计算机控制的高分辨率光生电流瞬态谱

计算机控制的高分辨率光生电流瞬态谱 第31卷第2期复旦(自然科学版) 1992年6月JournalofFudanUniverslty(NaturalScience) Vo1.3lNo.2 June1992 ?计算机控制的高分辨率光生电流瞬态谱 1一兰— 堕龚大卫孙?巨慧,.护7—理学g)一 提要 计算机模拟表明,对于常规的光生电流瞬态谱,如果样品中两个深能级缺陷 的信号因位置接近而互相迭加,则在确定这些缺陷的参数时会由于率窗的选取 不当而}l进很大的误差.为此本文提出了用计算机进行数据采集厦处理的高分 辨率光生电流瞬杰谱 HR—PLOTS(HjghResolutionPhoto-InclucedCurrent TransientSpectroscopy).它能分辨出厚已不能分辨的信号峰,并使得到的澡 能级缺陷参擞更为准确.此浩设备简单,操作方便,只需一敬温度扫描 就可获得 罪能缎缺陷的各种参数.对半绝缘GaAs的实验结果表明,HR-PICTS为研究 半绝缘材料中的深能级缺陷提供了更有力的工县. 关键词:缺陷,砷化镲,盐墨垫量塑,光生电流瞬态谱,墨半绝缘砷化 钮甲Ic 0引言 光生电流瞬态谱(PICTS)是目前用于检测半绝缘半导体材料中深能级缺陷的较有用 的工具.自从1978年由]~urtes等人提出这一方法以来,已用这一方法对半绝缘半导 体材料,尤其是对半绝缘GaAs的深能级缺陷傲了大量研究工作.与此同时,这一方 法也不断得到改进和完善.Abele等人采用数值分解的方法,对多指数选加的光 生电流瞬态信号进行分解,然后得到完整的PICTS谱.但当两个深能级缺陷参数较接近 时,用这一方法就很难将其分解.Balland等人用四点取样函数代替常规PICTS的两 点取样函数,以克服在瞬态电流关系式中迁移率及弛豫时间随温度变化的同题.但 在这种方法中,谱峰的大小并不能反映缺陷浓度的大小,而且信号峰 的信噪比明显降低. Yoshie等人利用机械扫描并配以计算机控制,可测出样品在横截面上各点的PICTS 谱,从面得到缺陷的二维分布情况.但在这些PICTS谱中,均存在信号峰的半宽大,分 收稿日期:1991年6月20日. 国家自然科学基金资助课题. ]990级硕士研究生. …199]级博士研究生. 复旦(自然科学版第31卷 辨率低的弱点,当样品中存在两个以上其参数比较接近的深能级缺陷时,它们的FICTS 信号峰互相选加,以致很难予以区分.有些虽能互相区分,但由于互枢造加的影响,其峰 值所对应的温度发生偏移,这就给能级位置和俘获截面的确定带来了困难.本文通过用 计算机对瞬态电流信号进行多点采样,以及改变取样函数和调节有关参数,使输出信号峰 的半宽明显斌小.同时又不降低信噪比,从而能分辨出原先难以区分的信号,并且由此所 得到的深能级缺陷的参数将更加可靠. 1常规PICTS法的计算机模拟 根据Hurtes等人的分析,当样品中存在一个深能级陷阱时,由光脉冲产生的瞬态 电流信号为 )=Aet,(1) 其中为常数,它与载流子迁移率,弛豫时间,样品的几何面积以及外加电场有关} 坼为缺陷的浓度;为缺陷能级上载流子发射率的倒数 ?:r,e/=BT.e,(., 其中嘶为电子热运动速度,为导带底有效状态密宠,A曰为热电离能,为俘获截面, 其他同常规.定义PICTS的输出信号Y为 = ()一()=且‚fe”一e-tl/v),(3) 式中,为取样点,作温度扫描即可得到PICTS谱,由d出=O求出峰值‰所对应 的f为 t口=(.一)/ln(1-孚一).(4) 选择不同的(,)率窗值,可得到一组峰值温度及,然后求得该缺陷的热电离能 ?和俘获截面O-. 由于常规的PICTS谱峰的半宽较大,当两十缺陷的参数比较接近时, 它们所对应的 PICTS信号峰互相选加,以致很难加以区分.在有些情况下,尽管两个缺陷所对应的信 号峰还能区分,但由于迭加的影响,峰位发生偏移(如图1所示).圉1中两个缺陷的参数 为?=O.275eV,?可.:0.30eV,口==1.0×1o’em.,=珥.迭加后缺陷I的 峰位偏移较大,而缺陷II的峰位移动较小,这是由于PICTS信号峰并不对称,其向低温 方向的展宽要大于高温方向的.峰位的移动将影响能级位置和俘获截面的确定.图2是 在不同的率窗下根据P:与P,的峰位所作的ln()_.,l/zTm圉.从图2可见,不管 率窗如何变化,由P峰位所确定的点都落在同一条直线工上而P:蜂的情况则不然, 图中a曲线所连的点是固定改变屯所得,而a曲线所连的点是固定屯改变所得 的结果.由和P.分别确定的点的差别随率窗的不同而异,这是由于峰值偏移?1: T一.