一种用于激励能级电容分析法的缺陷态空间位置测定方法
阅读说明：本技术 一种用于激励能级电容分析法的缺陷态空间位置测定方法 (Defect state space position determination method for excitation energy level capacitance analysis method ) 是由 陈小青 张鑫 严辉 张永哲 孙召清 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：一种用于激励能级电容分析法的缺陷态空间位置测定方法,属于半导体材料测试领域。将DLCP电压为V条件下,能级深度浅于E的陷阱态的态密度记为N(E,V)；将DLCP电压为V条件下(对应特定空间位置),单位位置、能量空间中的态密度记为g(E,V)。计算不同能量、空间位置的(x-(e)(E-(Ti),V-(k)),N(E-(Ti),V-(k)))；最后,根据公式(1),可计算单位位置、能量空间的陷阱态的态密度g(E-(Ti),V-(k)),即因此可整理成(x-(e)(E-(Ti),V-(k)),g(E-(Ti),V-(k)))的数据表格,其中x-(e)(E-(Ti),V-(k))即为所求解的陷阱位置。(A defect state space position measuring method for an excitation energy level capacitance analysis method belongs to the field of semiconductor material testing. Recording the state density of a trap state with the energy level depth shallower than E as N (E, V) under the condition that the DLCP voltage is V; when the DLCP voltage is V (corresponding to a specific spatial position), the state density in the unit position and energy space is represented as g (E, V). Calculating (x) at different energies, spatial positions e (E Ti ,V k ),N(E Ti ,V k ) ); finally, according to the formula (1), the state density g (E) of the trap state in the unit position and energy space can be calculated Ti ,V k ) I.e. by Thus can be arranged into (x) e (E Ti ,V k ),g(E Ti ,V k ) Data table of (b), where x e (E Ti ，V k ) I.e. the trap position solved.)
技术领域
本发明属于半导体材料测试领域，特别提供一种用于激励能级电容分析法(Drive-level capacitance profiling)的缺陷态空间位置测定方法
背景技术
为了改善半导体器件的性能，半导体材料的缺陷和界面缺陷引起了学术界及产业界的广泛重视。电容测试技术是研究半导体器件的基体缺陷和界面缺陷的重要手段，已经在太阳能电池和发光二极管领域广泛应用。这种技术的基本方法为给半导体器件施加一微扰电压信号测量器件电容，由于缺陷态的载流子的俘获或发射会影响器件的电容值，因此可用电容测量值分析缺陷态的相关信息。基于基本的半导体器件物理图像，可通过改变电容测量时的偏压和频率等条件，对半导体内不同空间位置、能级深度的缺陷态分别进行研究，因此形成了一系列基于电容测量的缺陷态分析方法，其中包括：电容-电压法(Capacitance-Voltage)、深能级瞬态谱(Deep-level transient spectroscope)、激励能级电容分析法(Drive-level capacitance profiling)。激励能级电容分析法(以下简称DLCP)可用来获取材料的缺陷的空间分布信息及能量分布信息，其测量原理、相关假设和操作方法描述于J.Appl.Phys.95,1000–1010(2004)。然而DLCP方法的局限性在于无法准确给出缺陷的空间位置(xe)，只能给出一个与xe相关的“准位置”(<x>)。根据J.Appl.Phys.95,1000–1010(2004)，xe和<x>存在理论上的相关关系，即
其中∈为半导体材料的介电常数，F为测量过程中缺陷所处位置xe处的电场，N(ET,xe)是xe处的能级深度浅于ET(根据J.Appl.Phys.95,1000–1010(2004)，ET决定于电容测试中采用的频率)的陷阱态态密度。目前为止，由于没有测量或分析F(ET,xe)的有效方法，因此也无法有效的根据测得的<x>求解xe，更无法获得xe与能级和DLCP电压的关系。为了解决DLCP技术的这一问题，本发明专利提出一种基于DLCP原理的缺陷态位置的测试方法。
发明内容
DLCP技术所采用的基本物理图像和假设描述于J.Appl.Phys.95,1000–1010(2004)中，其测量设备包括各类可变频、变直流偏压的电容测试装备，例如LCR测试仪、阻抗测试仪、半导体参数分析仪等设备以及由其他设备组成的测试系统等。这一方法通过系统性的分析不同频率和电压V(即其中VDC是直流偏压，是交流偏压)条件下的电容值，研究不同能量、空间位置的陷阱态的态密度(量纲为“个/(cm3eV)”)。其中频率决定了可探测到的最深陷阱态能级；V与频率(或能级)共同影响可被探测的陷阱态的空间位置xe，这一依赖关系即是本发明解决的问题。
