Vol.18 No.2 崔聪悟等：用热激发电流法研究金刚石薄膜中的陷讲 .147. 早在60年代，Bube等人团就发现，将半导体在低温下给以激发（如光照等）能产生载流 子.当材料的禁带中存在陷阱能级时，这些载流子可能被陷在各种陷阱内，然后在暗状态下升 温，当被陷载流子由于加热从陷阱中被释放出时，样品所接人的电路中会产生热激发电流峰 (TSC峰).这些TSC峰的温度位置和峰值高低决定于3个因素，即陷阱能级深度、加热速率快 慢和陷阱的捕获截面. 通常采用光照在低温下产生载流子，但这个方法使实验装置较复杂，我们采用电注人法， 将使实验装置简单得多，当光电导材料上有好的欧姆接触时，在电极二端加强电场会同时有 载流子注人④.金刚石膜就是一种近似绝缘体的光电导材料（样品E1和G3的室温电阻率 ≥1062·m).我们实验加在样品上的电压为5~10V.由于硅衬底的电阻率比金刚 石膜小得多，电压将主要降在DF上，在DF中产生高达~IOVm的强电场.这个强电场将 载流子注人DF,并填充陷阱能级，在将样品升温加热时，那些在陷阱中的载流子被热激 发而参与导电，其结果就得到了实验中的热激发电流峰，根据试验的电极和无掺杂硅衬 底的具体情况，可假设所注人的被陷载流子主要是电子6.).于是，利用这些(TSC)峰，可以綻对 应的陷阱能级.确定陷阱能级的方法有多种，其中Bube提出了一种较为简单的方法，如下式： E=k Tmln[Nqμ/a(Tm)j川) 其中E:陷阱能级深度；k:玻尔兹曼常数；Tm:TSC峰对应的温度；q:电子电荷；4：电子迁 移率；c(Tm)TSC峰对应的电导率.取N=2.24×104m,μ=0.19m/V·s)网：样品有效通 电面积A=2m?,结合样品厚度等参数得到电导率a(Tm),从而计算得二样品中存在的陷 阱能级如表2所示， 从表2中可以看到2个样品中的陷阱能级 表2各样品TC峰的有关数据及 都相差不多，但我们在进行重复实验时，发现 计算出的陷阱深度 这些TSC峰都基本消失或显著减弱，如图2b) 样品TnKo2·m EleV 和图3b)二曲线所示.这说明上述陷阱是由样 El 313 1.27×106 0.67 品中不稳定的缺陷或杂质引起的，由于第一次 335 1.05×10-6 0.74 实验过程中温度变化的影响，使这些不稳定因 G3 368 2.67×10-6 0.76 素发生了变化. G3 373 4.28×1060.73 考虑到样品在制备过程中用到氢，如果样 注：G3栏为G3经氢等离子体处理后的结果 品中残留有氢，则加热时应该是较易逸出的， 因此推测引起上述TSC峰的陷阱可能与氢有 关.而低温制备的样品E1和高温制备的样品 10 G3二者具体的TSC峰略有不同，可能是2个样 品中具体缺陷的形式有所不同，为证实氢对 1 TSC峰是否构成影响，把经过了以上实验过程 4 的样品G3在900℃下在氢等离子体中处理了 2 2.5h后，重新在低温下注人载流子，然后升 0 温测量其电流-温度关系，结果如图4所示. 1001502025030030 400 T/K 从图4可见，在图3b)曲线上消失了的电 流峰又重新出现，即经氢等离子体处理后，样 图4电流一温度关系曲线Vo l . 18 N O . 2 崔聪悟等 : 用 热激发电流法研究金 刚石薄膜 中的陷阱 . 147 . 早在 60 年 代 , B u be 等人团 就发 现 , 将半 导体在 低温下 给 以 激 发 (如 光 照 等) 能产 生载 流 子 . 当材 料 的禁带 中存在 陷阱能级 时 , 这些 载流子 可能被陷在各种 陷阱内 , 然后 在 暗状态 下升 温 , 当被 陷载 流子 由于 加热从 陷 阱中被释 放 出时 , 样 品所接 入 的电路 中会产生 热激 发 电流峰 ( ST C 峰 ) . 这 些 昭C 峰 的温度位置和峰值 高低决定于 3 个 因素 , 即陷阱能级深度 、 加热速率快 慢和 陷 阱的捕 获截 面 . 通 常采用 光照 在低温 下产 生载 流子 , 但这个方法使 实验装置较复杂 . 