уровней в отдельно взятых