深能级瞬态光谱（DLTS）

深能级瞬态光谱 (DLTS) 是一种用于研究半导体及光伏器件中电荷载流子陷阱的技术。用于提取有关陷阱密度和陷阱分布的重要信息。

图1

DLTS测试中，在不同温度下施加不同电压信号，测量随时间的推移电容、电流（i-DLTS）或电荷（Q-DLTS）的变化。DLTS用于测量GaAs半导体器件在不同温度下的电容瞬态变化，该技术有望测量多数和少数载流子陷阱的陷阱谱（陷阱密度与能量陷阱深度）以及捕获截面，DLTS也被广泛用于研究无机半导体中的缺陷分布。但DLTS在有机半导体中的应用有限，因为它们的迁移率太低，RC效应通常太高。

然而，请注意也可精确测量有机、钙钛矿或量子点中的陷阱谱。当测量基于电容的DLTS时，探测频率必须足够小，为了可以测量空间电荷电容。在测量基于电流的DLTS时，适当扣除位移电流并以高电流分辨率进行测量很重要。DLTS用于钙钛矿太阳能电池，以确定陷阱能量和密度。然而，务必仔细解释这类结果，因为移动离子的存在可能会干扰测量。

本文对基于电流的DLTS进行了模拟仿真。 在暗态下对器件施加负向电压（0至−5 V），同时分析瞬态电流响应，除了由RC效应引起的位移电流外，还有来自陷阱激发的小电流。离散能级陷阱的陷阱激发电流j_te可以描述为

图2

其中 τ_te是陷阱激发时间常数，q是单位电荷，d为器件厚度（或厚器件中的耗尽宽度），N_t是陷阱体积密度。陷阱发射时间τte是陷阱发射率 et 的倒数，描述为

图3

其中 c_t是陷阱捕获率，N₀是状态密度，ΔE为陷阱深度，k_B玻尔兹曼常数，T是温度。陷阱捕获率 c_t可以被视为包括捕获截面的材料常数。对于无机半导体，陷阱激发时间包括另一个因子1/T²，可理解为热速度的温度依赖性和状态密度的温度依赖性。

我们区分来自陷阱载流子热激发两种不同形式的电流衰减。单一陷阱能级的激发电流（图2）呈指数衰减，且指数拖尾的激发电流显示出幂规律衰减。

Street在关闭光照后，借助指数拖尾载流子热发射分析了电流衰减。这种瞬态光电流TPC衰减与DLTS电流在传输时间（渡越时间）后的电流衰减是一致的。来自指数带尾 N（E） = N_D⋅exp（−E/E₀） 的激发电流j_em被描述为

图4

其中 N（E） 是作为能量函数的状态密度，N_D 是 0 eV 处的密度，单位为 cm^-3 eV^-1，E是从带边Band edge（E = 0）到带隙Band-Gap的能量，E₀是拖尾斜率，q为单位电荷，d器件厚度，k_B玻尔兹曼常数，T 为温度，ω 为逃逸因子（大约为 1*10¹² 1/s）。

为了说明不同的电流衰减形状，我们计算了两种不同密度状态的激发电流。首先，借助费米-狄拉克统计法用电荷填充状态密度，然后计算激发电流随时间的变化，器件内部的电荷传输可以被忽略。图5 显示了指数型Trap-DOS和高斯型Trap-DOS的载流子分布和激发电流。最初的费米能级被选为0.2 eV。因此，图5（b）中的Trap-DOS被*填充，指数尾部填充低于0.2 eV，指数DOS随时间变化的发射电流遵循幂规律衰减（图5（c））；并且使用方程 (4) 可以很好地描述更长时间的激发电流。来自高斯型Trap-DOS 的激发呈指数型，并可由方程 (2) 表示。实际上，可以观察到两者的复合。此外，来自电子和空穴的激发电流很难分析。为简单起见，我们使用单一能陷阱和离散带能来模拟下面的DLTS。

图6 显示了室温下的DLTS仿真。对比图5（c）中的速率模型，图6 中的结果是使用太阳能电池模拟仿真软件Setfos的漂移扩散模块获得的，该软件考虑了器件中载流子传输的位置依赖性。前1 μs内的电流峰值是由RC效应引起的，在这里并不重要。复合前因子和迁移率对产生的电流没有影响（图6（b））。对于"浅陷阱"，观察到来自陷阱激发的额外电流（图6（c））。深层陷阱导致SRH复合 - 被俘获的电荷复合，而不是重新激发。如图6（a）所示的抽取势垒可能导致电流尾部被误认为是陷阱激发。当器件具有如图6（d）所示的低并联电阻时，陷阱激发电流被隐藏通过分流漏电流。如果器件掺杂，一些平衡态电荷被抽取，从而导致产生额外的电流（图6（e））。

图6（f）显示了不同温度下"浅陷阱"的模拟结果。虚线表示使用方程（2）的指数拟合。使用提取陷阱激发时间τ_te，陷阱深度可以用方程（3）来计算。在分析仿真结果时，0.4 eV的陷阱深度可精确检测，因此与该模型输入参数一致。对于被占据的陷阱数量提取了 7*10¹⁴ 和 1.6*10¹⁵¹/cm³ 之间的值。对于“浅陷阱"情况，室温暗态下陷阱占据有效密度为2*10¹⁶¹/cm³，激发电流的分析拟合将陷阱密度低估了10倍。原因是在−5 V时，并非所有的陷阱都是空的。因此，使用这种方法有效的陷阱密度可能会低估。

在我们的模拟中，电流分辨率没有限制。然而，在测量中，很难在这个时间范围内分辨6个数量级的电流，陷阱发射可能隐藏在测量噪声中。

以上所有测试数据来自设备：Paios

以上所有模拟仿真使用软件：Setfos