深能级瞬态谱测试技术及其应用

1、定义

深能级瞬态谱 是一种高灵敏度的、瞬态的电学测量技术，专门用于表征半导体和器件中的深能级缺陷。它通过测量半导体中深能级缺陷(陷阱)引起的电容或电流瞬态，确定缺陷的能级位置、浓度、俘获截面等关键参数。

深能级缺陷： 位于半导体禁带中、远离导带底或价带顶的电子能级。它们通常由晶体中的点缺陷、位错或杂质-缺陷复合体引入。这些缺陷可以作为载流子的“陷阱”，俘获和释放电子或空穴。

瞬态过程： DLTS不测量稳态信号，而是测量在外部扰动之后，器件参数随时间的变化。

谱学： 通过扫描温度，将不同缺陷的瞬态特征分离开，形成类似于光谱的“缺陷谱”，每个缺陷在谱图上对应一个特征峰。

2、 深能级瞬态谱的核心物理机制

（1）载流子注入：通过正向偏压（电注入）或单色光（光注入），将电子 / 空穴注入半导体，填充深能级陷阱；

（2）陷阱俘获：注入的载流子被深能级陷阱俘获，形成稳定的俘获态（陷阱带负电 / 正电，取决于俘获电子 / 空穴）；

（3）热激活释放：随温度升高，陷阱中的载流子获得热能量，当能量≥陷阱能级深度Et时，被释放到导带 / 价带；

（4）瞬态信号产生：释放的载流子会改变半导体结区的空间电荷区宽度，导致结电容（或电流）产生瞬态变化，该变化被高灵敏度设备检测；

（5）温度扫描：通过温度扫描，不同能级深度的陷阱会在对应温度下释放载流子，形成多个谱峰。

3、深能级瞬态谱测试技术的应用

（1）半导体材料生长与评估：

应用： 用于比较不同生长方法和不同工艺条件下材料的本征缺陷和杂质浓度，指导工艺优化。

（2）辐照损伤研究：

应用： 广泛应用于航天、核能领域。通过DLTS可以识别和量化由电子、质子、中子、γ射线辐照产生的各种点缺陷。

（3）离子注入工艺监控：

应用： 离子注入会在晶格中产生大量损伤。DLTS可用于研究退火工艺对这些损伤的修复情况，以及激活杂质的效率。

（4）器件可靠性分析与失效分析：

应用： 研究功率器件在电应力或热应力下产生的新缺陷，这些缺陷是导致器件性能退化的根源

（5）宽禁带半导体表征：

应用： 在SiC和GaN等宽禁带半导体中，深能级缺陷对器件性能影响尤为显著。DLTS是研究这些材料中缺陷的主要手段。

（6）金属-半导体接触研究：

应用： 表征肖特基结界面处的缺陷态，这些态会影响势垒高度和器件的理想因子。