La espectroscopia transitoria de nivel profundo ( DLTS ) es una herramienta experimental para estudiar defectos eléctricamente activos (conocidos como trampas de portadores de carga ) en semiconductores . La DLTS establece parámetros fundamentales de los defectos y mide su concentración en el material. Algunos de los parámetros se consideran "huellas dactilares" de los defectos y se utilizan para su identificación y análisis.
DLTS investiga defectos presentes en una región de carga espacial ( agotamiento ) de un dispositivo electrónico simple. Los más utilizados son los diodos Schottky o las uniones pn . En el proceso de medición, el voltaje de polarización inversa del diodo en estado estable se altera por un pulso de voltaje . Este pulso de voltaje reduce el campo eléctrico en la región de carga espacial y permite que los portadores libres del volumen del semiconductor penetren en esta región y recarguen los defectos causando su estado de carga de no equilibrio. Después del pulso, cuando el voltaje regresa a su valor de estado estable, los defectos comienzan a emitir portadores atrapados debido al proceso de emisión térmica. La técnica observa la capacitancia de la región de carga espacial del dispositivo donde la recuperación del estado de carga del defecto causa el transitorio de capacitancia. El pulso de voltaje seguido de la recuperación del estado de carga del defecto se ciclan, lo que permite una aplicación de diferentes métodos de procesamiento de señales para el análisis del proceso de recarga de defectos.
La técnica DLTS tiene una sensibilidad superior a la de casi cualquier otra técnica de diagnóstico de semiconductores. Por ejemplo, en silicio puede detectar impurezas y defectos en una concentración de una parte en 10 12 de los átomos del material anfitrión. Esta característica, junto con la simplicidad técnica de su diseño, la hicieron muy popular en los laboratorios de investigación y en las fábricas de producción de materiales semiconductores.
La técnica DLTS fue desarrollada por David Vern Lang en los Laboratorios Bell en 1974. [1] Lang recibió una patente estadounidense en 1975. [2]
En el DLTS convencional, los transitorios de capacitancia se investigan utilizando un amplificador lock-in [3] o una técnica de promediado de doble caja de vagón cuando la temperatura de la muestra varía lentamente (generalmente en un rango desde la temperatura del nitrógeno líquido hasta la temperatura ambiente de 300 K o superior). La frecuencia de referencia del equipo es la tasa de repetición del pulso de voltaje. En el método DLTS convencional, esta frecuencia multiplicada por alguna constante (dependiendo del hardware utilizado) se denomina "ventana de tasa". Durante el escaneo de temperatura, aparecen picos cuando la tasa de emisión de portadores de algún defecto es igual a la ventana de tasa. Al configurar diferentes ventanas de tasa en mediciones de espectros DLTS posteriores, se obtienen diferentes temperaturas en las que aparece un pico particular. Teniendo un conjunto de la tasa de emisión y los pares de temperatura correspondientes, se puede hacer un diagrama de Arrhenius , que permite la deducción de la energía de activación del defecto para el proceso de emisión térmica. Por lo general, esta energía (a veces llamada nivel de energía del defecto ) junto con el valor de intersección del diagrama son parámetros del defecto utilizados para su identificación o análisis. En muestras con baja densidad de portadores libres también se han utilizado transitorios de conductancia para un análisis DLTS. [4]
Además del DLTS de barrido de temperatura convencional, en el que se barre la temperatura mientras se pulsa el dispositivo a una frecuencia constante, la temperatura se puede mantener constante y barrer la frecuencia de pulsación. Esta técnica se llama DLTS de barrido de frecuencia . [3] En teoría, el DLTS de barrido de frecuencia y temperatura debería producir los mismos resultados. El DLTS de barrido de frecuencia es especialmente útil cuando un cambio brusco de temperatura puede dañar el dispositivo. Un ejemplo en el que se demuestra que el barrido de frecuencia es útil es para estudiar dispositivos MOS modernos con óxidos de compuerta delgados y sensibles. [3]
DLTS se ha utilizado para estudiar puntos cuánticos y células solares de perovskita . [5] [6] [7] [8] [9]
En el caso de los diodos Schottky, las trampas de portadores mayoritarios se observan mediante la aplicación de un pulso de polarización inversa, mientras que las trampas de portadores minoritarios se pueden observar cuando los pulsos de voltaje de polarización inversa se reemplazan con pulsos de luz con la energía de fotones del rango espectral de la banda prohibida del semiconductor anterior. [10] [11] Este método se denomina espectroscopia transitoria de portadores minoritarios (MCTS). Las trampas de portadores minoritarios también se pueden observar para las uniones pn mediante la aplicación de pulsos de polarización directa, que inyectan portadores minoritarios en la región de carga espacial. [12] En los gráficos DLTS, los espectros de portadores minoritarios generalmente se representan con un signo opuesto de amplitud con respecto a los espectros de trampa de portadores mayoritarios.
