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复旦大学
硕士学位论文
IC器件失效点显微发光分析和研究
姓名:唐凌
申请学位级别:硕士
专业:材料物理和化学
指导教师:王家楫
20040520
器件失救点妥徽发光分析和研究
摘要
光发射显微镜是年代发展起来的一种高灵敏、高分辨率的缺陷定
位分析技术。随着半导体器件线宽的不断下降,光发射显微镜己广泛使用于
和分立器件中漏电、击穿、热载流子等失效点的定位和失效机理的分析。本文将
介绍光发射显微镜及在半导体器件进行失效分析的机理和实际应用。
关键词半导体器件微分析失效
明
第二部分半导体中的光发射理论
电子从高能态到空的低能态的跃迁过程既可能是辐射的也可能是非辐射的。
虽然只有前者才会导致发光,但后者会使发光效率降低,因此也必须考虑。要实
现发光,通常需要通过一定形式的激发在半导体材料中产生非平衡状态。这些激
发可以是电激发、光激发、机械激发或者电子束激发。它们分别导致电致发光、
光致发光、摩擦发光和阴极场致发光现象。用光发射显微镜所研究的半导体器件
的发光的机制主要是电致发光。
复合速率和内量子效率
假定所有的复合都为辐射复合。热平衡时,光激发电子空穴对的产生速率和
辐射复合速率相同,满足关系。在频率附近频率间隔
内的复合速率满足

其中,是单位时间内吸收一个能量为的光子的几率,是普朗克常数。
是频率附近频率间隔范围内的光子密度。
根据普朗克定律,并假定半导体折射率与频率无关,可以得出
的表达式



是真空中光速,是波耳兹曼常数,是绝对温度。单位时间内吸收一个
能量为的光子的几率和半导体中光子寿命满足关系


可以用光子的平均自由程和半导体中光速表示
扮

是频率为时的吸收系数。最终可以得到


该式将与辐射复合速率相关的光发射过程与由吸收系数表示的光
吸收过程相联系。复折光系数的虚部称为消光系数,吸收
系数与将消光系数的关系是
,、
、
用式对所有的光子频率进行积分,就可以得到单位时间单位体积内
的辐射复合速率平衡状态下。
非平衡状态下,,辐射复合速率和电子和空穴的浓度相关

从上式可见,当即接近于本征载流子浓度的平方,即时,辐射复合率就
变成
如果将载流子浓度和表示为平衡浓度和过剩载流子浓度
的和,并用来表示,再消去△项,就有
竺二竺竺

假设,那过剩载流子的辐射寿命,满足



对本征半导体,,有


综合上面的结果,则辐射复合速率


考虑存在与辐射复合竞争的无辐射复合过程,且无辐射复合的载流子寿命为
、,,则等效复合寿命满足

——十—
。仔
总复合速率在存在竞争的非辐射复合时满足


因此,辐射效率即发光的量子效率为
生
呱
二
上述的量子效率被称为内量子效率。在实际的器件中,吸收和内反射等因素
会影响光从器件内部向外透射,造成光的损失。因此总的量子效率还会进一步降
低。这时的量子效率通常称为外量子效率。
辐射和非辐射复合跃迁
半导体中的基本跃迁过程示于图。可以把跃迁过程分为三类。第一类为带间
跃迁,包括可能涉及声子和激子、能量接近禁带能量的跃迁过程,以及涉
及热电子或者热空穴的能量较高的跃迁过程。第二类跃迁是涉及化学
杂质和缺陷的跃迁,包括导带到受主杂质能级的跃迁,施主杂质能级
到价带的跃迁,施主杂质能级到受主杂质能级的跃迁对发射以及
通过深能级陷阱的跃迁。第三类跃迁是涉及热载流子退激发的带内跃迁,包
括〔热电子退激发和热空穴退激发。并非所有的跃迁都是辐射性的。俄
歇效应、表面和界面复合、通过缺陷复合和多声子发射一般是非辐射跃迁。除此
以外的其它过程本质上是辐射性的。
图半导体中的基本跃迁过程
带间直接和间接跃迁
带间跃迁既可能是直接的,也可能是间接的。在直接禁带半导体中发生直接
跃迁。直接跃迁涉及晶格动量相同的能带,如图所示。其发射速率由己填
充的导带态密度和未填充的价带态密度所决定。直接禁带半导体的发射系数一般
有以下形式
图直接跃迁和间接跃迁
间接禁带半导体中的间接跃迁通常伴随着中间过程,例如声子发射,以保证
动量守恒。如图所示。若假定声子发射几率为,那么间接禁带半导体中的发射
系数可以由下式表示
尹
是所发射的声子的能量,是间接过程的跃迁几率。这种由声子发射辅助
的光学跃迁所产生的光子的最低能量低于禁带能量,满足

间接跃迁中发射系数与能量的关系是平方关系,而直接跃迁中发射系数与能
量的关系是平