應(yīng)用分享｜深能級缺陷表征- MDPICTS

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，會因高串聯(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，會產(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)成功識別出三個具有明確激發(fā)活能和俘獲截面的陷阱（如圖3），其中兩個陷阱的激發(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，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，推動整個行業(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。