Инжекционно-зависимая спектроскопия времени жизни с изменяющейся длительностью импульса

ДЕК162019

Время жизни неосновных носителей заряда является одним из ключевых параметров качества полупроводникового материала и, следовательно, производительности устройства. Время жизни очень чувствительно ко всем видам электрических дефектов в материале, таких как примеси и кристаллографические дефекты, дислокации и т.п. Следовательно, это идеальный параметр для исследовательских применений, а также для определения качества материала в больших объемах прямо на линиях производства.

Важным фактором, особенно для сравнения и правильной интерпретации результатов времени жизни, является методология измерения данного параметра. Данные времени жизни должны количественно отражать время жизни поверхностной или объемной рекомбинации в соответствии с исследуемым свойством материала. Для образцов с разными слоями, такими как эпитаксиальные слои, необходимо учитывать еще больше центров рекомбинации (рекомбинационная ловушка) и желательно различать, какой именно центр преимущественно определяет измеренное время жизни, например, поверхность, граница раздела или рекомбинация в самом эпитаксиальном слое. На рис. 1 представлена схема типового образца с эпитаксиальным слоем и рекомбинационными центрами, которые необходимо учитывать. Следует также иметь в виду, что зачастую присутствует еще больше различных слоев, например, буферный слой.

Рис. 1. Схема рекомбинационных центров образца с эпитаксиальным слоем.

Ранее уже было продемонстрировано, что длительность импульса возбуждающего источника света влияет на глубину измерения в толстых образцах и, следовательно, также на время жизни носителей [1, 2]. Если используется импульс короткой длительности (200 нс), то поверхностная рекомбинация будет доминирующей, поскольку развивающийся профиль носителей заряда находится очень близко к поверхности. С другой стороны, если применять стационарный режим, носители заряда проникают глубже в образец, поэтому может быть получена объемная информация. Тот же эффект можно использовать для исследования эпитаксиальных слоев и различных центров рекомбинации, используя более короткую длину волны и сравнивая инжекционно-зависимые измерения с изменяющейся длительностью импульса и, следовательно, меняющейся глубиной измерения.

Такой подход требует наличие измерительной системы, которая способна проводить измерения как с короткими импульсами, так и с длинными импульсами, чтобы установить стационарный режим, с различными длинами волн и широким диапазоном инжекции. MDP метод измерения времени жизни носителей заряда [3] в сочетании с последними современными разработками и достижениями в элементной базе отвечает данным требованиям.

Эксперимент

С помощью высокочувствительного измерителя модели MDPmap были исследованы различные тонкопленочные образцы эпитаксиальных слоев кремния толщиной от 6 мкм до 50 мкм на высоколегированной кремниевой подложке. Тонкие пленки пассивировали с использованием термически образованного оксида или аморфного кремния. Были измерены образцы как с легированием p-типа, так и с легированием n-типа.

Применяемый MDP метод измеряет временную зависимость фотопроводимости во время и после приложения прямоугольного лазерного импульса при микроволновом поглощении (9…10 ГГц) через объемный резонатор как часть интегрированной микроволновой электроники. Длительность возбуждающего лазерного импульса (на 980 нм) может варьироваться от 0.1 мкс до нескольких мс. Следовательно, возможны измерения в режиме как коротких импульсов, так и в установившемся (стационарном) режиме в отношении генерации и рекомбинации носителей. Это имеет решающее влияние на профили носителей, которые развиваются в образце. На рис. 2 показаны смоделированные профили носителей заряда, которые развиваются в образце толщиной 300 мкм со скоростью поверхностной рекомбинации 1000 см/с после короткого импульса и возбуждения в стационарном состоянии. При измерениях с помощью коротких импульсов с длительностью импульса t_pulse << τ, профиль носителя очень неоднороден и наибольшая концентрация носителей наблюдается на глубинах ниже 50 мкм. Следовательно, основное влияние на результат измерения оказывает рекомбинация в этой области образца. Для образцов с эпитаксиальным слоем это означает, что рекомбинация на поверхности и в эпитаксиальном слое гораздо более обозначена. Для измерений в установившемся состоянии носители успевают диффундировать в образец и, следовательно, профиль носителей является более однородным, а также рекомбинация на границе раздела и в подложке влияет на результат измерения.

Рис. 2. Смоделированные профили носителей заряда в образце толщиной 300 мкм, развивающиеся после возбуждения коротким импульсом (200 нс) и возбуждения в установившемся режиме (200 мкс); отображается профиль носителей сразу после выключения света.

Поскольку профили носителей заряда в образцах неоднородны, особенно при измерениях с помощью коротких импульсов, инжекция определялась путем моделирования профилей носителей (подробнее см. в [1]).

