化合物半导体的正电子寿命谱研究

1、四川大学 硕士学位论文 化合物半导体的正电子寿命谱研究 姓名：张伶俐 申请学位级别：硕士 专业：理论物理 指导教师：邓爱红 20040430 y 6 546 9 3 化合物半导体缺陷的正电子寿命谱研究 理论物理专业 研究生张伶俐指导教师邓爱红 正电子湮灭技术是一种研究半导体缺陷的有效方法，尤其是对空位型缺 陷的研究。由于化合物半导体在制备高温、高频、大功率和抗辐射I C 器件中 极具潜力，因此人们越来越多的利用正电子湮灭技术对化合物半导体进行缺 陷研究。 本文主要介绍了利用正电子寿命谱技术对化合物半导体的研究，主要包 括三部分内容： 1 介绍了正电子在固体中湮灭的基本理论和几种主要的正电子湮灭技 术其中着重介绍了正电子寿命谱技术。 2 调试正电子寿命谱仪，标定了仪器的主要参数，并对仪器的稳定性 进行测试。 3 用正电子寿命谱仪对电子辐照前后的氮掺杂的n 型6 H S i C 进行 2 0 K 3 0 0 K 温度扫描测量。并建立了一个费米能级位置随温度的变化而变化 的正电子捕获模型对测量结果进行解释，对捕获模型的定量描述得到了部分 寿命分量对应的缺陷类型以及部分缺陷能级的位置。 关键词

2、：正电子湮灭；正电子寿命谱；化合物半导体 P o s i t r o nl i f e t i m e s p e c t r o s c o p ys t u d y o fd e f e c t si n c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s M a j o r ：T h e o r e t i c a lP h y s i c s G r a d u a t es t u d e n t ：Z h a n g L i n g L i S u p e r v i s o r ：D e n g A i H o n g P o s i t r o na n n i h i l a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e ne f f e c t i v e l yu s e df o rs t u d yo fd e f e c t p a r t i c u l a r l y o f o p e n - v o l u m e d e f e c t s i ns e m i c o n d u c t

3、 o r s S i n c e c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o rh a s p o t e n t i a l l y n u m e r o u s a p p l i c a t i o n s i n h i 醢t e m p e r a t u r e ， r a d i a t i o nh a r d ，a n dh i 【g hp o w e rI Cd e v i c e ，t h es t u d yo fd e f e c t si nc o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r sh a sb e e ni n c r e a s i n gu s m g p o s i t r o n a n n i h i l a t i o nt e c h n i q u e T h em e t h o do fp o s i t r o nl i f e t i m es p e c t r o s c o p yu s e df o rs t u d yo fd e f e c

4、 ti n c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o rh a sb e e ni n 缸 o d u c e dm a i n l yi nt h i sp a p e r T h i st h e s i si s c o m p o s e d o f t h r e ep a r t s ： 1 T h eb a s i c p r o c e s s e s o fp o s i t r o ns o l i d p h y s i c s a n dt h ee x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e su s e di np o s i t r o na n n i h i l a t i o ns p e c t r o s c o p yh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，a n d t h em e t h o do f p o s i t r o nl i f e t i m es p e c t r o s c o p yh a s b e e nm

5、a i n l yi n t r o d u c e d 2 P o s i t r o nl i f e t i m e s p e c t r o s c o p y h a sb e e nt e s t e d ，a n d s o m e o p t i m a l p a r a m e t e r sh a sb e e nf o u n d ，a n d m e a n w h i l es t a b i l i t yo ft h es p e c t r o s c o p yh a sb e e n v e r i f i e d 3 P o s i t r o nl i f e t i m em e a s u r e m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u ti nb o t hb e t b r ea n d a f t e re l e c t r o ni r r a d i a t i o nn - t y p e6 H - S i Ci nt h e r a n g eo f 2 0 3 0 0 K T h

6、er e s u l t sw e r e e x p l a i n e db yap r o p o s e dm o d e l ，i nw h i c ht h es h i f t i n go fF e r m i l e v e la f f e c t st h e d e f e c ti o n i z a t i o na n dc o n s e q u e n tp o s i t r o nt r a p p i n ga td e f e c ts i t e s S o m ed e f e c t l i f e t i m ev a l u e sa n dt h e i rl e v e lp o s i t i o nh a v eb e e no b t a i n e db yf i t t i n gt h ep o s i t r o n l i f e t i m ed a t a K e yw o r d s ：p o s i t r o na n n i h i l a t i o n ；p o s i t r o n l i f