与选取的率窗密切相关.在这种情况下,若选取一组不台适的率窗,则它们在对 第2期陆瞄,等:计算机控翩的离分辨妻光生电流瞬态谱1订 蛔 簧 霉 5 蓦 图1存在两个相邻酞陷的PIt1’s图 7…×10. 圈2蛊P与P;的峰位所作的对数图 数图上的点很难连成一直线,或连成直线后由其所确定的缺陷参数会有较大误差.通过 计算机模拟表明,若改变与.时固定/的值,则由确定的点在对数图上基本为 一 直线,并且/之值越小.其直线也越接近由点所连成的直线厶,如图2中的厶, 厶.五. 2影响PICTS信号峰半宽的因素 对于两个相邻的PJGTS信号蜂,迭加以后信号畸变的程度主要取决于各自信号峰 半宽的大小,半宽越大迭加后畸变的程度越大,峰应的偏移也越大.现具体分析影响信号 峰的半宽的几个西素. 信号蜂的半宽为在曲线的信号峰值的二分之一处对应的两点温度差AT=一 178复旦【自然科学版)第31卷 ,与值可由解半宽方程()=y./2得到.由(3)式可得 ?(e一e)=??(e叫h,e叫).(5)m 用计算机求解此超越方程可得出半宽处的两个解与,然后由(2)式求得与其对应的 温度与. 从()式及(2)式可以看出,半宽AT的大小一方面与缺陷的能级位置和俘获截面有 关,另一方面还与和率窗的选取有关.图3为半宽随能级位置和俘获截面的变化, 可以看出AT随能级位置?可几乎呈线性关系增大,并随俘获截面的增大而减小.当缺 陷参数固定时,半宽的大小与实验参数与的选取有关.由前面分析可知,为减小实 验误差必须保持/f.之值不变,并以改变值来改变率窗,之值越小误差越小.图 4显示了/=2时半宽AT随的变化.的增加能减小半宽和提高PICTS谱的分 辨率{但随着的增加,PICTS信号的幅度最大值弛明显减小,这就大大 降低了信噪 比.因此,要减小半宽提高谱的分辨率,必须寻求其他途径. 50r 囤3PICTS信号峰的半宽随能级位置和俘获截面的变化 1-=1.o×l0一Scm2.=1.0x16一Jcm,s.10×ic—J?’4.=1.Dx如-哇em, 6=1.0×15--m2 图4PICTS信号峰的半宽AT及峰值高度Y随t.的变化 A=O.3oeV=1.O×10’m 第2期陆防,等:计算机控制的高分辨率光生电流瞬态谱179 3高分辨率光生电流瞬态谱HR-PICTS HR—PICTS是通过计算机对瞬态电流()进行多点采样,并改变取样函数而得封 的.HR-PICTS的取样函数为 (f1)[1一簧号]flI=坼{e一,T(1-e-(6) 这一取样函数中增加了一个可调参数m.根据(1)式,可将取样函数写成 = (一1)l.t(ft+),(7’ 式中,At=一t,0为牛顿二项式的展开系数. 由此可见,HR—PICTS的输出信号是在光生电流瞬态曲线()上对m+1个点进 行取样并加权迭加后的结果与?这两个参数也就决定了这m+1个点的取样位置. m=l时,(6)式转换成(3)式,即为常规的PICTS.对(6)式求导,并令dy/dv=0,可得出 HR-PICTS谱峰位置的T为 f=At/1n(1+1.(8) 在HR—PICTS中,增加m值就可减小谱峰的半宽,提高谱的分辨率,图5显示了信 号峰的半宽AT随m的变化.图6为存在两个缺陷的HR-PICTS谱.这两个缺陷参数 为?可.=0.28eV,AE2=0.30eV,19”==1.0×10-Hcm.,%=.图6中的实线为 m=l时的HR-PICTS谱,即为常规的PICTS谱,两个信号峰迭加在一起很难区分.而 虚线为m=6时的?R—PICTS谱,两个信号峰就能明显区别. 同时,在HR-PICTS中,随着m增加,半宽减小,相邻两个峰迭加后,峰位的俯移也 相应减小,从而使能级位置和俘获截面参数的确定趋于准确.例如,对于图1所示的两个 缺陷,其缺陷I的峰位偏移=.一与m及.的变化关系如图7所示.?,j遍 圈5HR—PICTS信号峰的半宽聂峰值高度随m的变化 A=0.80eV.口=1.o×10.m’ 180复旦怕然科学版J第31卷 2.0} l6 12 0F K 图6存在两个缺陷的HR—PICTS谱 A露【:O.28eV,A丑2O.3oeV, l:1.0×10-’cm , N巩:N ‘ , 一 l==二====兰=:二==:.. 图7峰位的偏移量随m及.的变化 AE=0.275eV.:L0]0一】m2 m增大而显着减小. 值得指出的是:随着m的增大,HR—PICTS的信号幅度也随之下降 (如图5所示),但 这可通过减小t,参数来提高信号幅度虽然t的减小将引起半宽的增 加,但这一增加量 与半宽随m增大而减小的量相比要小得多.例如,对于能级位置AE=0.3eV,俘获截面 口=1.0xlO?