专利名称:高分辨率深能级瞬态谱仪的设备方法与仪器的制作方法
本发明属于半导体深能级瞬态谱测量技术方法和仪器领域。
半导体材料、器件中，杂质、缺陷、中子和电子辐照和各种应力和工艺等因素产生的深能级及其对其测量，是半导体物理、材料等领域内一个重要课题。现有的深能级谱测量方法及仪器可参见下列资料。
〔1〕C.T.Sah，L.Forbes，L.L.Rosier and A.F.Tasch solid-state Electron.(固体电子学)GB，Vol.13，1970，PP.759～788。
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〔6〕DLTS仪 匈牙利技术物理所产品〔7〕DLTS仪 南京大学 南京半导体器件总厂NJ·M·DLTS产品〔8〕N.M.Johnson，D.J.Bart-elink，M·Schultz，Proc.of Int.Topical Conf.on the Physics of SiO2and Its interfaces fo be published.(国际SiO2与及表面物理会议文集)1978。
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〔11〕孙勤生 半绝缘α-Si定域态和GaAs深能级的光激瞬态电流谱PITS(1983年全国半导体物理学术会议论文摘要集)。
〔12〕Ch.Hurtes.M.Boulou，A，Mitonneau，and D.Bois Appl Phys Lett(应用物理通报)32(12)，821(1978)以深能级瞬态热激电容〔1〕为基础的深能级瞬态(电容)谱DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)〔2〕1974年由美国贝尔实验室D·V·Lang提出的，对深能级热激瞬态电容讯号设置率窗(二点差分式)，取出温度扫描DLTS谱讯号的DLTS技术方法，已成为一种重要的半导体测量分析技术。由此制成的DLTS仪，在中国、日本、美国、英国、匈牙利等，都已先后商品化。〔3〕〔4〕〔5〕〔6〕〔7〕目前现有的深能级瞬态谱测量技术，除DLTS外，还有恒定电容的CC-DLTS〔8〕、双脉冲的DDLTS〔9〕、恒温率窗扫描的CT-DLTS〔10〕、光激瞬电流的PITS〔11〕、〔12〕等，但这些深能级瞬态谱都存在着分辨率低的问题。由于分辨率低，谱峰所占的扫描温度范围很宽，见图1-5，相近能级的谱峰之间相互覆盖、高峰掩盖低峰，因而就难以测定和分析深能级数量多情况复杂，以及有相邻近能级或存在能级分裂现象的样品。
本发明的目的，在于解决目前现有深能级瞬态谱分辨率低这一突出问题，提供设计具有高分辨率又具有高灵敏度特征的高分辨率深能级瞬态谱仪的技术方式，以及用此方法的讯号处理仪和深能级瞬态谱仪。
为此目的，本发明技术解决方案指出了现有各种深能级瞬态谱分辨率低的关键所在，提出了一种新颖的高分辨率瞬态讯号多点(m≥3)组合率窗系列和一种三点不等距组合率窗，并由这些新的率窗(Rate Window)，得到了各种高分辨率的深能级瞬态谱，本发明还提出了根据多点(m≥3)组合率窗，设计新颖的高分辨率瞬态讯号处理仪的多种设计方案和实施原理，提出了由高分辨率瞬态讯号处理仪组成的各种高分辨率深能级瞬态谱仪，本发明还给出了由高分辨率深能级瞬态谱仪描出的实施结果-高分辨率深能级瞬态谱谱线，见图1-1、1-2、1-3、1-4。从这些实施结果足以看出本发明在深能级研究方面的重要性，以及它们与现有的深能级瞬态谱DLTS等相比，所具有的优越性和特征。
以下分部阐述技术解决方案的细节(一)高分辨率瞬态讯号多点(m≥3)组合率窗系列SRW(m)本发明指出，现有半导体深能级瞬态谱，DLTS和其它形式的深能级瞬态谱，及其它类似的瞬态谱，分辨率低的关键，是获得这些瞬态谱的二点差分式率窗所造成。
现有的“二点差分”式率窗有二种形式。一种是在每个瞬态讯号周期内，在t1和t2二个时刻，对瞬态讯号S(t)取样，取出谱讯号S(2)＝S(t1)-S(t2) (1-1)如图1-9所示。这可用分析仪(BOXCar)等来实现。
另一种是用锁定放大器(LOCK-in amplifier)对瞬态讯号设置率窗，它是对每个瞬态讯号周期的前半部(0～t1)和后半部(t1～2t1)，分别取讯号的平均值，而后给出这二者之差，即谱讯号
△S12=1t1∫0t1S ( t) d t -1t1∫t12 t1S ( t ) d t ,]]>(1-2)如图1-10所示。
为获得高分辨率深能级瞬态谱，以及类似的其它高分辨率瞬态谱，本发明提出一种新颖的能获得高分辨的新技术方法瞬态讯号多点(m≥3)组合率窗。
为说明简便起见，下面将现有的“二点差分”式率窗简称为LRW(2)(D.V.Lang Rate Window)，而将本发明提出的“多点组合”式率窗系列简称为SRW(m)(Sun(孙)Rate Window)。
SRW(m)的原理，如图1-11所示，即在每个瞬态讯号周期内，在t1t2…tm，分别对瞬态讯号设置m(≥3)个相邻间隔△t(＝tn-tn-1)相等的取样点，由它们组合成一个SRW(m)。
SRW(m)中第n个取样点的时间tn＝t1+(n-1)·△t (1-3)m个取样点所取得的瞬态讯号S(t1)、S(t2)…S(tm)，按以下规则组合成谱讯号S(m)。
对m＝2的情况SRW(2)与LRW(2)相同，S(2)＝S(t1)-S(t2)， (1-4)
