探析热激电流谱分析方法

1.热激电流谱的测量原理

在第2.7.1节介绍的深能级瞬态谱要基于半导体结电容的瞬态特性,测量前提是结电容要有比较明显的变化,但高阻(半绝缘)材料能被轻易耗尽,电容基本不随材料中深能级的占据状态的变化而变化。另外,由于高阻材料不能形成良好的欧姆接触,DLTS样品难以制备,因此,DLTS技术不适用于高阻半导体材料深能级的测量。而热激电流谱(Thermally Stimulated Current spectroscopy,TSC)是研究高阻半导体材料中深能级缺陷的常用方法。

TSC原理比较简单,对样品结构没有复杂要求,一般只需在样品表面制作两个合适距离的电极以用来收集电流。在测量时,将待测样品置于低温环境中,用一束大于半导体材料禁带宽度的光照射样品,使样品中产生非平衡载流子。如果材料中存在作为电子或空穴陷阱的深能级,在撤去光照的瞬间,非平衡电子空穴对并不能立即复合,部分载流子会填充陷阱能级。升高样品温度,由于热运动,被陷阱能级陷住的非平衡载流子被逐渐释放,如图2.7.6所示。这一释放过程可以通过样品的电流变化来表征,增加的电流被称为热激电流。非平衡载流子的释放改变了材料的电导率,如果在样品的两个电极间维持一定电压,在电场的作用下,将导致电极间电流的变化。电流变化的大小与电压、陷阱的能级位置、陷阱浓度和升温速率等密切相关。

图2.7.6　光生载流子被陷阱态的俘获过程和陷阱态载流子的释放过程

热激电流I TSC的表达式为

式中,e是电子电荷量;μn是电子迁移率(如果深能级释放的是空穴;则μn应用μp,即应用空穴迁移率替换);τn是电子(或空穴)寿命;V是外加的偏置电压;w、l和d分别是样品电极的宽度、长度和样品的厚度;N t是陷阱态浓度;T 0是测试起始温度;β是升温速率;e n可表示为

式中是简并因子;若为电子陷阱,则N C表示导带底有效状态密度;σn是电子俘获截面;v n是电子热运动速度;k 0是玻尔兹曼常数;T是温度,ΔE T是电子陷阱激活能(即陷阱能级离导带底的能量间隔)。若为空穴陷阱,则N C应替换为价带顶有效状态密度N V,σn应替换为空穴俘获截面σp,ΔE T表示为空穴陷阱激活能(即陷阱能级与价带顶的能量间隔)。

TSC谱图显示的是样品的热激电流与温度的关系,若温度较低,则陷阱能级上陷住的载流子多,但非平衡载流子的发射概率低,热激电流较小;若温度太高,虽然非平衡载流子发射概率高,但陷阱能级上留存的非平衡载流子数较小,导致载流子发射速率也很低,热激电流也较小。那么,必然存在一个温度点T P,使非平衡载流子的发射速率以及相应的热激电流达到极大值。在TSC谱中,每一个谱峰对应一个陷阱能级。

根据在热激电流在极大值处微分为零,可近似得(www.xing528.com)

通过变化升温速率β,得到不同的T P值,将坐标点[1/T P1,ln(T P1 4/β1)],[1/T P2,ln(T P2 4/β2)]…用式(2.7.22)拟合成一条直线,从其斜率即能获得陷阱的激活能ΔE T。

将TSC和DLTS两种深能级测试方法加以比较,除了适用的样品不同,分析其原理还可以发现,DLTS根据信号峰的正负能够区分多子和少子陷阱;而对于TSC,不管是多子还是少子陷阱,其形成的信号峰都是正峰。因此,TSC测试方法不能判定陷阱的类型。

2.TSC测试系统

TSC主要用来测试高阻样品,应用范围较DLTS窄,还没有商用化的热激电流测量仪器。但由于热激电流谱原理简单,研究人员一般可自行搭建TSC测量装置。TSC系统主要由光源、低温变温装置、电压源、高精度电流表和计算机系统构成,如图2.7.7所示。其中,光源的作用是产生非平衡光生载流子;低温变温装置具有调控样品温度的作用;电压源为样品提供恒定的电压;高精度电流表可精确测量热激电流的变化;计算机系统将测量的结果进行记录和分析。

图2.7.7　TSC测试系统构成示意图

3.TSC的应用举例

对于AlGa N/Ga N高电子迁移率大功率晶体管,为了提高其耐压能力,高阻GaN层是必不可少的外延层,并且在一般情况下,该层的阻值越高,耐压能力就越强。但是,目前异质衬底上的Ga N层由于非故意施主掺杂的影响,表现为N型,要实现高阻Ga N层,一般需要故意地掺入受主杂质(如C、Fe和位错),通过杂质补偿来实现高阻特性。然而掺入的杂质除了能起到杂质补偿的作用外,还有可能在Ga N中引入一些深能级,从而影响AlGa N/Ga N基功率电子器件的可靠性。因此,对高阻GaN中深能级缺陷的表征具有重要意义。

如图2.7.8所示,在高阻GaN样品垂直方向上放置两个电极,光照产生非平衡载流子,如图2.7.8(a)所示,分别在升温速率为β=0.25 k/s、0.20 k/s和0.15 k/s的条件下测量TSC谱图,得到如图2.7.8(b)所示的结果。可以看到,TSC的信号峰很宽,通常是由几个窄峰叠加而成。在本实验中,TSC中观察到的谱峰可分解为三个信号峰,再根据式(2.7.22)进行拟合,即提取出激活能分别约为0.75 eV,0.65 e V和0.54 e V的三个缺陷态能级。再结合理论计算和前人的研究成果,推测这三个缺陷态可能分别来自C杂质、某种点缺陷和Ga空位。

图2.7.8　TSC样品结构图、不同升温速率下的TSC谱图及Arrhenius曲线