我们采用电注人法 , 将使实验 装置 简单得 多 . 当光 电导材 料上 有好 的欧姆接触 时 , 在 电极二 端加 强电场 会 同时有 载 流子 注人间 . 金刚石 膜 就是 一 种 近似 绝 缘 体的 光 电 导材 料 (样 品 lE 和 G 3 的 室 温 电 阻 率 ) 10 6 Q · m[ 习) . 我们 实验加 在样 品上 的 电压 为 5 一 10 V . 由于 硅 衬 底 的 电 阻 率 比 金 刚 石膜 小得 多 , 电压将 主要 降在 D F 上 , 在 D F 中产 生高达 一 l护 V m/ 的强电 场 . 这个 强 电 场 将 载流 子注 人 . D F , 并填充 陷 阱能级 . 在将 样 品升温加 热 时 , 那 些 在 陷 阱 中 的载 流 子 被 热 激 发 而 参与 导 电 , 其结 果 就 得 到 了实 验 中 的热 激 发 电流 峰 . 根 据 试验的 电 极 和 无 掺 杂 硅 衬 底 的具 体情 况 , 可假设所注人 的被陷载流子主要是电剥 6 , ’ ] . 于是 , 利用这些 (飞C ) 峰 , 可以 确定对 应的 陷阱 能级 . 确定陷阱能级 的方法有多种 , 其中 B u be 提 出了一种较为简单的方法 , 如下式 : E = k mT l n [ N o q 拜/ a (mT )』l ’ ] 其中 :E 陷阱能级深度 ; :k 玻尔兹曼常数 ; T :m ST C 峰对应的温度 ; :q 电子电荷; 川 电子迁 移率 ; 叮 勒 : 昭C 峰对应的电导 率 . 取 cN 二 .2 24 x lo 加 ms/ ; 产 二 O . 19 mz/ W · s ) `气 样 品有效 通 电面积 A = 2 ~ 2 , 结合样 品厚度 等参数得 到 电 导率 a (mT ) , 从 而计算 得 二 样 品 中存在 的 陷 阱能级 如表 2 所 示 . 从表 2 中可 以 看 到 2 个 样品 中的 陷阱 能级 都 相 差 不 多 . 但 我 们在 进 行 重复 实验 时 , 发 现 这 些 ST C 峰都基 本消 失或显 著 减 弱 , 如 图 2山) 和 图 3山) 二 曲线所 示 . 这说明 上 述 陷 阱是 由样 品 中不稳定 的缺 陷或 杂 质 引起 的 , 由于第 一 次 实验 过程 中温度 变化 的影 响 , 使 这 些 不稳 定 因 素发 生 了变 化 . 考 虑到样 品在 制 备 过 程 中用 到 氢 , 如 果 样 品 中残 留有氢 , 则 加热 时 应 该 是 较 易 逸 出 的 , 因此推测 引起 上 述 ST C 峰 的 陷 阱可 能 与 氢 有 关 . 而 低 温 制 备 的 样 品 E I 和 高 温 制 备 的样 品 G 3二 者 具 体 的飞C 峰 略 有 不 同 , 可 能 是 2个样 品 中具 体缺 陷 的 形 式 有 所 不 同 . 为 证 实 氢 对 仆C 峰是 否构 成影 响 , 把 经 过 了 以 上 实验 过 程 的样 品 G 3 在 9 0 ℃ 下在 氢等 离子 体 中处理 了 .2 5 h 后 , 重 新 在 低 温 下 注 人 载 流 子 , 然 后 升 温测量 其电流 一 温度 关系 , 结 果如 图4所示 . 从图 4 可见 , 在 图 3 (b ) 曲线 上消失 了的 电 流 峰又 重 新 出 现 , 即经 氢 等 离 子 体 处 理 后 , 样 表 2 各样 品 I S C 峰的有关 数据及 计算出的陷阱深 度 样品 了钻胜 气仰 · m - 1 . 27 x 10 一 “ 1 . 0 5 x 10 一 6 2 . 67 x 10 一 6 4 . 邓 x 10 一 6 五加V 0 . 67 0 . 74 0 . 7 6 0 . 73 6835713 内àé气ú、, 1 氏月j` GE 注 二G *3 栏为 G 3 经 氢等离子 体处理 后 的 结果 121064ao 粤钾屠汉| 0 ` 1o 1刃 洲洲) 多劣 T / K 〕 洲) 3见 幻) 图 4 电流 一 温度关系 曲线