对m＝3、4、5的情况，SRW(m)的S(3)＝S(t1)-2S(t2)+S(t3)，(1-5)S(4)＝S(t1)-3S(t2)+3S(t3)-S(t4)，(1-6)S(5)＝S(t1)-4S(t2)+6S(t3)-4S(t4)+S(t5)(1-7)对m为任意的一般情况S(m)＝S(t1)-am2S(t2)……+(-1)n-1amn·S(tn)
(1-8)S(m)中第n项的系数amn与S(m-1)中第n-1和第n项的系数am-1n-1、am-1n之关系为amn＝am-1n-1+am-1n(1-9)amn即指数为m时的二项式展开项的系数。
取样点数目m不同的SRW(m)，形成了一个可供选择的SRW(m)率窗系列，SRW(2)即LRW(2)是这率窗系列中最简单的，也是分辨率最低的一种率窗。
SRW(m)率窗系列中，率窗的谱讯号分辨率主要取决于参数m。m增大分辨率就明显提高了，而且谱讯号的峰值S(m)max在m增大时下降幅度小，因此SRW(m≥3)作为瞬态讯号的率窗，可使谱讯号获得高的分辨率，又可保持高的灵敏度。
除m外，SRW(m)参数△t/t1也与分辨率有关，比值△t/t1减小，分辨率将有所提高，但不明显。△t/t1数小到1以后分辨率几乎不能再提高，而且S(m)max随△t/t1的减小，大幅度下降。因此增加m是提高瞬态谱分辨率的关键。
本发明提出的SRW(m≥3)率窗系列，与现有的LRW(2)相比具有高分辨率的特征。这从以下面的
发明内容
中可清楚地看出此特征及其效果。用SRW(3)即可获得比LRW(2)高得多的分辨率。
SRW(m≥3)的高分辨率特征和优越性，从本发明采用SRW(3)代替LRW(2)设计成的高分辨率深能级瞬态谱HDDLTS仪实施例所描出的深能级瞬态谱线(图1-1到1-4)，和现有采用LRW(2)的深能级瞬态谱DLTS仪所描出的同一样品深能级瞬态谱线(图1-5到图1-8)的比较可清楚地看出。HDDLTS的谱峰尖锐，分辨率高，相邻的深能级谱峰可被分开，而DLTS谱峰宽分辨率低相邻近能级的谱峰互相覆盖难以区分和测量。
SRW(m)参数m和△t/t1的最佳选择，一般可取△t/t1＝1～3，m＝3～6。要求分辨率高△t/t1可取小一些，m大一些，而要求灵敏度高△t/t可取大一些，m小一些。选取△t/t1＝2是较为理想的。在△t/t1＝2和m＝3的情况下，与LRW(2)相比，分辨率已有了显著提高，而且有高的灵敏度。
图1-1，1-2，1-3，1-4，分别是四个不同硅样品的高分辨率深能级瞬态谱HDDLTS谱线，这些谱线都是由本发明实施仪器所描出。图中X轴为样品扫描温度(°K)y轴为瞬态电容谱讯号△C(PF)。
图1-5是与图1-1相同样品的DLTS谱线。
图1-6是与图1-2相同样品的DLTS谱线。
图1-7是与图1-3相同样品的DLTS谱线。
图1-8是与图1-4相同样品的DLTS谱线。
图1-9瞬态讯号二点差分式率窗原理图。
图1-10锁定放大器对瞬态讯号设置的二点差分式率窗原理图。
图1-11瞬态讯号多点组合率窗原理图。
(二)高分辨率瞬态讯号三点不等距组合率窗SRWn(3)为使取样点数目最少的SRW(m≥3)，即SRW(3)，在不增加取样点的情况下，获得更高的分辨率。本发明提出了一种新颖的瞬态讯号三点不等距组合率窗，下面用SRWn(3)表示这种率窗。
这种率窗，如图2-1所示，由三个取样点t1、t2和t3组合成。其特征是三点之间的二个间隔t2-t1＝△t1和t3-t2＝△t2不相等，并取△t2＞△t1，这与SRW(3)不相同。
SRWn(3)与SRW(3)相比，在深能级瞬态谱方面具有更高的分辨率，这从图2-1中谱线的比较可清楚地看出。
SRWn(3)的分辨率随比值△t2/△t1增加，但这种率窗在τ＞τm的一侧产生一个与谱峰相反的纯峰，见图2-2，此峰的高度也是随比值△t2/△t1增加的。因此要适当选择比值△t2/△t1，一般不到2。对深能级瞬态电容、瞬态偏压和瞬态电荷设置率窗，比值△t2/△t1要限定在1.5以下，而对瞬态电流设置率窗比值△t2/△t1可放宽到2，在这些情况下反向纯峰的高度仅占正向谱峰高度的5%以下。
图2-1 三点不等距组合率窗原理图。
图2-2 三点不等距和三点等距率窗，深能级谱峰分辨率的比较图。
图中X轴为τ/τmy轴为S/Smax。
图中a为SRW(3)，b为SRWn(3)。
(三)高分辨率深能级瞬态(电容)谱HDDLTS高分辨率深能级瞬态(电容)谱，这里将它简称为HDDLTS(即High Distinguish Deep Level Transient Spectroscopy)，其特征是用本
发明内容
(一)提出的高分辨率多点组合率窗SRW(m)，对半导体深能级瞬态电容讯号△C＝△Co〔1-exp(-t/τ)〕 (3-1)设置率窗，取出HDDLTS谱讯号Sc(τ，m)。这种新颖的HDDLTS谱，与现有的深能级瞬态(电容)谱DLTS相比，由于用SRW(m≥3)对△C(t)设置率窗，而不是用D.V.Lang的LRW(2)，因而具有高分辨率的特征，并保持有高的灵敏度。
根据本
发明内容(一)SRW(m)取样讯号的组合规则，以及深能级瞬态电容方程(3-1)，并设X＝exp〔-△t/τ〕，y＝exp〔-t1/τ〕，则SRW(m)取出的HDDLTS谱讯号的一般关系为-Sc(τ，m)＝y·〔1-X〕m-1(3-2)对取样点数目m＝3、4、5的情况-Sc(τ，3)＝〔△C(t1)-2△C(t2)+△C(t3)〕/△Co＝y·〔1-2X+X2〕，(3-3)-Sc(τ，4)＝y·〔1-3X+3X2-X3〕，(3-4)-Sc(τ，5)＝y·〔1-4X+6X2-4X3+X4〕。(3-5)不同的m构成了一个SRW(m)率窗系列，相应地也构成了一个HDDLTS(m)谱的系列。不同m的Sc(τ，m)都可由式(Ⅱ-2)给出。D.V.Lang的DLTS可看作是HDDLTS(m)系列中的一个最简单情况。
