深能級瞬態譜測試技術及其應用

1、定義

深能級瞬態譜 是一種高靈敏度的、瞬態的電學測量技術，專門用於表征半導體和器件中的深能級缺陷。它通過測量半導體中深能級缺陷(陷阱)引起的電容或電流瞬態，確定缺陷的能級位置、濃度、俘獲截面等關鍵參數。

深能級缺陷： 位於半導體禁帶中、遠離導帶底或價帶頂的電子能級。它們通常由晶體中的點缺陷、位錯或雜質-缺陷複合體引入。這些缺陷可以作為載流子的“陷阱”，俘獲和釋放電子或空穴。

瞬態過程： DLTS不測量穩態信號，而是測量在外部擾動之後，器件參數隨時間的變化。

譜學： 通過掃描溫度，將不同缺陷的瞬態特征分離開，形成類似於光譜的“缺陷譜”，每個缺陷在譜圖上對應一個特征峰。

2、 深能級瞬態譜的核心物理機製

（1）載流子注入：通過正向偏壓（電注入）或單色光（光注入），將電子 / 空穴注入半導體，填充深能級陷阱；

（2）陷阱俘獲：注入的載流子被深能級陷阱俘獲，形成穩定的俘獲態（陷阱帶負電 / 正電，取決於俘獲電子 / 空穴）；

（3）熱激活釋放：隨溫度升高，陷阱中的載流子獲得熱能量，當能量≥陷阱能級深度Et時，被釋放到導帶 / 價帶；

（4）瞬態信號產生：釋放的載流子會改變半導體結區的空間電荷區寬度，導緻結電容（或電流）產生瞬態變化，該變化被高靈敏度設備檢測；

（5）溫度掃描：通過溫度掃描，不同能級深度的陷阱會在對應溫度下釋放載流子，形成多個譜峰。

3、深能級瞬態譜測試技術的應用

（1）半導體材料生長與評估：

應用： 用於比較不同生長方法和不同工藝條件下材料的本征缺陷和雜質濃度，指導工藝優化。

（2）輻照損傷研究：

應用： 廣泛應用於航天、核能領域。通過DLTS可以識別和量化由電子、質子、中子、γ射線輻照產生的各種點缺陷。

（3）離子注入工藝監控：

應用： 離子注入會在晶格中產生大量損傷。DLTS可用於研究退火工藝對這些損傷的修複情況，以及激活雜質的效率。

（4）器件可靠性分析與失效分析：

應用： 研究功率器件在電應力或熱應力下產生的新缺陷，這些缺陷是導緻器件性能退化的根源

（5）寬禁帶半導體表征：

應用： 在SiC和GaN等寬禁帶半導體中，深能級缺陷對器件性能影響尤為顯著。DLTS是研究這些材料中缺陷的主要手段。

（6）金屬-半導體接觸研究：

應用： 表征肖特基結界面處的缺陷態，這些態會影響勢壘高度和器件的理想因子。