Existe una extensión de DLTS conocida como DLTS de transformada de Laplace de alta resolución (LDLTS). La DLTS de Laplace es una técnica isotérmica en la que los transitorios de capacitancia se digitalizan y promedian a una temperatura fija. Luego, las tasas de emisión de defectos se obtienen con el uso de métodos numéricos que son equivalentes a la transformación de Laplace inversa . Las tasas de emisión obtenidas se presentan como un gráfico espectral. [13] [14] La principal ventaja de la DLTS de Laplace en comparación con la DLTS convencional es el aumento sustancial en la resolución de energía entendida aquí como una capacidad para distinguir señales muy similares.
La combinación de la DLTS de Laplace con la tensión uniaxial da como resultado una división del nivel de energía del defecto. Suponiendo una distribución aleatoria de defectos en orientaciones no equivalentes, la cantidad de líneas divididas y sus relaciones de intensidad reflejan la clase de simetría [15] del defecto dado. [13]
La aplicación de LDLTS a los condensadores MOS requiere voltajes de polarización del dispositivo en un rango en el que el nivel de Fermi extrapolado desde el semiconductor a la interfaz semiconductor-óxido intersecta esta interfaz dentro del rango de banda prohibida del semiconductor . Los estados de interfaz electrónicos presentes en esta interfaz pueden atrapar portadores de manera similar a los defectos descritos anteriormente. Si su ocupación con electrones o huecos se ve alterada por un pequeño pulso de voltaje, entonces la capacitancia del dispositivo se recupera después del pulso a su valor inicial a medida que los estados de la interfaz comienzan a emitir portadores. Este proceso de recuperación se puede analizar con el método LDLTS para diferentes voltajes de polarización del dispositivo. Tal procedimiento permite obtener la distribución del estado de energía de los estados electrónicos de la interfaz en las interfaces semiconductor-óxido (o dieléctrico ). [16]
En general, el análisis de los transitorios de capacitancia en las mediciones DLTS supone que la concentración de trampas investigadas es mucho menor que la concentración de dopaje del material . En los casos en que esta suposición no se cumple, se utiliza el método DLTS de capacitancia constante (CCDLTS) para una determinación más precisa de la concentración de trampas. [17] Cuando los defectos se recargan y su concentración es alta, entonces el ancho de la región espacial del dispositivo varía, lo que hace que el análisis del transitorio de capacitancia sea inexacto. El circuito electrónico adicional que mantiene constante la capacitancia total del dispositivo al variar el voltaje de polarización del dispositivo ayuda a mantener constante el ancho de la región de agotamiento. Como resultado, el voltaje variable del dispositivo refleja el proceso de recarga del defecto. Un análisis del sistema CCDLTS utilizando la teoría de retroalimentación fue proporcionado por Lau y Lam en 1982. [18]
Existe una deficiencia importante para DLTS: no se puede utilizar para materiales aislantes. (Nota: un aislante puede considerarse como un semiconductor de banda prohibida muy grande ). Para los materiales aislantes es difícil o imposible producir un dispositivo que tenga una región espacial para la cual el ancho pueda cambiarse por la polarización de voltaje externo y, por lo tanto, los métodos DLTS basados en la medición de capacitancia no se pueden aplicar para el análisis de defectos. Basándose en experiencias de la espectroscopia de corriente estimulada térmicamente (TSC), los transitorios de corriente se analizan con los métodos DLTS (I-DLTS), donde los pulsos de luz se utilizan para la perturbación de ocupación del defecto. Este método en la literatura a veces se llama espectroscopia transitoria fotoinducida (PITS). [19] I-DLTS o PITS también se utilizan para estudiar defectos en la región i de un diodo pin .