用LRW(2)对深能级瞬态电容，式(3-1)，设置率窗取出的DLTS谱讯号为Sc(2，τ)＝〔△C(t1)-△C(t2)〕/△Co＝y〔1-X〕 (3-6)
HDDLTS与DLTS相同，温度(T)扫描时，可在按HDDLTS原理设计的HDDLTS仪上，由X-y记录仪自动扫描出HDDLTS谱线，见附图1-1。从同一样品的HDDLTS谱和DLTS谱的比较可见，HDDLTS比DLTS的分辨率高得多。HDDLTS谱峰所占的扫描温度范围小，峰陡直，二个仅差0.01ev的相邻深能级的谱峰都可被分割开，成为独立的谱峰，见图1-1，而在DLTS谱中它们是被连在一起分辨不清，见图1-5。
HDDLTS谱峰点的参数峰高Smax、深能级电子(或空穴)发射时间τm、温度Tm，取决于SRW(m)的参数m、△t/t1，和t1。
根据谱峰点Sc(m，τ)的极值条件，
Sc/
T＝0，由式(3-2)本发明推出了，τm的一般关系(对不同m)τm＝△t/ln〔1+(m-1)·△t/t1〕，(3-7)以及Smax的一般关系Smax=[(m-1)·Δt/t1]m-1·[1+(m-1)·Δt/t1]·(m-1+t1/Δt:2]]>(3-8)Tm可从描出谱线上直接给出。
HDDLTS与DLTS相同，根据τm、Smax、Tm以及样品的电容参数C和实测的瞬态电容谱峰高△Csm(＝Smax·△Co)可测定深能级参数能级位置、俘获截面、深能级浓度。
为表征HDDLTS谱的分辨率，这里定义二个能表征其分辨率的参数Ds2＝2Smax/〔Sc(4τm)+Sc( 1/4 τm)〕-1 (3-9)和Ds4＝2Smax/〔Sc(2τm)+Sc( 1/2 τm)〕-1(3-10)Ds2＞1，反映τ＝2τm和0.5τm处的Sc平均值低于 1/2 SmaxDs4＞1是τ＝4τm和0.25τm处的Sc平均值低于 1/2 Smax。Ds2和Ds4大，则分辨率高。
式中Sc(2τm)和Sc( 1/2 τm)，分别为τ＝2τm和 1/2 τm时的Sc;Sc(4τm)和S( 1/4 τm)，分别为τ＝4τm和 1/4 τm时的Sc。
设τ＝aτm，则有如下关系Sc(m,aτm)=[1+(m-1)·Δt/t1]·t1/aΔt×[1-[1+(m-1)·]]>Δt/t1)-1/a]m-1]]>(3-11)灵敏度可用Smax来表征，为综合表征分辨率和灵敏度，定义二个优值参数Qs2＝Smax·Ds2(3-12)Qs4＝Smax·Ds4(3-13)从以上关系可见，D，Smax和Q值都取决于SRW(m)的参数m和△t/t1。
m和△t/t1对Ds、Smax和Qs的影响，从表3-1、3-2、3-3所给出的计算结果，可以反映出。而从式(3-11)所给出的Sc(aτm)/Smax～a谱，谱峰的变化和比较，见图3-1，则更可直观地反映。
从表3和图3-1的计算结果，可以看出，增加SRW(m)取样点数目m，能有效提高分辨率Ds2和Ds4，并能提高Qs值，Smax虽有些下降，但幅度不大。减小△t/t1的比值，虽也能使分辨率有所提高，但不明显，特别是△t/t1降到1以后，而且减小△t/t1，Smax下降急剧。从比较可见D.V.Lang的二点差分式率窗LRW(2)和用锁相放大器设置的率窗，分辨率是低的。采用本发明提出的SRW(m)，在取m＝3时，即可获得比现有DLTS谱分辨率高得多的HDDLTS，见图1-1～1-4。
m和△t/t1的选择可根据实际需要。一般可取△t/t1＝3～1，而取△t/t1＝2较为合适。要灵敏度高m可取大些，一般可取m＝3～5。
表3-4分别给出了HDDLTS和DLTS谱峰底(0.2Smax和0.1Smax)处的温宽数据(对硅Au受主能级)，从数据的比较可见，HDDLTS峰比DLTS峰所占的扫描温度范围小得多。也就是在同样的扫描温度范围能扫出更多独立的深能级谱峰。
图3-1是多点组合率窗SRW(5)、SRW(3)与LRW(2)深能级谱峰分辨率的比较图。图中m为取样点数字。m为2的三条线分别是(a)t1/t2＝1/10、(b)t1/t2＝1/3、(c)t1/t2＝1/2。m＝3和m＝5二条线的t1∶t2∶t3＝1∶3∶5。
附表表3-1 m＝2 DLTS
表3-3 m＝3 HDDLTS
(四)高分辨率深能级瞬态(电容)谱HDDLTS采用SRWn(3)的HDDLTS可获得比SRW(3)更高的深能级瞬态谱分辨率。
按SRWn(3)的规则，对于瞬态电容△C＝△Co〔1-exp(-t/τ)〕，(4-1)谱讯号sc(τ,3)=e·t1/τ·[1-2e·Δt1/τ+e·Δt1/τ]]]>(4-2)当取△t1/△t2＝5/7和t3∶t1＝9∶1时，可求出τm＝1.5477t1、Smax＝0.4056。而在等距△t1＝△t2和t3∶t1＝9∶1的情况下，τm＝1.8205t1、Smax＝0.4562。
对以上二种情况，S～τ/τm的变化关系，如图2-2所示。从图可看出操用SRWn(3)比采用SRW(3)分辨率要高。从表4-1所列的数据同样可以反映。
△t2/△t1比值的选择，对于瞬态电容谱，可取△t2/△t≤1.5，不宜过大。
表4-1 SRWn(3)和SRW(3)的比较
