应用分享 | 深能级缺陷表征 - MDPICTS

该文章翻译于Fraunhofer Research Institution和Institute of Physics等机构共同研究的工作。本论文发表于Journal of Applied Physics期刊中，详细信息可见：https://doi.org/10.1063/1.5134663

在半导体材料的研究与应用中，缺陷表征至关重要。特别是在中子嬗变掺杂（NTD）硅的处理过程中，了解其辐射诱导缺陷对于优化退火条件、提升材料性能意义非凡。Freiberg Instruments公司的微波探测光致电流瞬态光谱法（MDPICTS）技术（如图1），为这一领域带来了新的突破，展现出诸多传统技术难以企及的优点。

NTD硅，因能实现极低的电阻率变化，在大面积辐射探测器制造中占据重要地位。然而，掺杂后的硅晶体因辐射产生大量缺陷，实际电阻率远超预期，退火成为必要环节。在此过程中，准确把握晶体损伤程度成为关键。传统的深能级瞬态光谱法（DLTS）在面对高电阻率材料时，会因高串联电阻干扰测量结果；光致电流瞬态光谱法（PICTS）虽适用于高阻材料，但制作欧姆接触的过程复杂且可能影响衬底性能。而 MDPICTS 技术完美避开了这些问题，以其非接触式的测量方式，消除了接触制作带来的困扰，为半导体缺陷研究开辟了新路径。

图 1. 微波探测光致电流瞬态光谱法（MDPICTS）测量装置示意图

MD - PICTS 技术基于独特的原理运行。当对样品进行光学激发时，会产生过剩载流子，关闭激发后，载流子衰减呈现两步式。初始阶段，少数载流子迅速复合，借此可获取有效寿命和扩散长度等关键参数；随后，被俘获的载流子热再发射并复合（如图2），运用DLTS速率窗口概念对这部分衰减进行分析，便能准确绘制PICTS光谱，从而确定缺陷的激发活能和俘获截面等重要信息。这一过程不仅科学严谨，而且为深入了解半导体内部缺陷特性提供了有力支持。

图 2. 不同光产生速率下的典型瞬态。两次测量均在室温下对同一样品进行，使用940nm的发光二极管（LED）进行激发

研究人员借助Freiberg Instruments公司的MDpicts仪器，对未退火的NTD硅样品展开了全方面研究。实验过程中，405nm和940nm的LED作为激发光源，不同的波长对应不同的光穿透深度，这为确定缺陷位于表面还是体相提供了依据。通过精心控制光产生速率，并多次测量取平均以提高信噪比，研究人员获取了高精度的数据。

图 3. 典型的光致电流瞬态光谱（PICTS）（初始延迟时间为2 ms至100 ms）。激发光源为940 nm的发光二极管（LED）

实验结果令人瞩目。MD - PICTS 技术成功识别出三个具有明确激发活能和俘获截面的陷阱（如图3），其中两个陷阱的激发活能低于100meV，这是传统PICTS技术此前未曾发现的（如图4和表1）。此外，还检测到能量更深的陷阱，尽管其激发活能变化范围较大，但依然为研究晶体缺陷提供了重要线索。通过波长相关分析，明确了所有观察到的陷阱均为体缺陷。同时，该技术还测定出少数载流子寿命约为0.7μs，直观反映出晶体受中子辐射的损伤程度。

图 4. 典型的阿伦尼乌斯图（初始延迟时间为2 ms至 200 ms），该图用于提取激发活能以及表观俘获截面。激发采用 940 nm的发光二极管

MD - PICTS 技术的优势不仅体现在实验成果上，更体现在其广泛的应用前景中。它不仅在辐射探测器领域能够发挥关键作用，助力提升探测器的性能和可靠性，对于硅基功率半导体的研究和开发也具有潜在价值。而且，该技术不受限于裸衬底的检测，能够对部分加工样品进行分析，为半导体制造过程中的质量控制和工艺优化提供了有力的技术支持。

表1. 从阿伦尼乌斯图中提取的激发活能。相应测量使用940nm的LED进行。