为方便描述，将DLCP电压为V条件下(对应特定空间位置)，能级深度浅于E的陷阱态的态密度记为N(E,V)，定义为浅受主杂质浓度-浅施主杂质浓度之差，量纲为“个/(cm3)”；将DLCP电压为V条件下(对应特定空间位置)，单位位置、能量空间中的态密度(量纲为“个/(cm3eV)”)记为g(E,V)。很显然
本测量方法的用途是为DLCP技术提供缺陷态空间分布的测试方法。其基本物理图像、假设和实验装备与DLCP技术相同，描述于J.Appl.Phys.95,1000–1010(2004)中。其基本的分析原理如图1所示，基本实施流程图如图2所示，实施步骤简述如下：
1).通过器件的电容-频率关系，找出可以用于分析器件内部载流子行为的最高频率ωdevice(因为当频率ω>ωdevice时，电容主要来自于器件几何电容)，分析方法参考方法为J.App.Phys.118,205504(2015)。将ωdevice与电容测量设备的最高可用频率ωinstrument对比，令ωmax为ωdevice和ωinstrument中的较小者。
2).在固定DLCP所用的电压为V1(即其中VDC是直流偏压，是交流偏压)不变的情况下，依序执行以下操作。
2.1从ωmax开始，根据DLCP方法，求解(1)ωmax对应的陷阱能级ET0，(2)在此特定条件(ET0,V1)下的陷阱“准位置”<x>(ET0,V1)和(3)能级深度浅于ET0的陷阱态的态密度(N(ET0,V1)，定义为浅受主杂质浓度-浅施主杂质浓度之差)；将(ET0,V1)条件下，受激励缺陷态的位置标记为xe(ET0,V1)，此处的电场为F(xe(ET0,V1))，记为F0；根据半导体器件物理经典图像，F(xe(ET0,V1))可以合理假设为0，因此
进一步，可根据高斯定律求解电场(F(x))对空间位置(x)的导数
其中q是基元电荷，∈是介电常数。
2.2在上一步的基础上，通过降低频率至ω1＝ωmax/m1(1<m1<e，e是自然对数底)来研究具有更深的陷阱能级ET1；根据DLCP的理论，可以计算得ET1，即ET1＝ET0+dET＝ET0+kTlnm1，其中k是玻尔兹曼常数，T是温度；仿照2.1步骤，求出能级深度浅于ET1的陷阱态态密度(N(ET1,V1))；若N(ET1,V1)相比N(ET0,V1)的变化量不能忽略(例如N(ET1,V1)-N(ET0,V1)>10％N(ET0，V1))，则适度减小m1，直至N(ET1,V1)相比N(ET0,V1)的变化量可以忽略；由于N(ET1,V1)≈N(ET0,V1)，在(xe(ET0,V1),xe(ET1,V1))的区间内，任意一点的位置可写为xe(ET0,V1)-x′(其中0<x′<[xe(ET0,V1)-xe(ET1,V1)])；在此处的电场(F(xe(ET0,V1)-x′))可通过公式(3)表达为
由公式(4)可知，在xe(ET1,V1)处，电场记为F1为
其中定义为xe(ET0,V1)-xe(ET1,V1)，且
其中根据公式(6)，可以得到
并最终还可以得到
2.3在上一步的基础上，仿照2.2的操作方式，继续通过降低频率至ω1/m2来研究具有更深的陷阱能级ET2，m2选取方式与m1的选取方式相同；并得到ET2＝ET0+kTln(m1m2)和
2.4仿照上述步骤步骤，继续降低频率至(其中i是降低频率的次数序号)，计算得到所有所需的(ETi,xe(ETi,V1),N(ETi,V1))组合；其中 N(ETi,V1)通过DLCP方法求解；
3).如同DLCP方法一样，针对其它电压Vk，重复1.1的所有步骤，从而计算不同能量、空间位置的(xe(ETi,Vk),N(ETi,Vk))；最后，根据公式(1)，可计算单位位置、能量空间的陷阱态的态密度g(ETi,Vk)，即因此可整理成(xe(ETi,Vk),g(ETi,Vk))的数据表格，其中xe(ETi,Vk)即为所求解的陷阱位置。
附图说明
图1为本发明的基本分析原理示意图。
图2为本发明的基本实施流程图。
具体实施方式
为方便理解，下面结合示意图和测量数据，描述一次具体的简单测量实例，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
测试样品是一个实验室自制钙钛矿太阳能电池，结构为(ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au)，钙钛矿的介电常数为约2.7×10-10F/m＝31×真空介电常数。本案例将测量在V1＝0.4V情况下，深度为0.396eV的缺陷态所处的空间位置，即xe(0.396eV,0.4V)。
本案例中所使用的测试设备是Keysight B1500，其ωinstrument是31.4MHz(5MHz×2π)，ωdevice是126kHz。因此ωmax为126kHz，根据经典DLCP技术可得对应的陷阱能级ET0为约0.370eV。在V1＝0.4V情况下，根据经典DLCP技术，测得N(ET0,V1)＝3×1015/cm3，xe(ET0,V1)＝337nm，
在上一步的基础上，降低频率至在此情况下待研究的陷阱能级深度变为ET1＝0.396eV，根据经典DLCP技术可得N(ET1,V1)＝3.2×1015/cm3。根据公式(6)得到 最终得到
若需进一步求解其它电压和其他能级深度处的陷阱态空间位置，只需继续改变频率和电压即可。
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