(五)高分辨率恒电容深能级瞬态谱HDCC-DLTS恒电容深能级瞬态谱CC-DLTS(Con stant Capacitance Deep Level Transient Spectros-copy)〔8〕，是一种通过被测样品上反向偏压Vr和深能级瞬态电容△C(t)之间的负反馈，使得深能级瞬态电容△C(t)减小到≌0，即样品电容C(t)恒定，而偏压Vr由于反馈变成瞬态Vr(t)，并通过对Vr(t)设置率窗获得谱讯号的测量方法。在反馈情况下△Vr(t)α△C(t)。见图5-1。
现有技术〔8〕采用的是二点差分式率窗，所获得的瞬态偏压△Vr(t)＝△Vro·〔1-e-t/τ〕 (5-1)的谱讯号Sv(τ，2)＝△Vro·〔1-X〕·y(5-2)式中X＝exp〔-△t/τ〕y＝exp〔-t1/τ〕因此与DLTS相同，见图5-2，存在谱峰所占的扫描温度范围宽，分辨率低的问题。
本内容提出采用本
发明内容
(一)和(二)提出的多点组合率窗SRW(m≥3)和三点不等距组合率窗SRWn(3)作为恒电容深能级瞬态谱的率窗，从而可获得高分辨率的恒电容深能级瞬态HDCC-DLTS。
用SRW(m)所获得的HDCC-DLTS谱讯号Sv(τ，m)＝△Vro〔1-X〕m-1·y (5-3)见图5-1。
温度扫描，谱讯号出现峰时，谱峰所对应的发射时间τm＝△t/ln〔1+(m-1)△ t / t1]]>〕峰高 Sv(τm，m)＝△Vro·〔(m-1)·△t/t1〕·-(m+ (t1)/(△t) -1)·〔1+(m-1)△t/t1〕m＝3，△t/t1＝2时τm＝△t/ln5Sv(τm，3)＝0.268·△Vro。
HDCC-DLTS谱与HDDLTSCC谱在分辨率方面的情况相同，可见内容(三)和(四)。采用SRW(m≥3)作率窗分辨率将有明显提高。对于m＝3的情况，采用三点不等距组合率窗，分辨率可进一步提高。
图5-1中a和b线是没有反馈时的脉冲偏压Vr(t)瞬态电容C(t)，C和d是负反馈后的脉冲偏压和瞬态电容，这时瞬态电容△C≌0而瞬态偏压△Vr(t)形成。
图5-2是掺Au硅样品的CC-DLTS谱线。X轴为样品扫描温度，y轴为CC-DLTS谱讯号△Vr。
(六)高分辨率双脉冲深能级瞬态谱HD-DDLTS双脉冲的深能级瞬态谱DDLTS(Double Correlation Deep Level Transient Spectroscopy)〔9〕，是一种对二个不同幅度的样品偏置脉冲Vp1和Vp2产生的深能级瞬态电容讯号，见图6-1。
△C(Vp1)＝△Co(Vp1)·〔1-e-t/τ〕 (6-1)和△C(Vp2)＝△Co(Vp2)·〔1-e-t/τ〕 (6-2)分别设置率窗取出它们的谱讯号之差△2C12＝△C12(Vp1)-△C12(Vp2) (6-3)作为谱讯号的深能级瞬态谱法。这种深能级瞬态谱所给出的是Vp1和Vp2所对应的空间电荷区X(Vp1)和X(Vp2)之间，X(Vp1)-X(Vp2)的深能级瞬态谱。
现有技术〔9〕，所采用的率窗是二点差分式，这种率窗所给出的△C12(Vp1)＝-△Co(Vp1)·〔1-X〕·y (6-4)△C12(Vp2)＝-△Co(Vp2)·〔1-X〕·y (6-5)而△2C12＝-〔△Co(Vp1)-△Co(Vp2)〕·〔1-X〕·y(6-6)式中 X＝exp〔-△t/τ〕y＝exp〔-t1/τ〕。
这种深能级瞬态谱，同样存在分辨率低特别是相邻近深能级谱峰不易区分的问题。
本内容提出采用本
发明内容
(一)提出的多点组合率窗SRW(m≥3)作为双脉冲深能级瞬态谱的率窗，如图7-2所示，从而获得了高分辨率的双脉冲深能级瞬态谱HD-DDLTS。
用SRW(m)所获得的HD-DDLTS谱讯号△2C(τ，m)＝〔△Co(Vp1)-△Co(Vp2)〕·〔1-X〕m-1·y(6-7)温度扫描，谱讯号出现峰时，谱峰所对应的发射时间τm＝△t/ln[1+(m-1)△ t / t1]]>] (6-8)谱峰高 △2Cm＝〔△Co(Vp1)-△Co(Vp2)〕×［(m - 1)·△ t / t1］·［1+(m - 1)△ t /t1］- (m +t△t- 1 )]]>(6-9)对图9-2所示，m＝3的情况，当取△t/t1＝2，则 τm＝2t1/ln5△2Cm＝0.286·〔△Co(Vp1)-△Co(Vp2)〕与DLTS相似，采用SRW(m≥3)后HD-DDLTS谱的分辨率将明显提高。
图6-1 HDDLTS谱的脉冲偏压和深能级瞬态电容，及其SRW(3)率窗设置原理(七)恒温率窗扫描的高分辨率深能级瞬态谱恒温率窗扫描的深能级瞬态谱，是一种在不同的恒温条件下，通过率窗扫描(即时间t1连续扫描，△t/t1比值保持不变)，获得深能级谱峰，从而测定深能级参数的方法。这方法的现有技术是1981年提出〔10〕，它可避免温度扫描产生的测量误差，获得更精确深能级测量结果，但这方法的现有技术存在分辨率低、谱峰不尖锐，使峰点t1值有测量误差的问题。
本内容提出采用本
发明内容
(一)和(二)提出的多点组合率窗SRW(m≥3)或三点不等距组合率窗SRWn(3)，代替现有技术采用的二点差分式率窗LRW(2)，从而获得比现有技术分辨率明显提高的恒温率窗扫描高分辨率深能级瞬态谱CT-HDDLTS。
根据极值条件
S/
t1＝0，可求出谱峰处的发射时间τm＝△t/ln〔1+(m-1)· (△t)/(t1) 〕此关系与温度扫描HDDLTS中的相同。
