應用分享｜深能級缺陷表征- MDPICTS

在半導體(ti) 材料的研究與(yu) 應用中，缺陷表征至關(guan) 重要。特別是在中子嬗變摻雜（NTD）矽的處理過程中，了解其輻射誘導缺陷對於(yu) 優(you) 化退火條件、提升材料性能意義(yi) 非凡。Freiberg Instruments公司的微波探測光致電流瞬態光譜法（MDPICTS）技術（如圖1），為(wei) 這一領域帶來了新的突破，展現出諸多傳(chuan) 統技術難以企及的優(you) 點。

NTD矽，因能實現極低的電阻率變化，在大麵積輻射探測器製造中占據重要地位。然而，摻雜後的矽晶體(ti) 因輻射產(chan) 生大量缺陷，實際電阻率遠超預期，退火成為(wei) 必要環節。在此過程中，準確把握晶體(ti) 損傷(shang) 程度成為(wei) 關(guan) 鍵。傳(chuan) 統的深能級瞬態光譜法（DLTS）在麵對高電阻率材料時，會(hui) 因高串聯電阻幹擾測量結果；光致電流瞬態光譜法（PICTS）雖適用於(yu) 高阻材料，但製作歐姆接觸的過程複雜且可能影響襯底性能。而 MDPICTS 技術完整避開了這些問題，以其非接觸式的測量方式，消除了接觸製作帶來的困擾，為(wei) 半導體(ti) 缺陷研究開辟了新路徑。

圖 1. 微波探測光致電流瞬態光譜法（MDPICTS）測量裝置示意圖。

MD - PICTS 技術基於(yu) 單獨的原理運行。當對樣品進行光學激發時，會(hui) 產(chan) 生過剩載流子，關(guan) 閉激發後，載流子衰減呈現兩(liang) 步式。初始階段，少數載流子迅速複合，借此可獲取有效壽命和擴散長度等關(guan) 鍵參數；隨後，被俘獲的載流子熱再發射並複合（如圖2），運用DLTS速率窗口概念對這部分衰減進行分析，便能準確繪製PICTS光譜，從(cong) 而確定缺陷的激發活能和俘獲截麵等重要信息。這一過程不僅(jin) 科學嚴(yan) 謹，而且為(wei) 深入了解半導體(ti) 內(nei) 部缺陷特性提供了有力支持。

圖 2. 不同光產(chan) 生速率下的典型瞬態。兩(liang) 次測量均在室溫下對同一樣品進行，使用940nm的發光二極管（LED）進行激發。

研究人員借助Freiberg Instruments公司的MDpicts儀(yi) 器，對未退火的NTD矽樣品展開了全方麵研究。實驗過程中，405nm和940nm的LED作為(wei) 激發光源，不同的波長對應不同的光穿透深度，這為(wei) 確定缺陷位於(yu) 表麵還是體(ti) 相提供了依據。通過精心控製光產(chan) 生速率，並多次測量取平均以提高信噪比，研究人員獲取了高精度的數據。

圖 3. 典型的光致電流瞬態光譜（PICTS）（初始延遲時間為(wei) 2 s至100 s）。激發光源為(wei) 940 nm的發光二極管（LED）。

實驗結果令人矚目。MD - PICTS 技術成功識別出三個(ge) 具有明確激發活能和俘獲截麵的陷阱（如圖3），其中兩(liang) 個(ge) 陷阱的激發活能低於(yu) 100meV，這是傳(chuan) 統PICTS技術此前未曾發現的（如圖4和表1）。此外，還檢測到能量更深的陷阱，盡管其激發活能變化範圍較大，但依然為(wei) 研究晶體(ti) 缺陷提供了重要線索。通過波長相關(guan) 分析，明確了所有觀察到的陷阱均為(wei) 體(ti) 缺陷。同時，該技術還測定出少數載流子壽命約為(wei) 0.7μs，直觀反映出晶體(ti) 受中子輻射的損傷(shang) 程度。

圖 4. 典型的阿倫(lun) 尼烏(wu) 斯圖（初始延遲時間為(wei) 2 s至 200 s），該圖用於(yu) 提取激發活能以及表觀俘獲截麵。激發采用 940 nm的發光二極管。

MD - PICTS 技術的優(you) 勢不僅(jin) 體(ti) 現在實驗成果上，更體(ti) 現在其廣泛的應用前景中。它不僅(jin) 在輻射探測器領域能夠發揮關(guan) 鍵作用，助力提升探測器的性能和可靠性，對於(yu) 矽基功率半導體(ti) 的研究和開發也具有潛在價(jia) 值。而且，該技術不受限於(yu) 裸襯底的檢測，能夠對部分加工樣品進行分析，為(wei) 半導體(ti) 製造過程中的質量控製和工藝優(you) 化提供了有力的技術支持。

表1. 從(cong) 阿倫(lun) 尼烏(wu) 斯圖中提取的激發活能。相應測量使用940nm的LED進行。

Freiberg Instruments公司的MDPICTS技術憑借非接觸式測量、寬溫度範圍檢測、準確的缺陷定位和豐(feng) 富的參數獲取能力等優(you) 點，成為(wei) 半導體(ti) 缺陷表征領域的有力工具。隨著技術的不斷發展和應用的深入，相信它將為(wei) 半導體(ti) 行業(ye) 帶來更多的驚喜和突破，推動整個(ge) 行業(ye) 向著更高的水平邁進。

該文章翻譯於(yu) Fraunhofer Research Institution和Institute of Physics等機構共同研究的工作。本論文發表於(yu) Journal of Applied Physics期刊中。