Intelligent measuring system for characterisation of defect centres in semi-insulating materials by photoinduced transient spectroscopy

Pawłowski, M.; Kamiński, P.; Kozłowski, R.; Jankowski, S.; Wierzbowski, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Intelligent measuring system for characterisation of defect centres in semi-insulating materials by photoinduced transient spectroscopy

Autorzy

Pawłowski M. , Kamiński P. , Kozłowski R. , Jankowski S. , Wierzbowski M.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

Identyfikatory

Warianty tytułu

Inteligentny system pomiarowy do badania centrów defektowych w materiałach półizolujących metodą niestacjonarnej spektroskopii fotoprądowej

Języki publikacji

Abstrakty

An intelligent measurement system for the characterisation of defect centres in semi-insulating materials is presented. The system utilises two-dimensional analysis of the photocurrent transients digitally recorded in a broad range of temperatures. The spectral analysis is carried out by two independent methods: the two-dimensional correlation procedure and the procedure based on the inverse Laplace transformation algorithm. Parameters of a defect centre are determined using the neural network algorithm which is based on two hidden neurons in the form of two-dimensional sigmoid functions used to obtain a morphological match of the approximating function to the shape of the fold on the spectral surface. The system is shown to be a powerful tool for studies of defect structure of high-resistivity semiconductors.

Przedstawiono inteligentny system pomiarowy dedykowany do charakteryzacji centrów defektowych w materiałach półizolujących. Działanie systemu polega na rejestracji relaksacyjnych przebiegów fotoprądu w szerokim zakresie temperatur oraz realizacji dwuwymiarowej analizy temperaturowych zmian stałych czasowych tych przebiegów. Analiza widmowa przeprowadzana jest za pomocą dwóch niezależnych metod: dwuwymiarowej procedury korelacyjnej i procedury wykorzystującej odwrotną transformatę Laplace'a. Parametry centrów defektowych wyznaczane są za pomocą sieci neuronowej, która złożona jest z dwóch neuronów w postaci dwuwymiarowych funkcji tangensa hiperbolicznego i realizuje morfologiczne dopasowanie funkcji aproksymującej do kształtu fałdy na powierzchni widmowej. Wartości parametrów centrów defektowych otrzymywane są jako wartości parametrów aproksymatora po procesie dopasowania. Przedstawiono przykłady zastosowania systemu do badania centrów kompensujących w półizolującym InP oraz centrów radiacyjnych w krzemowych, wysokorezystywnych warstwach epitaksjalnych napromieniowanych protonami o dużej energii. Porównano strukturę defektową SI InP domieszkowanego żelazem w procesie monokrystalizacji oraz strukturę defektową SI InP, którego półizolujące właściwości otrzymano w wyniku długotrwałej obróbki termicznej w atmosferze par fosforu. W krzemowych warstwach epitaksjalnych określono zmiany struktury defektowej w funkcji dawki protonów.

Słowa kluczowe

Photoinducted Transient Spectroscopy (PITS) neural network computational intelligence defect centres semi-insulating materials

sieci neuronowe centra defektowe materiały półizolujące

Wydawca

Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN

Czasopismo

Metrology and Measurement Systems

Rocznik

2005

Tom

Vol. 12, nr 2

Strony

207--228

Opis fizyczny

Bibliogr. 42 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pawłowski M.

mpawlowski@itme.edu.pl

Institute of Electronic Materials Technology, Warsaw, Poland
Military University of Technology, 00-908 Warsaw 49, PO Box 50, Poland

autor

Kamiński P.

Institute of Electronic Materials Technology, 01-919 Warsaw, Poland

autor

Kozłowski R.

Institute of Electronic Materials Technology, 01-919 Warsaw, Poland

autor

Jankowski S.

Warsaw University of Techno logy, 00-665 Warsaw, Poland

autor

Wierzbowski M.