从图7-1所给出的△t/t1＝2，率窗分别为LRW(2)和SRW(3)的S/Sm～t1/Sm谱线，可知用SRW(3)代替LRW(2)后分辨率有了明显提高。
图7-1恒温率窗扫描深能级瞬态谱在取样点分别为m＝2和m＝3时，谱峰分辨率的比较。
(八)高分辨率深能级瞬态电流谱I-HDDLTS深能级瞬态电流谱，是通过直接测定电脉冲或光脉冲作用下，深能级电子(或空气)的瞬态发射电流而获得的瞬态谱。在获得瞬态谱方面，现有的技术〔12〕是用“二点差分”式率窗。这同样存在谱讯号分辨率低，谱峰所占扫描温度宽的问题，特别对能能级位置较深的情况，如图8-1所示。
本内容提出，采用本
发明内容
(一)和(二)提出的SRW(m≥3)或SRWn(3)作为深能级瞬态电流的率窗，见图8-2，获得了比现有深能级瞬态电流谱分辨率明显提高的高分辨率深能级瞬态电流谱I-HDDLTS，见图8-3。深能级的瞬态电流方程为iT＝ (Q0)/(τ) ·exp〔-t/τ〕 (8-1)式中Qo是与样品以及深能级密度等有关的参数(单位库伦)。τ是深能级电子(或空穴)的发射时间。
用高分辨多点组合率窗SRW(m)，对此瞬态电流i(t)设置率窗取出瞬态电流谱讯号Si(m)，此讯号Si(m)＝-·y·〔1-X〕m-1(8-2)式中X＝exp〔-△t/τ〕y＝exp〔-t1/τ〕温度扫描，Si(m)出现极值，即出现谱峰时的发射时间τm。按极值条件
Si(m)/
T＝O，可求出
τm=△t/ln[ ((m-1)·△t)/(t1-τ) -1](8-4)对于m＝2，t1∶t2＝1∶3，即△t＝2t1的LRW(2)的情形τm＝0.8131t1;Si(2)m＝0.3288·Qo·t-11。
对于m＝3，t1∶t2∶t3＝1∶3∶5，即△t＝2t1的SRW(3)的情形τm＝0.7271t1;Si(3)m＝0.3046·Qo·t-11而对于m＝3，t1∶t2∶t3＝1∶2.5∶5，即△t1＝1.5t1和△t2＝2.5t1的三点不等距组合率窗SRWn(3)，瞬态电流谱的τm＝0.6463t1;Si(3)m＝0.2653·Qo·t-11。
对这三种不同情况，它们的S/Sm～τ/τm谱，(计算值)，如图8-2所示。从图所给出的结果，可见用SRWn(3)的谱峰其分辨率比用SRW(3)的高，而用SRW(3)的又比用LRW(2)的高。
对于I-HDDLTS，如采用SRWn(3)作率窗，SRWn(3)参数△t2/△t1的比值可增加到△t2/△t1＝2。
图8-1光激深能级瞬态电流谱的谱线(半绝缘GaAs材料)X轴为扫描温度T(°K)，y轴为瞬态电流谱讯号△i(A)。
图8-2高分辨率光激深能级瞬态电流谱原理图。图中LP为加在样品上的光脉冲，iT(t)为光激深能级瞬态电流。
图8-3深能级瞬态电流谱的比较图。图中aLRW(2)t1/t2＝1/3bSRW(3)t1∶t2∶t3＝1∶3∶5cSRWn(3)t1∶t2∶t3＝1∶2.5∶5(九)高分辨率深能级瞬态电荷谱Q-HDDLTS深能级瞬态电荷谱，是通过测定深能级在空间电荷区产生的瞬态电荷QT＝∫0t]]>iTdt＝∫0t]]>(Q0)/(τ) exp〔-t/τ〕dt＝Qo·〔1-e-t/τ〕 (9-1)而获得。但现有技术是用二点差分式率窗获取瞬态谱讯号，因此存在谱讯号分辨率低，谱峰所占扫描温度范围宽的问题。
上式所给出的瞬态电荷方程与本
发明内容
(三)所给出的深能级瞬态电容方程△C＝△Co〔1-e-t/τ〕 (9-2)相同，因此在分辨率上所存在的问题也相同。
本内容提出采用本
发明内容
(一)和(二)提出的多点等距组合率窗SRW(m≥3)和三点不等距组合率窗SRWn(3)，作为瞬态电荷设置的率窗，见图9-1，从而获得了比现有技术分辨率明显提高的高分辨率深能级瞬态电荷谱HDDLTS(Q)。
用SRW(m)所获得的瞬态电荷谱讯号SQ(τ，m)＝y·〔1-X〕m-1(9-3)式中 y＝exp〔-t1/τ〕，X＝exp〔-△t/τ〕。
温度扫描SQ出现极值，即出现谱峰时的发射时间τm，按极值条件
SQ/
T＝0，可求出τm＝△t/ln〔1+(m-1)·△t/t1〕，(9-4)而对应τm的谱峰高
(9-5)在m＝3和△t/t1＝2的情况下SQ(τm，3)＝0.286，τm＝2t1/ln5。
图9-1瞬态电荷原理图，图中QT(t)为深能级瞬态电荷。
(十)高分辨率多点组合率窗瞬态讯号处理仪上述(四)～(九)都已充分指出，采用多点组合率窗(包括三点不等距组合率窗)，是使各种深能级瞬态谱取得高分辨率的关键技术方法。
本发明提出的，根据多点组合率窗SRW(m≥3)的组合规则，设计制造的高分辨率多点组合率窗瞬态讯号处理仪，简称SRW(m)仪，可用在各种深能级瞬态谱仪中代替现有二点差分式率窗讯号处理仪(例如BOXCar仪和锁定放大器等)构成各种高分辨率深能级瞬态谱仪。例如高分辨率深能级瞬态(电容)谱HDDLTS仪。
多点组合率窗瞬态讯号处理仪，主要部分的结构和设计原理，如图10-1所示。
如图10-1所示，瞬态讯号(指深能级瞬态讯号等)经放大器A1驱动和线性放大后，输给m个取样门K1、K2…和Km，这些取样门分别由取样脉冲t1、t2…和tm控制。由取样门取出的讯号电流分别经电阻R1、R2…Rm，而后汇成二路，其中一路是由奇数的t1K1R1，t3K3R3…t2n+1K2n+1R2n+1所组成。这一路讯号经积分放大器A2后，输入减法器A4的正输入端，另一路是由偶数的t2K2R2，t4K4R4…t2nK2nR2n所组成，这一路讯号经积分放大器A3后，输入减法器A4的负输入端。减法器A4输出的讯号，即多点组合率窗的谱讯号S(m)。电路A2和A3的增益要求一致。
