Экспертное мнение: Полупроводниковые материалы в электронике

[qbertych]

Спасибо, интересно. Но доступность материала пока еще хромает, позволю себе сделать краткий TL;DR:

На сегодня нитрид галлия (GaN) — второй по востребованности полупроводник после кремния: на его основе делают синие светодиоды (основа всех светодиодных ламп, я как-то рассказывал про них), лазеры для Blu-ray, силовые транзисторы и еще много чего. Как и у всех полупроводников, у него есть зонная структура: электрон совершает полезную работу (например, излчуает свет), падая из зоны проводимости в валентную зону; между ними — в запрещенной зоне — он не задерживается (рисунок слева).


(Картинка отсюда)

Как и во всех полупроводниках, в GaN встречаются разнообразные дефекты кристаллической решетки; один из них — глубокие центры. Это такие уровни посередине запрещенной зоны, на которых могут задерживаться электроны и дырки. В этом случае электрон не совершает полезную работу (скажем, не излучает фотон), а плавно «спрыгивает» сверху на глубокий центр, а с него — вниз, в валентную зону (рисунок справа). Раньше про эту проблему не задумывались, потому что проблем в нитриде галлия было более, чем достаточно. Сейчас стало понятно, что глубокие центры снижают КПД и срок службы устройств на основе GaN, и поэтому являются той еще головной болью современной электроники.

Правда, чтобы избавиться от этой головной боли, надо сначала понять, что эти глубокие центры вообще из себя представляют. Сами по себе они давно известны, но в разных полупроводниках они ведут себя по-разному. В частности, разбираться с ними в GaN очень непросто, потому что они находятся далеко от краев запрещенной зоны (собственно, поэтому они глубокие), и стандартные методы тут не работают. Приходится придумывать что-то новое. Этим, в частности, и занимается автор.

Ну а теперь вопросы автору:

1. «Ёмкостная спектроскопия глубоких уровней», она же РСГУ — что это за зверь и с чем его едят? Я могу загуглить, но ёмкий ответ специалиста всегда интереснее цитаты из википедии.
2. Можно ли измерять глубокие уровни чем-то типа спектроскопии поглощения?
3. Где изготавливают структуры для исследований? Какая часть работы делается в МИСиСе, спектроскопия или что-то еще?

[science-misis]

Добрый день!
Ответ от Александра Яковлевича Полякова

1. «Ёмкостная спектроскопия глубоких уровней», она же РСГУ — что это за зверь и с чем его едят? Я могу загуглить, но ёмкий ответ специалиста всегда интереснее цитаты из википедии.

Ёмкостная спектроскопия глубоких уровней (в английской аббревиатуре DLTS deep level transient spectroscopy) — метод, впервые описанный Дэвидом Лангом из Белл Лэбс. В этом методе на p-n переход или диод Шоттки, находящийся под обратным смещением, подаётся импульс прямого смещения, заполняющий глубокие ловушки в слое объёмного заряда диода (при обратном смещении они пусты). По окончании импульса ловушки должны вернуться в исходное незаряженное состояние, но не могут этого сделать мгновенно, потому что электроны на уровне ловушки должны быть заброшены обратно в зону проводимости, а для этого требуется энергия, равная глубине уровня ловушки. Поэтому в кривой релаксации ёмкости появится длинный «хвост», амплитуда которого определяется концентрацией ловушек, а постоянная времени — коэффициентом эмиссии электронов с уровня. Этот последний может быть оценен из принципа детального равновесия, постулирующего, что в равновесии скорости прямого процесса (захват электрона) и обратного процесса (выброс) равны. Тогда получается, что постоянная времени экспоненциально зависит от глубины уровня, а предэкспоненциальный множитель определяется сечением захвата электрона на уровень, плотностью состояний в зоне и тепловой скоростью.

Если теперь провести измерения зависимости амплитуды релаксации и времени релаксации от температуры, то можно найти все параметры ловушки: концентрацию, сечение захвата электронов. Ланг предложил метод автоматизации процесса измерения, когда кривая релаксации при данной температуре с помощью измерения значений релаксирующей ёмкости в моменты времени t1 и t2. При развёртке по температуре в спектре получается пик, амплитуда которого позволяет рассчитать концентрацию ловушек, а изменение температуры пика при изменении временных окон t1, t2 позволяет вычислить энергетическое положение ловушки и сечения захвата на неё электрона. Измерив спектры несколько раз с разными значениями окон можно найти все параметры ловушки. По знаку пика (растёт ли ёмкость со временем после импульса или падает) можно узнать какой носитель захватывается, электрон или дырка.

С семидесятых годов, когда метод был впервые описан, предложено много вариантов метода, которые позволяют находить распределение ловушек по глубине из так называемых измерений с двойной корреляцией (два импульса, следующих друг за другом), определять сечение захвата при данной температуре, а не экстраполированное к 0К (из измерений зависимости амплитуды пика от длительности импульса), находить параметры ловушки за один температурный прогон ( измерение полных кривых релаксации в диапазоне температур), повысить чувствительность метода за счёт применения Фурье преобразования и частотного анализа, разделить вклады близко расположенных ловушек с помощью преобразования Лапласа.

Существенным ограничением метода является невозможность изучения ловушек, находящихся ниже уровня Ферми в диодах с монополярной инжекцией (диоды Шоттки), а также требования малости концентрации ловушек по сравнению с концентрацией основной легирующей примеси. Первое ограничение снимается использованием оптического возбуждения, второе — использованием варианта метода, в котором постоянной поддерживается ёмкость, а изучается релаксация напряжения. Глубина уровней, которые можно изучать, ограничивается диапазоном температур, при которых возможны надёжные измерения ёмкости, а также высотой барьера, который можно создать в диоде. В стандартных вариантах метода глубина тестируемых центров обычно не превышает 1-1.2 эВ.

2. Можно ли измерять глубокие уровни чем-то типа спектроскопии поглощения?

Да, конечно, не только можно, но и широко используется. Вариантов несколько. Самый простой, когда делается спектроскопия фототока. Более сложный и более информативный (потому что позволяет разделять процессы в верхней и нижней части запрещённой зоны) — это метод измерения спектров фотоёмкости. Наиболее «продвинутый» вариант — это метод DLOS (deep level optical spectroscopy), в котором заполнение уровня поддерживается подачей заполняющего импульса на диод, затем диод освещается и измеряется начальный знак и амплитуда изменения ёмкости. Метод похож на DLTS, но сканируется не температура, а спектр возбуждающего света. При этом, конечно, измеряются не термическая энергия ионизации уровня, а оптическая. Преимуществом же метода является возможность измерять характеристики очень глубоких ловушек.

3. Где изготавливают структуры для исследований? Какая часть работы делается в МИСиСе, спектроскопия или что-то еще?

Простые тестовые структуры мы готовим сами, реальные транзисторы и светодиоды нам готовят партнёры, с которыми мы работаем. В НИТУ «МИСиС» делается спектроскопия и проводятся детальные физические исследования, а также измерения некоторых приборных параметров, за которыми мы следим параллельно со спектроскопическими исследованиями

[qbertych]

Здорово, спасибо!