的缺陷,当t=10ms,=20m目,m=】时,其信号峰的半宽温度为 14.114,设其峰值高度为1,若将m增加到m=6,这时半宽温度下降到9.1K,减小了 35%,峰值高度也降低到O.47.若再将t,减小到8Ins,则峰值高度恢复到l,此时的半宽 温度为9.9K,仍比原来减小3O.可见在?R-PICTS方法中,在提高谱的分辨率的同 嚣2期陆咕,等计算机控制的高分辨率光生电流瞬态谱1B1 时还可以通过调节实验参数使峰值高度保持不变. 4实验结果 由于HR—P【(s需要对瞬态光生电流信号进行m+1点采样,因此也就不能像常 规的PICTS方法中利用Boxcar对信号进行两点取样和处理.本文将瞬态电流信号通过 A/D转换后直接输入到计算机中,并经数据处理后在打印机或屏幕上直接显示出HR- PICTS谱图及计算结果.使用计算机后,可将大量的实验数据一次存 入,因而只需一次 温度扫描便可得到许多条不同率窗的HR-PICTS谱图,经过数据处理后就可得到缺陷 的有关参数,使实验效率及准确性显着提高. 图8(b)为半绝缘GaAs在145K附近的常规PICTS谱峰随率窗的变化情况.计算 图8SI-GaAs的常规PICTS谱 ()模拟莆(实巍)与剪验谱(虚线的比较 )谱峰随率窗的变化 图9SI-GaAs的HR—PICYrS谱(m6) (a)谱峰随率窗的变化, (b)模拟谱(实线)与实验谱(虚线)的比较 182复旦(自然科学版第31卷 机根据其峰值位置所拟台得到的深能级缺陷参数为 AE=0.275eV,=4.23x10om. 由这两个参数以及峰值高度,利用(2)式及(3)式就可得到模拟的PICTS谱.图8(B)中 实线显示了模拟的PICTS谱,它与实验曲线(虚线所示)相比较,两者相差很大,说明这 个实验谱峰可能是几个信号蜂的选加.为此可通过调节m参数来提高谱的分辨率.图 9(a)中显示了m=6时的不同率窗值的~R-PICTS谱图.从图9(a)中可以明显分辨出 两个信号峰,根据峰位拟合得到的两个深能级缺陷的参数分别为?:0.23eV,0-1= 1.18x10Bcm.,AE=0.351eV,=2.9x10om. 根据这些参数所得到的模拟? PICTS谱如图9(b)中的实线所示,与实验曲线(图9(b)中的虚线)相比较,显然二者基 本吻合.实验谱在两边的差别可能是由于邻近缺陷信号的影响从这,实例可以看出, 扛R—PICTS可显着提高谱的分辨率,通过它所得到的实验参数将更加准确可靠. 参考文献 [1]HurtesC ?,BoulouM,MitomueauA,eta1.DeepLevelSpeetroseopyinHigh-resistivity Materia1.ApplPhysLett,1978,就(12):821~823. 【2]KremerRE,ArikanMC,AbeleJG,eta1.TransientPhotoeond,lcttvityMea surementsin Semi,insulatingGaAs,I:AnAnalogApproach.pPhys,1987,62(6):2424N?A31. 【3]T’mcC,TehGK,WeiehmanFLPhotoin&ueedTransientSpectroeeopyandPhotolumi- neseenceStudiesofCopperContaminatedLiauid-encapsuLatedCzochraLakiGrownsemi— insulatingGaAs.JApplPhys,1987,62(6):2329N2336. 【4]DobrillaP.Stoichiometryl:~elatedDeepLevelsinUndopedSemi-insuLatingOaAs—J ApplPhys,1988,64(12):6767~6769. 【5]BalLandJC,ZielingerJP,NoguetG,etaLInvestigationofDeepLevelsinHigh—resi* stivityBulkMaterialsbyPhotolnduce4CurrentTransientSpectroscopy.I:ReviewaM ArialysisofSomeBasicProblems.PhysD:4卯;Phys,1986,l9(1):57~70. f6BigLariB,SamimiM,Hage-AliM,eta1.PassivationofBulkTrappingLevelin