Способ определения энергии ионизации глубоких уровней в полупроводниках

 

ОП ИСАНИЕ

И ЗОВРЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Соктв Советских

Социалистических

Республик (и) 3 005221 (6! ) Дополннтельное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 18.05.81 (21) 3291704/18-25 (5I)M. Кл.

Н 01 4 21/66 с присоединением заявки (те твсу4щстееевмй кемвтет

CCCP (23) Приоритет (5Ç) УДК621.382 (088.8) Опубликовано 15.03.83. Бюллетень Мт10

Дата опубликования описания 15.03.83

OO аелем йзебретеевй н втхрьпнй

Гарййш ?Ь i; .- ?, (" ;1,3 (А ."?" " -, . ( йтт йРк?(, t

f (72) Авторы изобретения

Il. Т. Орешкин, А. И. Перелыгин и Ю.

Рязанский радиотехнический институт (?() Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

ИОНИЗАЦИИ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ

В ПОЛУПРОВОДНИКАХ., Е=КТЮи

2 "м

Изобретение относится к полупроводI никовой технике и может быть исполь зовано для контроля материалов и струк тур, используемых для изготовления по лупроводниковых приборов.

Известен способ определения энергии ионизацни глубоких уровней в полу. проводниках основанный на измерении температурной зависимости коэффициента Холла g1) .

Недостатком этого способа является его сложность н высокая трудоемкость изготовления датчиков Холла.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения энергии ионизация глубоких уровней в полупроводниках основанный на подаче на ХДПструктуру прямоугольных импульсов напряжения смещения обратной полярности и измерении времени релаксации емкости (2) .

Недостатком этого способа также является его сложность и высокая трудоемкость обусловленные необходи2 мостью измерения температурной завтмсимости времени релаксапии в широком диапазоне тамператур.

Целью изобретения является упрощение и снижение трудоемкости.

Поставленная пель ° достигается тем, что согласно сйособу основанному на подаче на МДП-структуру прямоугсигных импульсов напряжения смещения обрат ной полярности и измерении времени релаксации емкости, на МДП-структуру подают импульсы напряжения с последовательно возрастающей амплитудой, измеряют при постоянной температуре зависимость времени релаксации емкоюти от напряжения смещения, измеряют максимальное или установившееся время релаксации емкости и вычисляют энергию нонизации глубокого уровня по формуле

3 1 где 1 - максимальное или установив-, шееся время релаксации емкости;

- время максвелловской релакм сации попупроводйика;

5E — энергия йонизации глубоко» го уровня;

- постоянная Больцмана;

Т - температура при которой производятся измерения.

На фиг. 1 приведена диаграмма уров ней энергии, на фиг. 2 - зависимости логарифма времени релаксации от обратного напряжения смещения на кремнивой МДП-структуре при различных температурах; на фиг. 3 - кривые. Я+с (< lT) для У вившихся значений Ьс .

Сущность способа состоит в следующем.

Согласно существующим теориям время релаксации может быть выражьно как с= П ехр ЬЕ1кт, (s) где t 4Х y - максвелловское врем мя релаксации, у .Удельное объемное сопротивление;

2. Г - время сквозного дрейм фа электронов через область пространс 1 венНого заряда.

Ьарьерный слой является макрорелаксатором, к которому применена формула (1 ) .

После тепловой генерации электронов с поверхностных состояний полупроводника И -типа они дрейфуют в поле инверсного и. обедненного слоя за время Я. 1„,.- Уровень Ферми на поверхною» ти полупроводника находится на наибольшей глубине, поэтому наиболее вероят на темновая генеращся электронов с глубоких центров Е (см. фиг. 1) в то время как в области пространствен ного заряда (ОПЗ) тепловая генерация менее вероятна. При достаточно большом смещении реализуется сквозной дрейф электронов через барьерный слой, что приводит к изменению его емкости.

Следовательно, в результате приближения уровня Ферми (Ey ) н уровням глубоких центров Q. на поверхй1и!ти полупроводника прй наложении обратно го напряжения достаточно большой величины наблюдается интенсивная тепловая

005221 4

Таким образом, после включения обратного напряжения на МДП-структуру наблюдается релаксация по (1 ), причем величину (," можно найти как время ф всего переходного процесса, в течение которого изменяется емкость

МДП-структуры. Переходной процесс заканчивается через вполне определен»

40 ное время 1С, которое можно зафиксировать с погрешностью не более 10%, поскольку с помощью запоминающего, осциллографа легко сделать отсчет визуально. На фиг. 2 приведены кривые г как функции обратного смещения на кремниевой МДП-структуре при различных температурах. Наблюдается