MDP метод обеспечивает превосходную чувствительность по сравнению со стандартными методами. Это позволяет проводить инжекционно-зависимые измерения для более чем 7 инжекционных порядков величины с помощью одного и того же устройства, что открывает новые возможности проведения более детальных исследований ловушек, а также центров рекомбинации в материале. Кроме того, в отличие, например, от методов фотолюминесценции, данные MDP метода априори являются количественными.

Результаты

 На рис. 3 представлено сравнение данных по измерению кремниевого эпитаксиального слоя толщиной 50 мкм на кремниевой подложке с высокой степенью легирования, которые были получены на обычном измерителе и измерителе высокой чувствительности модели MDPmap. Результаты показывают, что может быть достигнуто улучшение отношения сигнал/шум примерно в 100 раз. Следовательно, для измерения можно использовать лазер меньшей мощности, а также наблюдать гораздо больший контраст на карте времени жизни носителей заряда.

Рис. 3. Пример отображения времени жизни с улучшенной чувствительностью (в 100 раз); 50 мкм эпитаксиальный кремниевый слой с легированием p-типа на кремниевой подложке, пассивированный термоокислом.

На рис. 4 представлены результаты инжекционно-зависимых измерений при различной длительности лазерного импульса для двух разных образцов с эпитаксиальными слоями. Эпитаксиальный кремниевый слой толщиной 6 мкм с легированием n-типа, пассивированный термоокислом, не показывает различий в зависимости от инжекционно-зависимой кривой времени жизни при различной длительности лазерного импульса. Вероятно, это связано с очень тонким эпитаксиальным слоем и очень хорошей скоростью поверхностной рекомбинации, следовательно, при использовании инфракрасного света не может наблюдаться большой разницы. Для получения дополнительной информации образец должен быть измерен с более короткой длиной волны, например 532 нм. Второй образец имеет эпитаксиальный кремниевый слой толщиной 30 мкм с легированием n-типа, пассивированный аморфным кремнием. В этом случае наблюдается значительное увеличение измеренного времени жизни во всем диапазоне инжекции, что указывает на то, что эффект захвата ловушками в низком диапазоне инжекции изменяется с увеличением длительности импульса. Это, в свою очередь, указывает на разную плотность ловушек в разных слоях образцов. Кроме того, время жизни, по-видимому, в основном ограничено из-за рекомбинации на поверхности, и, следовательно, сильно уменьшается при коротких лазерных импульсах и соответствующих профилях носителей вблизи поверхности. Опять же, можно получить еще больше информации, если проводить дополнительные измерения с более короткими длинами волн.

Рис. 4. Инжекционно-зависимые кривые времени жизни при различной длительности лазерного импульса: Эпитаксиальный кремниевый слой толщиной 6 мкм с легированием n-типа, пассивированный термоокислом (слева); Эпитаксиальный кремниевый слой толщиной 30 мкм с легированием n-типа, пассивированный аморфным кремнием (справа).

Заключение и выводы

В данном исследовании на примере различных эпитаксиальных слоев кремния была продемонстрирована улучшенная чувствительность измерителей электрических свойств методом MDP. Кроме того, было показано, что при измерениях данным методом длительность возбуждающего лазерного импульса можно непрерывно регулировать от всего 200 нс до нескольких мс и, следовательно, можно проводить измерения в режиме коротких импульсов (аналогично  μ-PCD методу [4]) или в установившемся режиме (аналогично QSSPC методу [5]) с одним и тем же прибором. Таким образом, можно получить информацию о доминантных процессах рекомбинации на разных глубинах образца, что особенно интересно для образцов с тонкими эпитаксиальными слоями. Было показано, что из-за различий в развитии профилей носителей в образце измеряются разные эффективные времена жизни, которые дают ценную информацию о распределении центров рекомбинации по глубине.

Подробные характеристики измерителя времени жизни носителей заряда поли- и монокристаллических подложек MDPmap

Ссылки

1. N. Schüler, T. Hahn, K. Dornich, and J. R. Niklas, Solar Energy Materials and Solar Cells94, 1076-1080 (2010)
2. R. A. Sinton and T. Trupke, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 1-4 (2011)
3. B. Berger, N. Schüler, S. Anger, B. Gründig-Wendrock, J. R. Niklas, K. Dornich, phys. stat. sol. (a) 208, 769-776 (2011)
4. K. Lauer, A. Laades, H. Übensee. H. Metzner and A. Lawerenz, Journal of Applied Physics104, 104503 (2008)
5. R. A. Sinton, and A.Cuevas, Appl. Phys. Lett. 69, 2510–2512 (1996)