應用分享｜深能級缺陷表征- MDPICTS

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

NTD硅，因能實現極低的電阻率變化，在大面積輻射探測器制造中占據重要地位。然而，摻雜后的硅晶體因輻射產生大量缺陷，實際電阻率遠超預期，退火成為必要環節。在此過程中，準確把握晶體損傷程度成為關鍵。傳統的深能級瞬態光譜法（DLTS）在面對高電阻率材料時，會因高串聯電阻干擾測量結果；光致電流瞬態光譜法（PICTS）雖適用于高阻材料，但制作歐姆接觸的過程復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，消除了接觸制作帶來的困擾，為半導體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 技術基于單獨的原理運行。當對樣品進行光學激發時，會產生過剩載流子，關閉激發后，載流子衰減呈現兩步式。初始階段，少數載流子迅速復合，借此可獲取有效壽命和擴散長度等關鍵參數；隨后，被俘獲的載流子熱再發射并復合（如圖2），運用DLTS速率窗口概念對這部分衰減進行分析，便能準確繪制PICTS光譜，從而確定缺陷的激發活能和俘獲截面等重要信息。這一過程不僅科學嚴謹，而且為深入了解半導體內部缺陷特性提供了有力支持。

圖 2. 不同光產生速率下的典型瞬態。兩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儀器，對未退火的NTD硅樣品展開了全方面研究。實驗過程中，405nm和940nm的LED作為激發光源，不同的波長對應不同的光穿透深度，這為確定缺陷位于表面還是體相提供了依據。通過精心控制光產生速率，并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2 ?s至100 ?s）。激發光源為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具有明確激發活能和俘獲截面的陷阱（如圖3），其中兩個陷阱的激發活能低于100meV，這是傳統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范圍較大，但依然為研究晶體缺陷提供了重要線索。通過波長相關分析，明確了所有觀察到的陷阱均為體缺陷。同時，該技術還測定出少數載流子壽命約為0.7μs，直觀反映出晶體受中子輻射的損傷程度。

圖 4. 典型的阿倫尼烏斯圖（初始延遲時間為2 ?s至 200 ?s），該圖用于提取激發活能以及表觀俘獲截面。激發采用 940 nm的發光二極管。

MD - PICTS 技術的優勢不僅體現在實驗成果上，更體現在其廣泛的應用前景中。它不僅在輻射探測器領域能夠發揮關鍵作用，助力提升探測器的性能和可靠性，對于硅基功率半導體的研究和開發也具有潛在價值。而且，該技術不受限于裸襯底的檢測，能夠對部分加工樣品進行分析，為半導體制造過程中的質量控制和工藝優化提供了有力的技術支持。

表1. 從阿倫尼烏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、寬溫度范圍檢測、準確的缺陷定位和豐富的參數獲取能力等優點，成為半導體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，相信它將為半導體行業帶來更多的驚喜和突破，推動整個行業向著更高的水平邁進。

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