Espectroscopia de corriente estimulada térmicamente

La espectroscopia de corriente estimulada térmicamente (TSC, por sus siglas en inglés) (que no debe confundirse con la corriente de despolarización estimulada térmicamente ) es una técnica experimental que se utiliza para estudiar los niveles de energía en semiconductores o aislantes (orgánicos o inorgánicos). Los niveles de energía se llenan inicialmente mediante inyección óptica o eléctrica, generalmente a una temperatura relativamente baja; posteriormente, se emiten electrones o huecos al calentar a una temperatura más alta. Se registra una curva de corriente emitida y se representa gráficamente en función de la temperatura, obteniéndose así un espectro TSC. Mediante el análisis de los espectros TSC, se puede obtener información sobre los niveles de energía en semiconductores o aislantes.

Se requiere una fuerza impulsora para que los portadores emitidos fluyan al aumentar la temperatura de la muestra. Esta fuerza impulsora puede ser un campo eléctrico o un gradiente de temperatura . Generalmente, se utiliza un campo eléctrico; sin embargo, no es posible distinguir entre trampas de electrones y trampas de huecos. Si se utiliza un gradiente de temperatura, las trampas de electrones y las trampas de huecos se pueden distinguir por el signo de la corriente. La espectroscopia de efecto termoeléctrico (TEES) basada en un gradiente de temperatura también se conoce como espectroscopia de efecto termoeléctrico (TEES), según dos científicos (Santic y Desnica) de la antigua Yugoslavia ; demostraron su técnica en arseniuro de galio (GaAs) semi-aislante. (Nota: La TSC basada en un gradiente de temperatura se inventó antes que Santic y Desnica y se aplicó al estudio de materiales plásticos orgánicos. Sin embargo, Santic y Desnica la aplicaron al estudio de un material semiconductor de importancia tecnológica y le dieron el nombre de TEES).

Históricamente, Frei y Groetzinger publicaron en 1936 un artículo en alemán titulado "Liberación de energía eléctrica durante la fusión de electretos" (traducción al inglés del título original en alemán). Este podría ser el primer artículo sobre TSC. Antes de la invención de la espectroscopia transitoria de nivel profundo (DLTS), la espectroscopia de corriente estimulada térmicamente (TSC) era una técnica popular para estudiar trampas en semiconductores. Actualmente, para trampas en diodos Schottky o uniones pn , la DLTS es el método estándar para estudiar trampas. Sin embargo, la DLTS presenta una limitación importante: no se puede utilizar en materiales aislantes, mientras que la TSC sí se puede aplicar en tales casos. (Nota: un aislante puede considerarse como un semiconductor de banda prohibida muy grande). Además, el método DLTS estándar basado en capacitancia transitoria puede no ser muy adecuado para el estudio de trampas en la región i de un diodo pin, mientras que la DLTS basada en corriente transitoria (I-DLTS) puede ser más útil.

TSC se ha utilizado para estudiar trampas en sustratos de arseniuro de galio (GaAs) semi-aislantes. También se ha aplicado a materiales utilizados para detectores de partículas o detectores semiconductores utilizados en investigación nuclear, por ejemplo, silicio de alta resistividad , telururo de cadmio (CdTe), etc. TSC también se ha aplicado a varios aislantes orgánicos. TSC es útil para la investigación de electretos . Modificaciones más avanzadas de TSC se han aplicado para estudiar trampas en películas delgadas dieléctricas ultradelgadas de alta κ . WS Lau (Lau Wai Shing, República de Singapur ) aplicó corriente estimulada térmicamente de polarización cero o corriente estimulada térmicamente de polarización cero con gradiente de temperatura cero a muestras ultradelgadas de pentóxido de tantalio . Para muestras con algunas trampas superficiales que pueden llenarse a baja temperatura y algunas trampas profundas que pueden llenarse solo a alta temperatura, una TSC de dos escaneos puede ser útil como sugirió Lau en 2007. TSC también se ha aplicado al óxido de hafnio .

La técnica TSC se utiliza para estudiar materiales dieléctricos y polímeros. Se han desarrollado diferentes teorías para describir la curva de respuesta de esta técnica y así calcular los parámetros de pico, que son la energía de activación y el tiempo de relajación.

• von Heinrich Frei y Gerhart Groetzinger, «Liberación de energía eléctrica durante la fusión de electretos» (traducción al inglés del título original en alemán), Physikalische Zeitschrift, vol. 37, págs.  720-724 (octubre de 1936). (Nota: Esta podría ser la primera publicación sobre corriente estimulada térmicamente).
• Šantić, B.; Desnica, UV (1990-06-25). "Espectroscopia del efecto termoeléctrico de niveles profundos: aplicación al GaAs semi-aislante". Applied Physics Letters . 56 (26). AIP Publishing: 2636– 2638. Bibcode : 1990ApPhL..56.2636S . doi : 10.1063/1.102860 . ISSN 0003-6951 . 
• WS Lau, "Técnica de corriente estimulada térmicamente sin gradiente de temperatura ni polarización para caracterizar defectos en semiconductores o aislantes", Patente estadounidense 6,909,273, presentada en 2000 y concedida en 2005.
• Lau, WS; Wong, KF; Han, Taejoon; Sandler, Nathan P. (2006-04-24). "Aplicación de la espectroscopia de corriente estimulada térmicamente con gradiente de temperatura cero y polarización cero para la caracterización de películas aislantes ultradelgadas de alta constante dieléctrica". Applied Physics Letters . 88 (17). AIP Publishing: 172906. Bibcode : 2006ApPhL..88q2906L . doi : 10.1063/1.2199590 . ISSN 0003-6951 . 
• Lau, WS (2007-05-28). "Similitud entre el primer estado ionizado del doble donador de vacancia de oxígeno en óxido de tantalio y el primer estado ionizado del doble aceptor de vacancia de cadmio en sulfuro de cadmio". Applied Physics Letters . 90 (22). AIP Publishing: 222904. Bibcode : 2007ApPhL..90v2904L . doi : 10.1063/1.2744485 . ISSN 0003-6951 . (Nota: Este artículo explica la espectroscopia de corriente estimulada térmicamente de dos barridos).
• Yousif, MYA; Johansson, M.; Engström, O. (14 de mayo de 2007). "Secciones transversales de captura de huecos extremadamente pequeñas en estructuras HfO ₂ / Hf _x Si _y O _z / p-Si". Applied Physics Letters . 90 (20). AIP Publishing: 203506. Bibcode : 2007ApPhL..90t3506Y . doi : 10.1063/1.2740188 . ISSN 0003-6951 .