Увеличение с ростом обраатного нап» ряжения до некоторого установившегося (максимального) значения. Последнее и соответствует с. по (l ) . Поскольку = Д ЕХр Ь Е /устроят зависим ть (gal = (1/Т и находят Ь| для различных значений обратного напряжения и, в часъЫ ности, для установившегося (максимального) ñ Отсюда определяют Ь Е и сравнивают + с 1," при расчете по формуле(1) . Как показал эксперимент, 5

2$

30 генерация электронов с центров Е. и их,последующий сквозной дрейф через слой ОПЗ. В связи с этим поверхносч ные доноры заряжаются положительно, изгиб зон уменьшается, так что уменьшается и толщина слоя ОПЗ, а следовательно, его емкость возрастает .

Темп процесса опреД мяется по формуле (1). Процесс завершается, когда глубокие центры- доноры оказываются иониэированными.

Аналогичная картина наблюдается и в полупроводнике р-типа при включении обратного смещения на МОПструктуру. Зоны изгибаются вниз и уровень (квазиуровень) Ферми íà поверхности полупроводника приближается к высоколежащим поверхностным состояниям - акцепторам. Тогда за счет тепловой генерации электронов иэ валентной зоны указанные акцепторы заряжаются отрицательно, а в валентной зоне генерируются дырки, последние дрейфуют сквозь барьерный слой. Так что по формуле (1) будет определяться энергия иониэации глубоких поверхностных центров — акцепторовь,Е=Е, и величина 2 Г„,есть время сквозт ного дрейфа дырок. Изменение емкосги барьерного слоя оценивается аналогично.

5 1005 установившееся значение + можно при-, равнять по (1) .

Следовательно, приравнивая установившееся (максимальное) значение С по формеле (1) можно рассчитать b,%. если известны КТ ..

Пример. На фиг. 3 приведены кривые =Ц для установигшихся значений ф, и по наклону этой линейной зависимости bЕ = 0,74 + 0,02 эВ; 1е

Поскольку здесь $ = 50 Ом см при

К Г-- 0,02 6 эВ, X = 5 10 с. По формуле (1) ф = 18 с . Экспериментальное значение %о= 17 с, следовательно Ьс 1

Необходимо подчеркнуть, что даже прн значительном изменении 4 величина hE меняется немного, поскольку зависимость экспонентцнальная. Напрь мер, при изменениях + в два раза (при 20 заданных значениях ЬЕ 0,7 эВ) вели. чина ДЕ изменяется лишь примерно на одну сотую электровольт. Т.е. способ имеет высокую чувствительность и точность. 2$

Предлагаемый способ отличается высокой точностью, поскольку величина.-Ь экспериментально определяется с погрешностью порядка 10%, что может отразиться лишь на третьем знаке. после запятой в АЕ, .т.е. на тысячных долях электронвольт. Способ отличается простотой, экспрессностью, не требует спеш ального сложного оборудовагля.(в частности, не нужен дискриминатор или

НСГУ спектрометр), в связи с этим

33 обладает более высокой технико-экономи. ческой эффективностью по сравнению с используемыми ранее.

Формула изобретения

Способ определения энергии ионизаmm глубоких уровней в полупроводни221 4 ках, основанный на подаче на МДП-структуру прямоугольных импульсов напряжения смещения обратной полярности и измерении времени релаксации емкости, отличающийся тем, что, с цел;ью упрощения и снижения трудоемкости, на МйП-структуру подают импуль сы напряжения с последовательно возрастающей амплитудой и:-меряют при постоянной температуре зависимость времени релаксации емкости от напряжения смеще ния, измеряют максимальное время ре лаксации емкости и вычисляют энергию ионизапии глубокого уровня и по форм » ле где — максимальное или установив шееся время репаксации ем кости; — время максвелловской репак» садки полупроводника.

J Е - энергия ионизации глубокого уровня;

К - постоянная Больцмана;

7 - температура, при которой производятся измерения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Андроник И. К, и др. Положение глубоких энергетических уровней в кристаллах теллурида пинка. Сб. Совещание по глубоким центрам в полупроводниках. 1972, Одесса, 1972, с. 13.

2. Гольдберг Ю. А., Седов В. Е.

Определение параметров примесных ато мов в Со Ьр-и переходах методом релаксации емкости. Физика и техника полупроводников . Т. б, 1972, N 7, с. 1383-1385.

1005221

100522k

100522 1

ВНИИПИ Заказ 1917/73 Тираж 701 Подписное

Филиал ППП Патент, г. Уж горса, ул. Проектная 4