Military University of Technology, 00-908 Warsaw 49, PO Box 50, Poland

Bibliografia

1. Hirt G., Hofmann D., Mosel F., Schafer N., Muller G.: Compensation mechanisms in normally undoped semi-insulating InP and comparison with undoped InP Grown under stoichiometry control, J. Electronic Mat., vol. 20, no. 12, 1991, pp. 1065-1068.
2. Dreszer P., Chen W. M., Seendripu K., Wolk J. A., Walukiwicz W., Liang B. W., Tu C. W., Weber E. R.: Phosphorus antisite defects in low-temperature InP, Phys. Rev. B, vol. 47, no. 7, 1993, pp. 4111- 4114.
3. Fang Z.-Q., Look D. C., Uchida M., Kainosho K., Oda O.: Deep Centers in Undoped Semi-Insulating InP, J. Electronic Mat., vol. 27, no. 10, 1998, pp. L68-L71.
4. Lang D. V.: Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors, J. Appl. Phys., vol. 45, no. 7, 1974, pp. 3023-3032.
5. Kuriyama K., Tomizawa K., Kashiwakura M., Yokoyama K.: Characterization of deep level defects in thermally annealed Fe-doped semi-insulating InP by thermally stimulated current spectroscopy, J. Appl. Phys., vol. 76, no. 6, 1994, pp. 3552-3555.
6. Marrakchi G., Cherkaoui K., Karoui A., Hirt G., Muller G.: Traps in undoped semi-insulating InP obtained by high temperature annealing, J. Appl. Phys., vol. 79, no.9, 1996, pp. 6947-6950.
7. Zhao Y., Dong H. W., Jiao J., Zhao J., Lin L.: Fe-Diffusion-Induced Defects in InP Annealed in Iron Phosphide Ambient, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 41, no. 4A, 2002, pp. 1929-1931.
8. Hirt G., Mono T., Muller G.: Preparation and characterization of semi-insulating 2 ́ ́InP wafers having a low Fe content by wafer annealing, Mat. Sci. Eng. B26, 1994, pp. 91-100.
9. Hurtes C., Boulou M., Mitonneau A., and Bois D.: Deep-level spectroscopy in high-resistivity materials, Appl. Phys. Lett., vol. 32, no. 12, 1978, pp. 821-823.
10. Yoshie O., Kamihara M.: Photo-Induced Current Transient Spectroscopy in High-Resistivity Bulk Material. II. Influence of Non-Exponential Transient on Determination of Deep Trap Parameters, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 22, no. 4, 1983, pp. 629-635.
11. Abele J.C., Kremer R.E., Blakemore J. S.: Transient photoconductivity measurements in semi-insulating GaAs. II. A digital approach, J. App. Phys., vol. 62, no. 6, 1987, pp. 2432- 2438.
12. Longeaud C., Kleider J.P., Kamiński P., Kozłowski R., Pawłowski M., Ćwirko J.: Investigation of defect levels in semi-insulating materials by modulated and transient photo current: comparison of methods, Semicond. Sci. Technol., vol. 14, 1999, pp. 747-756.
13. Kamiński P., Kozłowski R.: High-resolution transient spectroscopy as a new tool for quality assessment of semi-insulating GaAs, Materials Science and Engineering B, vol. 91-92, 2002, pp. 398-402.
14. Kozłowski R., Kamiński P., Nossarzewska-Orłowska E.: High-resolution photoinduced spectroscopy as a new characterisation tool for defect engineering of irradiated silicon, Proceedings of First ENDEASD Workshop, Santorini, Greece, 1999, pp. 186-195.
15. Pawłowski M.: Extraction of deep trap parameters from photocurrent transients by two-dimensional spectral analysis, Sol. State Electron., vol. 46, 2002, pp. 1879-1885.
16. Kaminski P., Pawlowski M., Cwirko R., Palczewska M., Kozlowski R.: Investigation of deep-level defects in semi-insulating GaAs and InP by analysis of photo-induced current transient, Mat. Sci. Eng. B, vol. 42, 1996, pp. 213-216.
17. Istratov A. A.: The resolution limit of traditional correlation functions for deep level transient spectroscopy, Rev. Sci. Instrum., vol. 68, no. 10, 1997, pp. 3861-3865.
18. Look D.C.: The electrical and photoelectronic properties of semi-insulating GaAs. In: Willardson R.K., Beer A.C., editors. Semiconductors and semimetals, vol. 19. New York: Academic Press, 1983.
19. Pawłowski M., Kaminski P., Kozłowski R., Miczuga M.: Laplace transform photoinduced transient spectroscopy: new powerful tool for defect characterisation in semi-insulating materials, SPIE Proceedings, vol. 5136, 2003, pp. 59-65.
