Deep-level transient spectroscopy
ڈیپ لیول ٹرانزینٹ سپیکٹروسکوپی (ڈی ایل ٹی ایس) سیمی کنڈکٹرز میں برقی طور پر فعال نقائص (جسے چارج کیریئر ٹریپس کہا جاتا ہے) کا مطالعہ کرنے کے لیے ایک تجرباتی ٹول ہے۔ ڈی ایل ٹی ایس بنیادی عیب کے پیرامیٹرز کو قائم کرتا ہے اور مواد میں ان کے ارتکاز کی پیمائش کرتا ہے۔ کچھ پیرامیٹرز کو عیب "فنگر پرنٹس" سمجھا جاتا ہے جو ان کی شناخت اور تجزیہ کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ ڈی ایل ٹی ایس ایک سادہ الیکٹرانک ڈیوائس کے اسپیس چارج (کمی) کے علاقے میں موجود نقائص کی تحقیقات کرتا ہے۔ سب سے زیادہ استعمال ہونے والے شٹکی ڈایڈس یا پی این جنکشن ہیں۔ پیمائش کے عمل میں مستحکم ریاست ڈایڈڈ ریورس پولرائزیشن وولٹیج کو وولٹیج پلس سے پریشان کیا جاتا ہے۔ یہ وولٹیج پلس خلائی چارج والے علاقے میں برقی میدان کو کم کر دیتا ہے اور سیمی کنڈکٹر بلک سے آزاد کیریئرز کو اس علاقے میں گھسنے اور نقائص کو ری چارج کرنے کی اجازت دیتا ہے جس کی وجہ سے ان کی غیر توازن چارج حالت ہوتی ہے۔ نبض کے بعد، جب وولٹیج اپنی مستحکم حالت کی قیمت پر واپس آتا ہے، تو تھرمل اخراج کے عمل کی وجہ سے نقائص پھنسے ہوئے کیریئرز کا اخراج کرنا شروع کردیتے ہیں۔ یہ تکنیک ڈیوائس اسپیس چارج ریجن کیپسیٹنس کا مشاہدہ کرتی ہے جہاں عیب دار چارج کی حالت کی بازیابی کیپسیٹنس عارضی کا سبب بنتی ہے۔ وولٹیج پلس کے بعد عیب دار چارج کی حالت کی بازیابی سائیکل کی جاتی ہے جس سے عیب دار ریچارجنگ کے عمل کے تجزیے کے لیے مختلف سگنل پروسیسنگ کے طریقوں کو استعمال کرنے کی اجازت ملتی ہے۔ ڈی ایل ٹی ایس تکنیک میں تقریبا کسی بھی دوسری سیمی کنڈکٹر تشخیصی تکنیک سے زیادہ حساسیت ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، سلکان میں یہ مادی میزبان ایٹموں کے 1012 میں ایک حصے کے ارتکاز پر نجاست اور نقائص کا پتہ لگا سکتا ہے۔ اس خصوصیت نے اپنے ڈیزائن کی تکنیکی سادگی کے ساتھ مل کر اسے تحقیقی لیبز اور سیمی کنڈکٹر میٹریل پروڈکشن فیکٹریوں میں بہت مقبول بنا دیا۔ ڈی ایل ٹی ایس تکنیک کا آغاز 1974 میں بیل لیبارٹریز میں ڈیوڈ ورن لینگ نے کیا تھا۔ 1975 میں لینگ کو امریکی پیٹنٹ سے نوازا گیا۔ ڈی ایل ٹی ایس کے طریقے روایتی ڈی ایل ٹی ایس میں جب نمونے کا درجہ حرارت آہستہ آہستہ مختلف ہوتا ہے (عام طور پر مائع نائٹروجن کے درجہ حرارت سے لے کر کمرے کے درجہ حرارت 300 K یا اس سے زیادہ کی حد میں) تو لاک ان ایمپلیفائر یا ڈبل باکس کار اوسط تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے کیپسیٹیننس ٹرانزینٹس کی تحقیقات کی جاتی ہیں۔ آلات کا حوالہ تعدد وولٹیج پلس کی تکرار کی شرح ہے۔ روایتی ڈی ایل ٹی ایس طریقہ کار میں اس تعدد کو کچھ مستقل سے ضرب (استعمال شدہ ہارڈ ویئر پر منحصر ہے) کو "ریٹ ونڈو" کہا جاتا ہے۔ درجہ حرارت کے اسکین کے دوران، چوٹیاں اس وقت ظاہر ہوتی ہیں جب کسی عیب سے کیریئرز کی اخراج کی شرح ریٹ ونڈو کے برابر ہوتی ہے۔ بعد میں ڈی ایل ٹی ایس سپیکٹرم کی پیمائش میں مختلف شرح ونڈوز قائم کرنے سے مختلف درجہ حرارت حاصل ہوتا ہے جس پر کچھ خاص چوٹی ظاہر ہوتی ہے۔ اخراج کی شرح اور متعلقہ درجہ حرارت کے جوڑوں کا ایک سیٹ ہونے کی وجہ سے کوئی بھی آرہینیئس پلاٹ بنا سکتا ہے، جو تھرمل اخراج کے عمل کے لیے عیب چالو کرنے والی توانائی کو کم کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ عام طور پر یہ توانائی (جسے بعض اوقات عیب دار توانائی کی سطح کہا جاتا ہے) پلاٹ انٹرسیپٹ ویلیو کے ساتھ مل کر اس کی شناخت یا تجزیہ کے لیے استعمال ہونے والے عیب دار پیرامیٹرز ہوتے ہیں۔ کم فری کیریئر ڈینسٹی والے نمونوں پر کنڈکٹینس ٹرانزینٹس کو بھی ڈی ایل ٹی ایس تجزیہ کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔ روایتی درجہ حرارت اسکین ڈی ایل ٹی ایس کے علاوہ، جس میں مستقل فریکوئنسی پر ڈیوائس کو پلس کرتے وقت درجہ حرارت کو بہایا جاتا ہے، درجہ حرارت کو مستقل رکھا جا سکتا ہے اور پلسنگ فریکوئنسی کو صاف کیا جا سکتا ہے۔ اس تکنیک کو فریکوئنسی اسکین ڈی ایل ٹی ایس کہا جاتا ہے۔ نظریہ طور پر تعدد اور درجہ حرارت کے اسکین ڈی ایل ٹی ایس سے یکساں نتائج حاصل ہونے چاہئیں۔ فریکوئنسی اسکین ڈی ایل ٹی ایس خاص طور پر مفید ہوتا ہے جب درجہ حرارت میں جارحانہ تبدیلی آلہ کو نقصان پہنچا سکتی ہے۔ ایک مثال جب فریکوئنسی اسکین کو مفید دکھایا جاتا ہے وہ پتلی اور حساس گیٹ آکسائڈ والے جدید ایم او ایس آلات کا مطالعہ کرنے کے لیے ہے۔ ڈی ایل ٹی ایس کو کوانٹم ڈاٹس اور پیرووسکائٹ شمسی خلیوں کا مطالعہ کرنے کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔ ایم سی ٹی ایس اور اقلیتی کیریئر ڈی ایل ٹی ایس شاٹکی ڈایڈس کے لیے، اکثریتی کیریئر ٹریپس کا مشاہدہ ریورس بائیس پلس کے استعمال سے کیا جاتا ہے، جبکہ اقلیتی کیریئر ٹریپس کا مشاہدہ اس وقت کیا جا سکتا ہے جب ریورس بائیس وولٹیج دالوں کو اوپر کے سیمی کنڈکٹر بینڈ گیپ سپیکٹرل رینج سے فوٹون توانائی کے ساتھ ہلکی دالوں سے تبدیل کیا جاتا ہے۔ اس طریقہ کو مائنوریٹی کیریئر ٹرانزینٹ سپیکٹروسکوپی (ایم سی ٹی ایس) کہا جاتا ہے۔ اقلیتی کیریئر ٹریپس کا مشاہدہ پی-این جنکشنز کے لیے فارورڈ بائیس دالوں کے استعمال سے بھی کیا جا سکتا ہے، جو اقلیتی کیریئرز کو خلائی چارج والے علاقے میں داخل کرتے ہیں۔ ڈی ایل ٹی ایس پلاٹوں میں اقلیتی کیریئر سپیکٹرم کو عام طور پر اکثریت کیریئر ٹریپ سپیکٹرم کے حوالے سے طول و عرض کی مخالف علامت کے ساتھ دکھایا جاتا ہے۔ لیپلیس ڈی ایل ٹی ایس ڈی ایل ٹی ایس کی توسیع ہے جسے ہائی ریزولوشن لیپلیس ٹرانسفارم ڈی ایل ٹی ایس (ایل ڈی ایل ٹی ایس) کہا جاتا ہے۔ لیپلیس ڈی ایل ٹی ایس ایک آئسوتھرمل تکنیک ہے جس میں کیپسیٹنس ٹرانزینٹس کو ڈیجیٹائز کیا جاتا ہے اور ایک مقررہ درجہ حرارت پر اوسط کیا جاتا ہے۔ پھر عیب کے اخراج کی شرحوں کو عددی طریقوں کے استعمال کے ساتھ حاصل کیا جاتا ہے جو الٹا لیپلیس کی تبدیلی کے مساوی ہوتے ہیں۔ حاصل شدہ اخراج کی شرحوں کو سپیکٹرم پلاٹ کے طور پر پیش کیا جاتا ہے۔ روایتی ڈی ایل ٹی ایس کے مقابلے میں لیپلیس ڈی ایل ٹی ایس کا بنیادی فائدہ توانائی کے ریزولوشن میں خاطر خواہ اضافہ ہے جسے یہاں بہت ہی ملتے جلتے سگنلز میں فرق کرنے کی صلاحیت کے طور پر سمجھا جاتا ہے۔ لیپلیس ڈی ایل ٹی ایس یک جہتی تناؤ کے ساتھ مل کر عیب دار توانائی کی سطح کی تقسیم کا باعث بنتا ہے۔ غیر مساوی سمتوں میں نقائص کی بے ترتیب تقسیم کو فرض کرتے ہوئے، تقسیم شدہ لکیروں کی تعداد اور ان کی شدت کا تناسب دیئے گئے عیب کی ہم آہنگی کی کلاس کی عکاسی کرتا ہے۔ ایم او ایس کیپسیٹرز پر ایل ڈی ایل ٹی ایس کے اطلاق کے لیے ڈیوائس پولرائزیشن وولٹیج کی ضرورت ہوتی ہے جہاں سیمی کنڈکٹر سے سیمی کنڈکٹر آکسائیڈ انٹرفیس تک ایکسٹریپولیٹ شدہ فرمی سطح اس انٹرفیس کو سیمی کنڈکٹر بینڈ گیپ رینج کے اندر کاٹتی ہے۔ اس انٹرفیس پر موجود الیکٹرانک انٹرفیس ریاستیں اوپر بیان کردہ نقائص کی طرح کیریئرز کو پھنس سکتی ہیں۔ اگر الیکٹرانوں یا سوراخوں کے ساتھ ان کا قبضہ ایک چھوٹے وولٹیج پلس سے پریشان ہوتا ہے تو آلہ کی صلاحیت پلس کے بعد اس کی ابتدائی قیمت پر بحال ہو جاتی ہے کیونکہ انٹرفیس ریاستیں کیریئرز کا اخراج کرنا شروع کر دیتی ہیں۔ اس بازیابی کے عمل کا تجزیہ مختلف ڈیوائس پولرائزیشن وولٹیج کے لیے ایل ڈی ایل ٹی ایس طریقہ سے کیا جا سکتا ہے۔ اس طرح کا طریقہ کار سیمی کنڈکٹر آکسائیڈ (یا ڈائی الیکٹرک) انٹرفیس پر انٹرفیس الیکٹرانک ریاستوں کی توانائی کی حالت کی تقسیم کو حاصل کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ مستقل کیپیسیٹنس ڈی ایل ٹی ایس عام طور پر، ڈی ایل ٹی ایس پیمائشوں میں کیپیسیٹنس ٹرانزینٹس کا تجزیہ یہ فرض کرتا ہے کہ تحقیقات شدہ جالوں کا ارتکاز مادی ڈوپنگ کے ارتکاز سے بہت کم ہے۔ ایسے معاملات میں جب یہ مفروضہ پورا نہیں ہوتا ہے تو ٹریپ کے ارتکاز کے زیادہ درست تعین کے لیے مستقل کیپسیٹنس ڈی ایل ٹی ایس (سی سی ڈی ایل ٹی ایس) طریقہ استعمال کیا جاتا ہے۔ جب نقائص دوبارہ چارج ہوتے ہیں اور ان کا ارتکاز زیادہ ہوتا ہے تو ڈیوائس اسپیس ریجن کی چوڑائی مختلف ہوتی ہے جس سے کیپسیٹنس عارضی کا تجزیہ غلط ہوجاتا ہے۔ ڈیوائس بائیس وولٹیج کو تبدیل کرکے کل ڈیوائس کیپسیٹنس کو مستقل رکھنے والی اضافی الیکٹرانک سرکٹری کمی کے علاقے کی چوڑائی کو مستقل رکھنے میں مدد کرتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، مختلف ڈیوائس وولٹیج عیب دار ریچارج کے عمل کی عکاسی کرتا ہے۔ فیڈ بیک تھیوری کا استعمال کرتے ہوئے سی سی ڈی ایل ٹی ایس سسٹم کا تجزیہ لاؤ اور لام نے 1982 میں فراہم کیا تھا۔ آئی-ڈی ایل ٹی ایس اور پی آئی ٹی ایس ڈی ایل ٹی ایس کے لیے ایک اہم خامی ہے: اسے موصلیت کے مواد کے لیے استعمال نہیں کیا جا سکتا۔ (نوٹ: ایک موصلیت کو ایک بہت بڑا بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر سمجھا جا سکتا ہے۔) موصلیت کے مواد کے لیے ایک ایسا آلہ تیار کرنا مشکل یا ناممکن ہے جس میں خلائی خطہ ہو جس کے لیے چوڑائی کو بیرونی وولٹیج تعصب کے ذریعے تبدیل کیا جا سکے اور اس طرح نقائص کے تجزیے کے لیے قابلیت کی پیمائش پر مبنی ڈی ایل ٹی ایس طریقوں کا اطلاق نہیں کیا جا سکتا۔ تھرمل اسٹیمولیٹڈ کرنٹ (ٹی ایس سی) سپیکٹروسکوپی کے تجربات کی بنیاد پر، موجودہ ٹرانزینٹس کا تجزیہ ڈی ایل ٹی ایس طریقوں (آئی-ڈی ایل ٹی ایس) کے ساتھ کیا جاتا ہے، جہاں ہلکی دالوں کو عیب دار قبضے کی رکاوٹ کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ ادب میں اس طریقہ کو بعض اوقات فوٹو انڈیوسڈ ٹرانزینٹ سپیکٹروسکوپی (پی آئی ٹی ایس) کہا جاتا ہے۔ آئی-ڈی ایل ٹی ایس یا پی آئی ٹی ایس کا استعمال پی-این ڈایڈڈ کے آئی-ریجن میں نقائص کا مطالعہ کرنے کے لیے بھی کیا جاتا ہے۔ کیریئر جنریشن اور ریکومبینیشن بینڈ گیپ ایفیکٹو ماس شٹکی ڈایڈڈ فرینکل ڈیفیکٹ شٹکی ڈیفیکٹ سیمی کنڈکٹر ڈیوائس ویکینسی (کیمسٹری) کیپیسیٹنس وولٹیج پروفائلنگ ہائی-کے ڈائی الیکٹرک حوالہ جات بیرونی لنکس ڈی ایل ٹی ایس کا ڈیٹا بیس سیمی کنڈکٹر میں نقائص کا ڈیٹا بیس سیمی کنڈکٹر میں نقائص کا ڈیٹا بیس سیمی کنڈکٹر تجزیہ سپیکٹروسکوپی