根据多点组合率窗SRW(m)的一般组合规则(见内容一)，谱讯号S(m)＝S(t1)-am2·S(t2)…+(-1)n-1·amn·S(tn)+…(-1)m-1·S(tm)。 (10-1)因此电阻R1、R2…Rm要按以下规则选择R1＝Ro，R2＝RoF2，┇Rn=R0Fn┇Rm=R0，(10-2)式中Fn为权重因子，它与式(10-1)中谱讯号的系数之关系为Fn＝1/amn＝1/(am-1n-1+am-1n) (10-3)式中amn为谱讯号S(m)，即式(10-1)第n项的系数，am-1n-1和am-1n分别为SRW(m-1)谱讯号第n-1项和第n项的系数。对SRW(3)，即m＝3的情况R1＝Ro;R2＝ 1/2 Ro;R3＝Ro。对SRW(4)，即m＝4的情况R1＝Ro;R2＝ 1/3 Ro;R3＝ 1/3 Ro;R4＝Ro这种仪器按取样方式的不同，可采用二种型式。一种是取样积分式，另一种是取样保持式。
取样积分式，则图10-1中的取样门K1、K2…和Km，是由取样脉冲t1、t2…和tm控制的电流开关。对这种电路形式，积分放大器A2和A3的积分时间要＞＞取样脉冲的周期，而谱讯号的幅度是正比于取样脉冲的宽度。
取样保持式，则图10-1中的K1、K2…Km是由取样脉冲t1t2…tm控制的取样保持电路。本发明还在每个取样保持电路后增加一个实现各取样点讯号同步相加减的取样保持电路单元，用以降低谱讯号的波动噪声。所增加的m个取样保持电路单元都由同一个脉冲控制，以实现同步相加减，此脉冲可以是to、t1、t2…tm中的一个，也可以另设，见实施例，图10-3。
图10-1中的TG单元是to脉冲(是用于产生样品的偏置脉冲)和取样脉冲t1、t2…tm的时序脉冲发生器。
根据图10-1的设计原理，SRW(3)瞬态讯号处理仪的实施例，如图10-2和10-3所示。
图10-2是取样积分式SRW(3)瞬态讯号处理仪主要部分的实施例。
图中A1是由高频运算放大器(可用国产5G23等)组成的放大器，放大增益可取作1，也可上下。可取R13＝5KΩ、R11＝5KΩ、R12＝5KΩ，K1和K2是取样电路开关，可用常规的取样开关。A3和A4是低漂移运算放大器(可用国产5G24等)组成的积分放大器，可取R14＝R15＝10KΩ，R16＝500KΩ R＊17＝500KΩ，C1＝C2＝10μF。A4是由低漂移运算放大器(可用国产5G24等)组成的减法积分器。
可取R18＝R20R19，R20＝10KΩ，R19＝200KΩ，R21＝2K，C3＝20μF。
TG是产生to脉冲和取样脉冲的时序脉冲发生器。可取(t1-to)∶(t2-to)∶(t3-to)＝1∶3∶5，设定to＝0则t1∶t2∶t3＝1∶3∶5。
对m＝3的情况，谱讯号S(3)第一项的系数和正负号都与第三项相等，即R1＝R3，因此t1和t2脉冲可组合在一起控制取样开关K1，这样可省了一个取样开关，见图10-2。
按SRW(3)的组合原则R1＝Ro，R3＝Ro，R2＝ 1/2 Ro，R3省了，可取R1＝10KΩ，R2＝5KΩ。
对取样积分式，由于仪器谱讯号输出幅度正比于取样脉冲宽度，因此取样脉宽不宜太窄，要适当宽一些。此外如图10-2中，取R1＝R2，而使t2脉冲宽度tP2等于两倍t1和t3的脉冲宽度，即tP2＝2tP1＝2tP3，也可实现SRW(3)的功能。
图10-3是取样保持式SRW(3)瞬态讯号处理仪主要部分的实施例。
图10-3中的A1和A4与图10-2中的相同。图中K1、K2K3是分别由取样脉冲t1、t2、t3控制的取样保持电路(可用常规的)。K11、K12、K13是实现t1、t2和t3的取样讯号同步加减的取样保持电路(可用常规的)，它们可用取样脉冲t3控制，也可用其他脉冲控制。此设计方法也可用在SRW(m)讯号处理仪。
图10-1中的A2和A3在这里可以省了。〔TG〕是时序脉冲发生器，可取t1∶t2∶t3＝1∶3∶5(设to＝0)。电阻R1＝R3＝ 1/2 R2。在这二实施例中，只要使TG产生的t2-t1＝△t1＜t3-t2＝△t2，即可实现SRWn(3)即三点不等距组合率窗，其他部分都相同。
本发明指出，实现多点组合率窗SRW(m)功能，除上述的取样积分式和采样保持式SRW(m)瞬态讯号处理仪外，采用微处理控制也可实现SRW(m)功能。
图10-1 多点组合率窗瞬态讯号处理仪设计原理图。
图10-2 同步取样积分式SRW(3)讯号处理仪结构图。
图10-3 采样保持式SRW(3)讯号处理仪结构图。
(十一)高分辨率深能级瞬态(电容)谱HDDLTS仪高分辨率深能级瞬态(电容)谱仪，简称HDDLTS仪，是根据本
发明内容
(三)提出的技术方法高分辨率深能级瞬态谱，设计而成。
这种仪器的结构，如图11-1所示。图中的仪器单元S.C.(即Sample Cryostat)是具有冷阱的样品室，一般可使样品温度下降到液氮温度77°K。T.C.(即Temperature Control)是具有测温和控温功能的温度控制器，它可使样品温度在77°K～500°K之间慢扫描或恒温。
图中S.T.为测温仪，它可同T.C.合并在一起。
图中O.M.为示波器，用以观察瞬态讯号。
C.M.(即Capacitance meter)是一种具有高频高灵敏瞬态电容电桥的电容仪。这种电容仪，能使样品总电容C中，＜＜C的深能级瞬态电容△C(t)讯号分离出，并放大到足够大，使仪器对深能级的检测具有高的灵敏度。P.B.V(即pulse Bias Voltage)是向被测样品提供偏置电压，和产生瞬态讯号的脉冲电压的装置，脉冲电压由to脉冲触发。