7、e t i m e s s p e c t r o s c o p y ；c o m p o t m d s e m i c o n d u c t o r I I I 四川大学硕士论文 1 前言 半导体是电阻率介于导体与半绝缘体之间的固体材料，半导体电阻率的 大小通常在1 0 弋1 0 m Q c m 之间。由于半导体具有很多独特的物理性质，用途 相当广泛，因此人们对它的研究一直都占有突出的地位。 具有半导体特性的材料很多，包括元素半导体和化合物半导体以及固溶 体，在这些材料中，人们最早发现及利用的是元素半导体。随后，人们很快 发现元素半导体的禁带宽度较窄，很难在一些特定的高温、高频、大功率及 强辐射等条件下正常工作，这就激发了人们去寻找宽带隙半导体。 2 0 世纪5 0 年代人们开始了对化合物半导体的研究【l 】。由于化合物半导体 具有元素半导体不具备的一些特性，例如G a A s ， n P ，S i C 等材料具有宽带 隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度及高漂移速度等特点， 在制备高温、高频、大功率和抗辐射I C 器件中极具潜力。因而对这些化合物 半导体的研究引起了

8、人们很大的兴趣。 半导体材料一般并不总是表现出理想的完整晶格结构，而总是在材料的 体内、表面或乔面存在着一定数量的缺陷。这些缺陷来自于半导体材料自身 或者生产工艺的各个阶段。然而无论从基础研究还是从器件生产的角度来看， 半导体材料的缺陷经常都扮演着重要的角色，因此人们对半导体缺陷的研究 越来越多。 几种常用的半导体缺陷研究方法有：红外光谱( 取) ，光荧光谱( P L ) ， 电子顺磁共振( E P R ) ，光学探测的磁共振( O D M R ) ，深能级瞬态谱( D L T S ) ， 正电子湮灭谱( P A S ) 等J 。本论文具体介绍了利用正电子湮灭谱技术对半 导体缺陷的研究。 正电子是物理领域中发现的第一种反粒子，1 9 3 0 年D i r a c 在理论上预言 存在正电子唧，并且提出正电子是电子的反粒子，除带电符号与电子相反外， 其他性质均与电子相同。到了1 9 3 2 年，A n d e r s o n 从云室拍摄的宇宙射线的 照片中，发现并证实了正电子的存在嘲，这个重大发现为以后的正电子湮灭 技术的研究打下了基础。 1 四川大学硕上论文 作为电子的反粒子，正电子在进

9、入物质后遇到电子会发生湮灭，同时放 出湮灭Y 光子。用核谱学方法探测到这些湮灭辐射光子，可以得到有关物质 微观结构的信息【9 】。最初的正电子实验主要用于研究电子结构，例如研究金 属和合金中的费米面【l m 。直到上个世纪6 0 年代末，人们发现晶体中的缺陷 可以捕获正电子，正电子在缺陷中的湮灭行为与它在完整晶格中的湮灭行为 有所不同，湮灭参数对晶格缺陷很敏感，于是对晶体缺陷的研究就成了正电 子湮灭技术最主要的任务之- - 1 U - 1 3 1 。正电子湮灭技术研究晶体缺陷的几种最 主要的方法有：正电子寿命谱( P L T ) 技术，正电子多普勒湮灭展宽( D B ) 技术，正电子湮灭辐射角关联谱仪( A c ) 技术，慢正电子束技术( S P B ) 等。 直到2 0 世纪8 0 年代，利用正电子对固体中的缺陷研究主要还停留在金 属和合金方面。近年来随着半导体工业的迅速发展，人们开始尝试用正电子 技术研究半导体。在最初对半导体的研究中，由于简单地应用了金属研究中 得到的知识，产生了一些混乱的结果和错误的解释。这主要是因为与金属相 比半导体中点缺陷种类较多，除了具有金属中已知的正电子陷阱，还有一些 非空位型缺陷在低温下也是正电子捕获中心，例如受主型杂质和带负电的反 位。这样就使得正电子在半导体中的捕获行为比在金属中更加复杂，使它对 半导体缺陷的鉴别显得更为困难。随着正电子寿命谱仪研究缺陷方法的不断 进步，以及数据的大量增加，正电子捕获理论有了很大的发展 I4 】，人们通过 很多方法，对不同条件下生长出的半导体晶体进行研究，已经能够可靠地、 定性和定量地给出半导体中的缺陷信息。 在众多利用正电子技术研究缺陷的方法中，低温高能电子辐照样品是一 种研究半导体中点缺陷生成的重要手段，因为辐照损伤或辐照缺陷作为载流 子捕获和重组中心，影响着器件的性能b 1 ”。另外，内在的点缺陷，例如晶 格空位、填隙和反位缺陷，也可以有意地通过受控制的辐照产生。因此研究 半导体中辐照产生的缺陷是十分必要的，对于碳化硅( S I C ) 等具有宽带隙、 高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度漂移速度等特点的半导体材 料来讲更为重要，因为这些材料在制各高温、高频、大功率和抗辐射I c 器件 中极具潜力。因此人们用了很

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