L 32 SJ 中华人民共和国电子行业标准 SJ/T 10482-94 半导体中深能级的瞬态电容 测试方法 Test method for characterizing semiconductor deep levels by transient capacitance techniques 1994-04-11发布 1994-10-01实施 中华人民共和国电子工业部 3发布 中华人民共和国电子行业标准 半导体中深能级的瞬态电容测试方法 SJ/T10482-94 Test method for characterizing semiconductor deep levels bytransient capacitancetechniques 1主题内容与适用范围 本标准规定了用瞬态电容技术中的深能级瞬态谱(DLTS)法测量半导体材料中深能级的 测试方法。 本标准适用于测量硅、砷化镓等半导体材料中杂质、缺陷在半导体禁带中产生的深能级。 由此法可得到深能级的激活能、浓度、指数前因子A等参数。本标准适用于产生指数形式电 容瞬态有关的深能级。 2术语和缩写词 2.1术语 2.1.1深能级deep level 杂质或缺陷在半导体禁带中产生的距带边（导带或价带）较远（相对浅杂质能级来说）或在 禁带中部附近的能级。 2.2缩写词 2.2.1 DLTS deep level transient spectroscopy 深能级瞬态谱。 3原理 深能级测量技术是利用深能级具有隐阱作用，它能隐住自由载流子，又能重新发射它们到 导带或价带的特性。根据细致平衡关系，电子或空穴的发射率en，可以表达成式(1)形式： en.p=oa.pVhNe.exp(-AE/RT) **(1) 式中：n.p一—缺陷对电子或空穴的俘获截面，cm²； Vth—电子或空穴的热运动速度，cm/s; N..导带或价带态密度；cm-3; AE—缺陷激活能,eV; ·k—波尔兹曼常数,J/K; T—-热力学温度,K。 发射率e·p的一般表达式为： 中华人民共和国电子工业部1994-04-11批准 1994-10-01实施 1 SJ/T 10482--94 ea.p = AT?exp(△E/kT) (2) 其中，假定n-p与温度无关，V与温度T1/2相关，N.与温度T3/2相关。 瞬态电容技术的基本原理是在被测样品（PN结二极管或肖特基势垒）上加如图1所示的 重复偏压脉冲，对应于陷阱的电子或空穴发射将在结上产生一个电容的驰豫过程，瞬态电容 AC随时间t的变化符合下面关系： AC(t) = △Cexp(-en.pt) (3) 式中：AC。是t=0时瞬态电容初始值，它同深能级浓度直接相关。 DLTS法是在图①所示的电容瞬态上设置率窗，即通过博克斯卡(Boxcar)平均器在两个 固定的t1和t2时刻对周期性电容信号重复取样平均，然后以△C(t1）－△C(t2）对温度T的 关系作为DLTS谱函数的输出讯号： S(t) = AC(tt) - △C(t2) = △Coexp(- en.pt1) - exp(- en.pt2) 把(4)式对e。微分并求极值，得到蜂值处的发射率： emaxt-1 = 1n(t2/t1)/(t2 - t)) (5) 同时也能得到谱峰高度： S, = AC(B -- 1)BB(1-B) .(6) 式中：B=t2/t1，改变率窗（ti和t2)即可通过(2)式由T²/emax～1/T关系曲线得到激活能 和发射率指数表达式前因子A，由谱峰高度获得深能级浓度。 反偏置二极管： 脱态电容 DLTS取样门 基准 0 时间 图1n*.P二极管二端反偏压重复变化时相对应的电容瞬态波型图 4仪器 SJ/T10482-94 4.1电容计：电容计使用高频测量信号，其电容测量范围为1～100pF或更大，精度为±2%。 仪器能承受土50V的直流偏压。能够补偿样品架连接电缆寄生电容及稳态电容等。其响应时 间应远小于所能测量到的最小时间常数。仪器应具有在注入脉冲期间阻塞大电容的能力。电 容计并不要求具有直读功能，但其输出必须具有良好的线性度。 4.2标准电容：标准电容的值一个应在1～10pF范围，另个应在10～100pF范围。 精度优于0.25%。 4.3脉冲发生器：脉冲重复速率可控，其幅度可由一个偏压（范围至少能在+10～-10V之间 可调）变化到另一个偏压（范围同前）。开关时间应远小于所能测得的最小时间常数，并且脉冲 的上冲量和下冲量应低于所用脉冲幅度的1%。 4.4博克斯卡(Boxcar)平均器或等效的仪器：它有两个独立控制的取样门,取样时间可调，能 够处理电容瞬态信号。 4.5示波器：能够同时观察脉冲发生器的输出及电容瞬态。 