X-yR.(即X-y Recorder)，是X-y记录仪，用以自动记录谱讯号随温度的变化。
SRW(m)(即SRW(m)-Signal processing)是多点组合率窗讯号处理仪。这部分对深能级瞬态电容讯号设置多点组合率窗SRW(m)，取出高分辨率深能级瞬态谱。
本发明的高分辨深能级瞬态谱HDDLTS仪，与现有技术的深能级瞬态谱DLTS仪相比，其主要区别是HDDLTS仪处理瞬态电容讯号用本发明的多点组合率窗讯号处理仪，而DLTS仪是用D.V.Lang的二点差式率窗。这使HDDLTS仪的深能级瞬态谱具有高分辨率的特征，其分辨率比DLTS仪高得多，能将相差仅0.01eV的二个相邻深能级谱峰分割开成为彼此独立的谱峰，见图1-1。
图1-1、1-2、1-3、1-4是这种HDDLTS仪所获得的实施结果。从这些实施例结果与DLTS谱的比较，充分反映了HDDLTS仪的高分辨特征。
图11-1 高分辨率深能级瞬态(电容)谱HDDLTS仪原理图。
(十二)高分辨率恒电容深能级瞬态谱HDDC-DLTS仪高分辨恒电容深能级瞬态谱仪，简称HDCC-DLTS仪，是根据本
发明内容
(五)提出的技术方法高分辨率恒电容深能级瞬态谱，设计而成。
这种仪器的结构，如图12-1所示，图中的仪器单元S.C.、T.C.、C.M.、X-y R.、SRW(m)与内容(十一)HDDLTS仪中的相同。单元中的负反馈装置是使电容仪C.M.的瞬态电容讯号C(t)与样品瞬态偏压Vr(t)之间建立起△Vr(t)正比于△C(t)的反馈关系。设无反馈即△Vr＝0时的△C与有负反馈时的△C之比为反馈量K。当反馈装置使K→∞时，瞬态电容△C(t)降为≌0充分地转变成瞬态偏压△Vr(t)。
仪器中的讯号处理仪是对样品瞬态偏压△Vr(t)设置率窗，取出HDCC-DLTS谱讯号。
在反馈量K有限的实际情况下，K→∞的谱讯号△Vm(∞)与K有限的谱讯号△Vm(K)之间的关系为△Vm(∞)＝△Vm(K)/(1- 1/(K) ) (12-1)由实际情况下所测的△Vm(K)和K即可计算出△Vm(∞)，由△Vm(∞)可求出深能级浓度的参数。
式(12-1)是本发明推导出的一个有用计算关系，它对HDCC-DLTS和CC-DLTS都适用。
HDCC-DLTS仪与现有技术的CC-DLTS相比，主要区别是HDCC-DLTS采用了本发明的多点组合率窗讯号处理仪，因而与HDDLTS相同，具有高分辨率的特征。
图12-1 高分辨恒电容深能级瞬态谱HDCC-DLTS仪原理图，图中R.F.为电容仪C.M.和脉冲偏压P.B.V.之间的负反馈装置。
(十三)高分辨率双脉冲深能级瞬态谱HDDDLTS仪高分辨率双脉冲深能级瞬态谱仪，简称HDDDLTS仪，是根据本
发明内容
(六)提出的技术方法高分辨率双脉冲深能级瞬态谱，设计而成。
这种仪器的结构和图11-1相同。所不同的地方是，PBV单元在to1和to2脉冲的触发下，要提供二个不同幅度的双脉冲VP1和VP2偏置电压加在样品上，对应这二个脉冲要进行双通道讯号处理，并给出其差值。
这种仪器与HDDLTS仪相同，由于采用多点组合率窗讯号处理仪，具有高分辨率的特征。
(十四)高分辨率恒温率窗扫描深能级瞬态谱HDCT-DLTS仪高分辨率恒温率窗扫描深能级瞬态谱仪，简称HDCT-DLTS，是根据本
发明内容
(七)提出的技术方法高分辨恒温率窗扫描深能级瞬态谱设计而成。
这种仪器的结构，如图14-1所示，它与HDDLTS仪基本相同。不同之处是温度控制仪T.C.对样品进行不同温度的恒温控制;在恒温条件下讯号处理仪在保持取样时间比不变的条件下，受由线性扫描电压调制的压控振荡器控制，实现t1扫描(即率窗扫描)。线性扫描电压并加到xy记录仪的X端作为扫描率窗参数。
这种仪器由于采用本发明提出的多点组合率窗讯号处理仪对深能级瞬态电容讯号设置率窗而获得高分辨率的特征。
图14-1是高分辨率恒温率窗扫描深能级瞬态谱HDCT-DLTS仪原理图。
图中L.S.为线性扫描电压V.O.为压控振荡器(十五)高分辨率深能级瞬态电流谱I-HDDLTS仪高分辨率深能级瞬态电流谱仪，简称I-HDDLTS仪，是根据本
发明内容
(八)的技术方法高分辨率深能级瞬态电流谱，设计而成。仪器的结构如图15-1所示。
图中A11是高阻运算放大器，它和电阻RH组成微电流放大器，用以将深能级瞬态微电流讯号转变成瞬态电压讯号。
A22是运算放大器，它和反馈平衡电路组成放大器，这部分具有放大瞬态讯号，平衡直流分量的作用。
A22的输出讯号，即被放大的深能级瞬态电流讯号，经多点组合率窗讯号处理仪后，变为I-HDDLTS谱讯号。
此仪器由于采用本发明的多点组合率窗讯号处理仪，代替现有技术所采用的二点差分式率窗讯号处理仪，而具有高分辨率的特征。
仪器中T.C.是带测量装置的控温仪，用于控制样品温度实现温度扫描。S.C.是带冷阱的样品室。L.P.是由to脉触发的脉冲光，用于进行半绝缘GaAs等的光激深能级瞬态电流谱PITS测量。
脉冲光可以用LED发光二极管获得。P.B.V是由to脉冲触发的脉冲偏压。用L.P.时，P.B.V.仅提供直流偏压，而不用L.P.时，提供脉冲偏压。
图15-1是高分辨率深能级瞬态电流谱I-HDDLTS或HDPITS仪原理图。
图中LP为加在样品上的光脉冲，L.P.为光脉冲发生器，B.F.为反馈平衡电路，B.V.为样品偏置。
(十六)高分辨深能级瞬态电荷谱Q-HDDLTS仪高分辨率深能级瞬态电荷谱仪，简称Q-HDDLTS仪，是根据本