CadmiumTelluridebyProtonImpLantation.JApplPhys,1989,65(3):l112,u17. ,7]BenjellounN,TapieroM,ZielingerJP,eta1.CharaeterizationofDeepLeveisinBi1l GeO:6byPhotoinducedCurrentTransientSpectroscopy.ApplPhys】 1988,64(8):4013~ 4023. r8]AbeleJG,KremerRE,BlakemoreJS,TransientPhotoconduetivity~easurementSin Semi—insuLatingGaAs,II:ADigitalApproach.J4pPhys,1987,B2(6):2432~2438. 【9]BallandJ0,ZielingerJP,TapieroM.InvestigationofDeePLevelsin]~igh-resistivity BulkMaterialsbyPhoto-inducedCurrentTransientSpectxoseopy,II:Evaluationof Vari~sSignalProcessingMethods.JPhysD:却pjPhys,1986,19(1):71,87. f10]Yoshie0,KamlharaMPhoto-InducedCurrentTransientSpectrosoopyinHigh-resisti vltyBulkMaterial,III:Scanning—PICTSSystemforImagingSpatialDistrib utionSof Deep-trapSinSemi-insala~ingOaAsW~fer.?功”印,1985,24(4):481~440? 第2期陆防,等:计算机控制的离分辨率光生电流瞬态谱1B3 THECOMPUTERCONTROLLEDHIGHRESoLUTJoNPHOTO—IND UCED CURRENTTRANSIENTSPECTRoSc0PY LuFang,YuenJian,GongDawei,SunHenghui (DepartmolPhyslcs) Abstract Usingcomputersimulst/on.itisshownthatinusualPIeTS.ifmorethan twodefectlevelsarepresentin8sampleandthosePLOTSsignalsareeL0sely superposedoneachother,largeerrorswillbeintroducedintotheobtained perametersofdefectswithusinginsuitableratewindows.Inthispaper,ahigh resolutionphoto—inducedcurrenttransientspectroscopytechniqueusingacompU- terfordataacquisitionandprocessingispresented.Duetoitshighresolution,it enablesonetodistinguishtwocloselyspectrum-peakswhichdoesn’tinusual PLOTSandtogetmorereliableparametersofdefects.Byusingthecomputer whichcanget8lsrgenumberofsamplinggatesfortransientsignalandchange thesamplingfunction,thehighresolutionphoto—inducedcurrenttransient spectroscopycanbegotandtheparametersofdefectsCanbeobtainedwithonlya singlethermalscanningprocess.TheexperimentalresultsobtainedintheSI— GaAsha%,ebeenfoundthat? R—PIOTSismorepowerfultoolforstudydeeDlevels inthesemi——insulatingsemiconductormateria1. Keywordstdefects,galliumarsenide,computercontrolIph0tO—induced currenttransientspectroscopy,deeplevelJsemi-insulatlnggalliumarsenide.