1.2.3 Емкостная спектроскопия глубоких уровней

Метод емкостной спектроскопии глубоких уровней позволяет определять энергетические характеристики, концентрацию и сечение захвата рекомбинационных центров, связанных с глубокими уровнями в запрещенной зоне полупроводников [25—32], а также идентифицировать ловушки для неосновных и основных носителей заряда. Кроме того, с помощью этого метода можно обнаружить центры как излучательной, так и безызлучательной рекомбинации, заключенные в широком интервале энергий внутри запрещенной зоны. Данный метод обладает высокой чувствительностью и разрешающей способностью, позволяет обнаруживать примеси на глубоких уровнях при концентрации, составляющей от концентрации примесей на мелких уровнях, с разрешающей способностью по энергии, приблизительно равной Кроме того, метод дает возможность определения пространственного распределения примесей, образующих глубокие уровни. Наконец, в отличие от того, что реализуется для других термостимулированных методов измерения параметров глубоких уровней, величина выходного сигнала не зависит от скорости нагрева или охлаждения образца. Максимум амплитуды сигнала наблюдается всегда при одной и той же температуре, и его величина определяется только частотой, на которой проводят измерения.

На рис. 1.7, а показана блок-схема установки для проведения измерений по данному методу. Синхронный усилитель периодически, в режиме импульсного напряжения смещения, включает измеритель вольт-фарадных характеристик. Если в обедненной области образца, содержащего -переход или барьер Шоттки, имеются глубокие примесные уровни, то при помощи синхронного усилителя обнаруживается переходный процесс, характеризующийся экспоненциальным изменением емкости. Амплитуда измеряемого сигнала пропорциональна концентрации примесей на глубоких уровнях, а постоянная времени переходного процесса зависит от вероятности опустошения ловушек в результате термоэмиссии. На рис. схематически изображены синхронизирующий сигнал и сигнал, поступающий на вход синхронного усилителя. Измерения проводятся на фиксированной частоте при температуре образца, изменяющейся от температуры жидкого азота (77 К) до комнатной и выше. При определенной температуре, когда скорость опустошения ловушек соответствующим образом согласуется с частотой измерений, амплитуда сигнала достигает максимального значения, которое пропорционально плотности ловушек. Таким образом, измерение температурной зависимости сигнала позволяет идентифицировать ловушки, обусловливающие переходный процесс.

Рис. 1.7. Блок-схема установки для измерений по методу емкостной спектроскопии глубоких уровней и схематическое изображение весовой функции и сигнала на входе синхронного усилителя

Спектр глубоких уровней, который соответствует температурной зависимости выходного сигнала синхронного усилителя, регистрируется с помощью двухкоординатного графопостроителя. Типичные спектры глубоких уровней [27] поликристаллических элементов с гетеропереходом показаны на рис. 1.8, а. Участки, соответствующие ловушкам различного типа, обозначены символами

Энергию активации ловушки можно определить исходя из того, что при изменении длительности импульса положение максимума амплитуды выходного сигнала смещается в другую температурную область [26]. Если сечение захвата ловушки не зависит от температуры, то скорость опустошения ловушки при температуре, соответствующей максимуму амплитуды, равна

Здесь степень вырождения уровня; (или -эффективная плотность состояний в зоне, с которой взаимодействуют носители, захваченные ловушками; а — сечение захвата;

(кликните для просмотра скана)

тепловая скорость и энергия активации ловушки. Поскольку произведение пропорционально энергию активации ловушки можно найти, используя графики зависимости от Зависимости от для нескольких типов ловушек, характерных для поликристаллического представлены на рис. 1.8, б [27]. На практике величина в, равная определяется с помощью соотношения [26]

Здесь выходной сигнал синхронного усилителя, коэффициент усиления измерителя емкости, коэффициент усиления усилителя. Физический смысл величин поясняет рис. 1.7, б. Постоянная времени переходного процесса, соответствующего максимальной амплитуде выходного сигнала синхронного усилителя, входит в соотношение [26]

Из (1.13) и (1.14) следует, что величина переходного процесса) при температуре, характерной для максимума амплитуды, определяется значениями .

Если длительность импульса достаточна для заполнения всех ловушек, распределение концентрации ловушек и легирующих примесей пространственно-однородно и для концентрации ловушек выполняется соотношение

Здесь изменение емкости к моменту прекращения подачи импульса напряжения смещения, С — емкость при обратном напряжении смещения, результирующая концентрация легирующих примесей. Величину можно определить по измеренной высоте пика [25] путем подстановки в уравнение (1.13) значения найденного из уравнения (1.14).

Скорость заполнения ловушки входит в уравнение [26]

Здесь концентрация ловушек, заполненных при подаче импульса напряжения длительностью суммарная концентрация ловушек. Значения находятся по результатам измерения высоты пиков при различной длительности импульса напряжения; при этом соответствует длительности импульса, обеспечивающей насыщение всех ловушек.

График зависимости от позволяет определить значение с, которое используется затем для нахождения сечения захвата ловушек, входящего в соотношение На рис. 1.8, б представлены и выраженные через изменения емкости При подаче импульса напряжения, сопровождающегося инжекцией основных носителей, концентрация инжектированных носителей равна концентрации легирующей примеси. Если импульс напряжения вызывает инжекцию неосновных носителей, величину определить трудно.

В том случае, когда под действием соответствующего импульса напряжения инжектируются только основные носители, обратное напряжение смещения и толщина обедненной области уменьшаются. Если (при инжекции под действием света или прямого напряжения смещения) вводятся как основные, так и неосновные носители, то отношение их концентраций определяется величиной проходящего тока. В условиях высокого уровня инжекции это отношение стремится к единице и концентрация захваченных ловушками неосновных носителей приближается к анеосн данеосн Следует отметить, что измерения сечения захвата неосновных носителей обычно связаны с большими трудностями, а получаемые результаты менее достоверны [26].