4.6记录仪：能够记录DLTS信号。 4.7样品架：测温元件能与样品温度一一对应，所测样品温度的精密度为0.2K，准确度为 1K。能够以一定的温度变化率进行扫描，使样品达到所需的温度。根据不同半导体材料，选 择合适的测试温度范围。 5样品 本方法要求被检测的深能级位于半导体（如PN结二极管或肖特基二级管）耗尽区，因此 测试样品为PN结二极管或肖特基二极管，其结电容应和电容计的测量范围相适应。 6电容计校准 用电容计测量标准电容，以确定电容计的指示是否符合技术要求。 7测量步骤 7.1使用下述方法确定瞬态电容的非指数性。 7.1.1选择一个合适的率窗，如(500μs）~1,然后选择一系列的t2/t1的值，如2,5,10,20,50, 根据下式计算t1,t2 ti=tln(t2/t)/(t2/t1-1) ·(7) t2 = ti(t2/t)) (8) 7.1.2用计算得出的取样时间按7.3~7.6条，比较每次得到的峰值温度Tm，如果Tm是恒 定的，则瞬态是指数形式的，本标准可用；如果t2/t,变化时T变化，则瞬态是非指数的，需要 用其它方法进行修正。 7.2.测量室温下结电容与反偏压的关系，以便确定耗尽区中浅杂质浓度Np（见8.1) 7.3将样品温度降至所需的最低温度，给样品如偏压，设置率窗，t2/t1的值应在2～10。 7.4开始温度扫描，用X-Y记录仪画出博克斯卡（Boxcar)平均器的输出[C（t,）一C（t2) 3 SJ/T 10482-94 同温度T的关系曲线，即DLTS谱。 7.5改变取样时间t1和t2，重复7.3~7.4条的测量至少五次，使有效发射时间常数的变 化至少在两个数量级以上。 7.6根据谱图确定某一深能级在不同的率窗下峰值温度Tm，记录峰值高度。 7.7做出阿列纽斯Arrhenius曲线（见8.2)。 7.8计算深能级的激活能和标准偏差（见8.2.3,8.2.4)。 7.9计算深能级杂质浓度（见8.3)。 8 计算 如果浅杂质浓度是均匀的且结为突变结，按面关系计算浅杂质浓度Np： 8.1 女 Np = 2(Vp - V)(C/S)2/ qeer (9) 式中：S· 二极管的面积； Vp一内建电压； V-外加偏压; C一一反偏压下的电容； Np—不同型号材料中浅杂质浓度； 一真空介电常数； E。" r—材料的介电常数。 对硅用下式计算： Np = (1.20 × 107)/S2n (10) 式中：S一 一二极管面积，cm²； -室温下 C-2~V曲线斜率,(pF)-2V-1。 对砷化镓用下式计算： Np = (1.10 × 10°)Sn ·(11) 8.2做阿列纽斯(Arrhenius)曲线，并由此求深能级的激活能△E。 8.2.1 做1g(e/ T?)~1/ T的Arrhenius 曲线。 8.2.2设X=1/T，Y=1g(e/T)=1g(tT2)-1,对(t，T)数据点进行线性回归拟合，计算下 面等式： X=2x/n Y=-ZY/n Sxx= E(X- X)2 Syy= Z(Y-Y)2 Sx,= Z(- y)(X-x) SJ/T10482-94 S,=[Sy-(Sx)/Sx/n-2 m=Sx/Sx（曲线斜率） b=Y-mX(截距) S = Sg/ Sxx 8.2.3根据下式计算深能级的激活能△E： AE=kmln10=-0.19842m(meV) ·(12) 8.2.4根据下式计算△E的标准偏差SaE： Sae(meV) = 0.19842Sm ·(13) 8.3对于n型或p型材料中多子隐阱的浓度按下式计算： 当N/Np<0.1时,N=2NAC/C. ·(14) 式中：C—反偏压时电容； AC—-DLTS谱峰高度。 9报告 9.1测试报告应包括以下内容： 样品来源及编号； a. b. 操作者； 日期; c. d. 测试条件； e. 缺陷浓度N^和温度； f. 每一温度下发射率的数值； g. 深能级的激活能和标准偏差； 其他注明的事项。 h. 附加说明： 本标准由电子工业部标准化研究所归口。 本标准由电子工业部第四十六研究所负责起草。 本标准主要起草人：刘春香，张若愚，段曙光。 本标准参照采用美国材料与试验协会标准ASTMF978-90<半导体中深能级的瞬态电容 测试方法>。 SJ/T 10482—94 中华人民共和国 电子行业标准 半导体中深能级的瞬态电容 测试方法 SJ/T10482—94 电子工业部标准化研究所出版 河北省清河县印刷厂印刷 电子工业部标准化研究所发行 版权专用不得翻印 开本：787×10921/16印张：5/16字数：7.5千字 1995年12月第一版1995年12月第一次印刷