20. Dobaczewski L., Kaczor P., Hawkins I. D., Peaker A. R.: Laplace transform deep-level transient spectroscopic studies of defects in semiconductors, J. App. Phys., vol. 76, no. 1, 1994, pp. 194-198. 21. Istratov A. A., Vyvenko O. F.: Exponential analysis in physical phenomena, Rev. Sc. Inst., vol. 70, no. 2, 1999, pp. 1233-1257.
22. Provencher S. W.: A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations, Comp. Phys. Comm., vol. 27, 1982, pp. 213-227.
23. Provencher S. W.: CONTIN: A general purpose program for inverting noisy linear algebraic and integral equations, Comp. Phys. Comm., vol. 27, 1982, pp. 229-242.
24. Jankowski S., Wierzbowski M., Kaminski P., Pawlowski M.: Implementation of neural network method to investigation of defect centers in semi-insulating materials, International Journal of Modern Physics B., vol. 16, no. 28 & 29, 2002, pp. 4449-4454.
25. Bishop M. C.: Neural Networks for Pattern Recognition, Clarendon Press, Oxford, 1995.
26. Shmidt: Handbook Series on Semiconductor Parameters, vol. 1, M. Levinshtein, S. Rumyantsev, M. Shur, ed., World Scientific, London, 1996
27. Mayer K. M., Makita Y., Yamada A., Shibata H., Beye A. C., Shimada J.: Characterization of processing-induced defects in high-purity InP by photoluminescence, J. Appl. Phys., vol. 72, no. 3, 1992, pp. 1080-1085.
28. Surma B., Wnuk A., Dubecky F., Piersa M., Strzelecka S., Hruban A., in Proceedings of SIMC-XII 2002, Smolenice, Slovak Republic, 2003.
29. Kang J., Matsumoto F., Fukuda T.: Photoluminescence of undoped bulk InP grown by the liquid-encapsulated vertical Bridgman technique, J. Appl. Phys., vol. 81, no. 20, 1997, pp. 905-909.
30. Shan Y. Y., Deng A. H., Ling C. C., Fung S., Ling C. D., Zhao Y. W., Sun T. N., Sun F.: Positron-annihilation study of compensation defects in InP, J. Appl. Phys., vol. 91, no. 4, 2002, pp. 1998-2001.
31. Polity A. and Engelbrecht T.: Defects in electron-irradiated InP studied by positron lifetime spectroscopy, Phys. Rev. B., vol. 55, no. 16, 1997, pp. 10 480-10 486.
32. Nicholas D. J., Allsopp D., Hamilton B., Allsopp A. R., Bass S. J., J. Cryst. Growth, vol. 68, 1984, pp. 326-333.
33. Wolf T., Drews D., Scheffler H., Bimberg D., Mosel F., Kipfer P., Muller G.: Identification of deep levels in liquid-encapsulation Czochralski-grown Fe- and Zn-doped InP: A proof of the nonexistence of a Fe4+/Fe3+donor level, J. Appl. Phys., vol. 73, no. 10, 1993, pp. 226-232.
34. Kaminski P., Thomas H.: Characterization of deep traps in semi-insulating GaAs and InP by photoinduced transient spectroscopy (PITS), Acta Phys. Pol., vol. A77, no. 1, 1990, pp. 87-90.
35. Fornari R., Brinciotti A., Gombia E., Mosca R., Sentiri A., Mat. Sc. Eng. B, vol. 28, 1994, pp. 95-100.
36. Kaminski P., Kozlowski R., Nossarzewska-Orlowska E.: Formation of electrically active defects in neuron irradiated silicon, Nucl. Instr. and Meth. B, vol. 186, 2002, pp. 152-156.
37. Kaminski P., Kozlowski R., Jelenski A., Mchedlidze T., Suezawa M.: High-resolution photoinduced transient spectroscopy of electrically active iron-related defects in electron irradiated high-resolution silicon, Jap. J. Appl. Phys. vol. 42, 2003, pp. 5415-5419.
38. Mikelsen M., et al.: Annealing behaviour of defects in irradiated MCZ- and DOFZ-Si detector materials, presented on the 4th RD50 Workshop, 5-7 May 2004, CERN, Geneva, Switzerland.
39. Alfieri G., Monakhov E. V., Avset B. S., Svensson B. G.: Evidence for identification of the divacancy-oxygen center in Si, Phys. Rev. B, vol. 68, 2003, pp. 233202-233205.
40. I. Pintilie et al.: The X defect in Epi/Cz silicon diodes after high doses of Co60-γ irradiation, presented on the 5th RD50 Workshop, 14-16 October 2004, Florence, Italy.
41. Da Via C., Watts S. J.: New results for a novel oxygenated silicon material, Nucl. Instr. and Meth. B, vol. 186, 2002, pp. 111-115.
42. Andersen O., Dobaczewski L., Peaker A. R., Nielsen Bonde K., Hourahine B., Jones R., Briddon P. R., Öberg S.: Piezospectroscopic analysis of the hydrogen-carbon complexes in silicon, Physica B: Physics of Condensed Matter, vol. 308, 2001, pp. 139-142.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BSW1-0014-0015