发明内容
(九)的技术方法高分辨率深能级瞬态电流谱，设计而成，仪器的结构如图16-1所示。
图中A11是高阻运算放大器，它和电容CH组成电荷积分器，用以将深能级瞬态电荷转变成瞬态电压。
图中其他部分和图15-1相同。
此仪器由于采用本发明的多点组合率窗讯号处理仪，代替现有技术所采用的二点差分式率窗讯号处理仪，而具有高分辨率的特征。
图16-1是高分辨率深能级瞬态电荷谱仪Q-HDDLTS仪原理图。图中A11为电荷积分器，CH是电荷积分器的积分电容。
(十七)高分辨多功能深能级瞬态谱仪本
发明内容
(十一)～(十六)所提出的六种高分辨深能级瞬态谱仪，有许多共同的组成单元，如多点组合率窗讯号处理仪，温控T.C.电容仪M.C.，记录仪X-yR，样品室S.C.等。
本内容提出将这六种高分辨深能级瞬态谱综合在一起组成一个高分辨多功能深能级瞬态谱仪，简称HDM-DLTS，这种仪器可在最经济的条件下，进行多种深能级瞬态谱的测量。
权利要求
1.关于半导体深能级瞬态谱仪中瞬态讯号处理仪的设置方法，其特征是对瞬态讯号设置多点组合率窗系列SRW(m)，即对一个瞬态讯号设置多于两个不同时间的取样点，将这些所取讯号组合，所得的谱讯号是大大提高了分辨率的谱讯号。
2.按权利要求
1的方法，其特征是每两个相邻取样点之间的时间间隔都相等。
3.按权利要求
1的方法，其特征是对讯号取三个取样点，第一与第二取样点和第二与第三取样点之间的两个时间间隔或长或短。
4.按权利要求
3的方法，第二时间间隔比第一时间间隔的范围在1～2之间。
5.按权利要求
1、2、3或4的方法，其特征是对电容瞬态谱仪、双脉冲瞬态谱仪、恒温率窗扫描瞬态谱仪、瞬态电荷谱仪、或光激(电激)深能级瞬态谱仪采用权利要求
2、3或4的方法。
6.瞬态讯号处理仪，本发明的特征是经放大器〔A1〕后设有多于两个取样门，〔K1〕、〔K2〕……〔Km〕的取样电路，每个门后面对应串接一个电阻〔R1〕、〔R2〕……〔Rm〕，还设有时序脉冲发生器〔T、G〕，它与每个取样门有连线，时序脉冲发生器发出的初始脉冲〔to〕是产生样品的偏置脉冲，取样电路后接有积分放大器的讯号处理电路，然后输出谱讯号〔S(m)〕。
7.按权利要求
6的仪器，其特征在于取样电路是取样积分式电路，即取样门〔K1〕、〔K2〕……〔Km〕是取样脉冲〔t1〕〔t2〕……〔tm〕控制的电路开关，或者是取样保持电路，即取样门是由脉冲〔t1〕、〔t2〕……〔tm〕控制的取样保持电路。
8.根据权利要求
6或7的仪器，其特征是每取样门后串接的电阻〔R1〕、〔R2〕……〔Km〕这样选取，如果第一取样门串接的电阻是〔R1〕，则第m个电阻也是〔R1〕，第n个电阻〔Rn〕的取值Rn＝R1/amn，amn是二项式展开项的系数。
9.按权利要求
6、7或8的仪器，其特征是取样时序脉冲的第奇数个取样门电路均连接一个积分放大器〔A2〕，第偶数个取样门电路连接到另一个积分放大器〔A3〕，第一个积分放大器〔A2〕接入一减法器〔A4〕的同相端，另一个积分放大器接入减法器〔A4〕的反相端。
10.根据权利要求
6、7或8的仪器，其特征是有两个取样门电路，分别串联的电阻〔R1〕、〔R2〕相等，取三个时序控制脉冲，第一和第三个控制脉冲组合后加一个取样门上，第二控制脉冲加在另一取样门上，且第二控制脉冲宽度是第一脉冲宽度的2倍。
11.按权利要求
6、7或8的仪器，其特征是有三个取样门电路〔K1〕、〔K2〕、〔K3〕，每个取样门电路包含有取样保持电路，第一和第三个取样门电路接入起减法器作用的积分放大器A4的一个输入端，第二个取样门电路接入A4的另一输入端。
12.根据权利要求
6、7或8的仪器，其特征是每个取样门电路〔K1〕、〔K2〕、…〔Km〕，都包含有二个取样保持电路，其中第一个取样保持电路实现对讯号的取样，第二个取样保持电路实现对取样讯号的同步相加减。
13.关于半导体的深能级瞬态谱仪，由样品室〔S.C〕、测温控温装置〔T.C〕、记录装置〔X-y.R〕、显示器(O.M)、对样品提供偏压和脉冲电压的装置(P.B.V)和高灵敏的电子测量仪器，以及瞬态讯号处理仪组成。本发明的特征是用按权利要求
1到12之一的多点组合率窗SRW(m)瞬态讯号处理仪，作为各种半导体深能级瞬态谱仪的瞬态讯号处理仪与下述之一的电子测量仪器组合成各种高分辨率深能级瞬态谱仪。与高频高灵敏瞬态电容电桥仪〔C.M〕等组合成高分辨率深能级瞬态(电容)谱仪，其中包括单脉冲、双脉冲、恒电容、恒温率窗扫描等高分辨率深能级瞬态谱仪。与微电流放大器和光脉冲等组合成高分辨率光激深能级瞬态电流谱仪，以及电脉冲的高分辨率深能级瞬电流谱仪。与电荷积分器可以组合成高分辨率深能级瞬态电荷谱仪。或者将以上电学测量仪器与〔SRW(m)〕瞬态讯号处理仪组合成多功能高分辨率深能级瞬态谱仪。
专利摘要
属于半导体深能级谱的测量仪器，已有的谱仪测得的谱分辨率低。本发明提出了高分辨率组合率窗系列，设计了多种方案的高分辨率组合率窗讯号处理仪，以及用此处理仪而得到的高分辨率深能级瞬态(电容)谱仪等多种高分辨率深能级谱仪。本发明仪器所得实验谱线与已有相比，显著地提高了分辨率，本发明可形成一代新的深能级瞬态谱仪。
文档编号G01R31/26GK85100447SQ85100447
公开日1986年10月1日 申请日期1985年4月3日
发明者孙勤生 申请人:南京大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan