半导体深能级瞬态谱 姓名：林晓昱 学号：201912220 一. 晶体中的杂质与缺陷二. 深能级瞬态谱（DLTS） 晶体中的杂质与缺陷 原子并非在格点上静止不动，而是在平衡位置附近振动； 材料不是绝对纯净，含若干杂质 (外来的)； 半导体晶格不是绝对完美，存在缺陷 (内在的) 缺陷分类： 点缺陷（空位，间隙原子等） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错，晶粒间界等） 1 一般的硅平面器件，要求位错密度在103cm-2以下，超过该值，将影响半导体的电导率和劣化器件的性能。 极微量的杂质和缺陷，极大影响半导体的物理、化学性质。 例如：硅中，以105：1的比例掺如B杂质，电导率增加103倍。 杂质的影响 1、改变周期性排布的原子产生的周期性势场，破坏了原有的能带结构，但可视为微扰，引入新的能级。 2、提供导电用的载流子（电子、空穴） 2 杂质原子位置区分： 替位式杂质 间隙式杂质 1. 硅和锗晶体中的杂质 间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置；杂质原子较小 替位式杂质：杂质原子位于晶格原子的格点位置；杂质原子的大小与晶体原子相似，价电子的壳层结构比较相近 3 施主电离：能够释放电子成为导电电子，形成正电中心的过程。 主要靠导带电子导电的半导体称为n型半导体。 2. 施主杂质 （浓度：ND）、施主能级 4 根据导电类型区分 受主杂质 施主杂质 当Ⅴ族元素P在Si中成为替位式杂质且电离时，能够释放电子而产生导电导电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。 Si、Ge而言，施主通常是V族元素。电离能较小，在Si中约0.04～0.05eV，Ge中 0.01eV。 施主杂质电离能ΔED ：施主杂质电子成为导带电子所需要的能量。 施主能级：在半导体中引入施主杂质，将在带隙中引入施主能级。 即被施主杂质束缚的电子的能量状态。记为 ED。 5 受主电离：能够接受电子而产生导电空穴，形成负电中心的过程。 依靠价带空穴导电的半导体称为p型半导体 3. 受主杂质 （浓度：NA）、受主能级 6 当Ⅲ族元素B在Si中成为替位式杂质且电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称它们为受主杂质或p型杂质。 Si、Ge而言，受主通常是III族元素。电离能较小，在Si中约0.045～0.065eV【In是唯一例外，达0.16eV】，Ge中约0.01eV。 受主杂质电离能ΔEA：受主杂质空穴成为价带空穴所需要的能量。 7 受主能级：半导体中引入受主杂质，在带隙内引入能级，即被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。 4. 潜能级杂质和深能级杂质 浅能级杂质 深能级杂质 根据杂质能级位置划分 浅能级杂质 1、杂质电离能小，施主能级很接近导带底，受主能级很接近价带顶。 2、室温下，Ⅲ、Ⅴ族杂质基本全部电离。 深能级杂质 1、杂质电离能大，施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。 2、不容易电离，对载流子浓度影响不大。 8 9 4. 潜能级杂质和深能级杂质 深能级瞬态谱（DLTS） 对于深能级杂质缺陷的量子力学计算在七十年代后期以后才有了重大进展，目前公认的比较精确的计算深能级的方法是自洽格林函数方法。自1978年这个方法问世以来，人们已用它计算了硅中的空位，硅中的某些I，II，III，VI族杂质，硅中自间隙，GaP中自间隙，GaP中碳间隙等的深能级与波函数。 另一类方法是集团模型方法，其中包括扩展Hickel方法、原子轨道方法与Xα散射波方法等。目前，对硅中代位3d过渡族元素杂质，用自洽Xα散射波法计算时所采用的原子团为XSi4H12，而对硅中间隙3d过渡族元素杂质用自洽Xα散射波法计算时所采用的原子团为XSi10H16，其中X表示杂质原子。 B. G. Cartling, J. Phys. C. 8(1975), 3171, 3183. 深能级的波函数与浅能级的区别： 最初人们认为随着能级加深，波函数会变得愈来愈局域，典型的深能级的波函数应是很局域的。但是随着认真的理论计算的开展，发现深能级的波函数还是相当扩展的,但一方面，深中心往往有显著的晶格弛豫(指深能级电子跃迁时周围原子有明显位移)，似乎说明深能级波函数又是很局域的。黄昆与杨桂林用简单理论模型所作计算与分析表明，以短程势为特征的深中心，其波函数是由一个相当局域的核心部分(占70%以上的比重)与一个相当扩展的“尾巴”组成。核心部分由短程势决定，并给深中心以“局域性”特征(如强的晶格弛豫)。外围的“尾巴”则主要由半导体本身的能带结构决定，具体讲,是由禁带宽与能带宽之比决定。这个比值越小，波函数越扩展。半导体深中心波函数相当扩展，就是因为典型半导体的基本特征就是禁带窄。 10 测量半导体中深能级杂质缺陷的方法大体可以分为光学方法、磁共振方法、结谱方法及其它方法四大类。 光学方法：光致发光(PL)、电致发光(EL)、 阴极射线发光、光吸收与光电导等方法。 磁共振方法：电子自旋共振(ESR )、光检测磁共振(ODMR)。 结谱方法：深能级瞬态谱(DLTS)、双相关深能级瞬态谱(DDLTS)、热激电容(TSCAP)、热激电流(TSC)、恒温瞬态电容、恒定电容深能级瞬态谱(CCDLTS )、光深能级瞬态谱(ODLTS)、深能级光谱(DLOS)、 光诱导电流瞬态(PICT)、少数载流子陷阱谱(MCTS)、导纳谱等。其它还有霍耳系数、背散射、二次离子质谱等方法。 1. 研究深能级的实验方法 以上这些方法各有所长，又都有一定局限性。例如，电子自旋共振(ESR )虽然能对杂质是什么元素以及深能级杂质缺陷的微观结构提供重要信息，这是其它方法很难实现的，但是由于只是具有未配对电子的杂质缺陷才有ESR信号，因此研究的对象受到一定限制。发光方法能很好地研究发光中心的性质以及局域电子与声子的相互作用，但不适用于非辐射复合中心。结谱技术虽能给出材料中深能级的多个基本参数，但是无法直接确定所研究的究竟是什么杂质和缺陷，也无法直接得到具体的微观结构。 G. G. Deleoet al, Phys. Rev. B, 23(1981), 1851. 11 2. 深能级瞬态谱（DLTS） 1966年，Willams提出通过监测半导体结耗尽层电容的变化来研究耗尽层中深能级上电子的热发射过程。此后，Sah 在1970年系统地提出了研究深能级基本性质的结电容与结电流技术。1974 年，Lang把结电容方法发展成深能级瞬态谱(DLTS)。下面以单边突变结p+-n二极管为例来说明它的原理(讨论中假定深能级是禁带上半部的受主能级)。 其中A是结面积。由(1)式可见，结电容与耗尽层宽度成反比。现在如果在偏置电压上叠加一个正向脉冲电压，称作注入脉冲，则在脉冲期间耗尽层将变窄，原来在耗尽层中的深中心将被电子填充。脉冲过后，偏置电压恢复到原来的值，这时深中心上的负电荷部分地抵消浅施主的正空间电荷，从而造成耗尽层宽度展宽[如图(b)]，结电容相应地变小。 (1) (a) 反向偏置的p+-n结; (b) 注入脉冲刚过时的p+-n结; 图1 H. Lefevre, M. Schulz, IEEE Trans. Electron Devices, ED-24(1977), 973. 12 (c)脉冲电压; (d)电容瞬态 (2) (3) 图1 H. Lefevre, M. Schulz, IEEE Trans. Electron Devices, ED-24(1977), 973. 13 (3) (4) (5) H. Lefevre, M. Schulz, IEEE Trans. Electron Devices, ED-24(1977), 973. 14 H. Lefevre, M. Schulz, IEEE Trans. Electron Devices, ED-24(1977), 973. 15 (5) (6) H. Lefevre, M. Schulz, IEEE Trans. Electron Devices, ED-24(1977), 973. 16 dls-83d型深能级瞬态谱仪 谢谢！ * *

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