Способ определения квантомеханического фактора вырождения глубоких центров в полупроводнике

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОМЕХАНИЧЕСКОГО ФАКТОРА ВЫРОЭДЕНИЯ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ, преимущественно содержащем мелкую легирующую примесь, основанный на измерении вольтфарадных характеристик , отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширегшя класса исследуемых материалов , на поверхности полупроводника формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика с пассивированной границей раздела полупроводникдиэлектрик в пограничном слое полупроводника создают глубокие центры с концентрацией 5г10 до глубины , , выбранной из условия E(kT,) i ekT, е )4,N где Т и Т, - температуры в градусах Кельвина, выбранные в интервале, ограниченном температурой, при которой концентрация неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 N, и температурой вымораживания мелкой примеси в полупроводнике, причем Т 7 Т , - диэлектрическая проницаемость полупроводниi ка; К - постоянная БольцманаСЛ энергия глубокого центра в полупроводнике , отсчитанная от дна зоны основных носите лей; Ерэнергия Ферми в объеме полупроводника, отсчисо танная от дна зоны основных носителей; - заряд электрона; А/ - концентрация легируюо щей примеси, ; Од вольтфарадные характеристики измеряют при температурах Т и Т, , определяют энергетические спектры пограничных состояний на границе полупроводник-диэлектрик с учетом температурного размытия функции Ферми и по i, взаимному сдвигу полученных спектров определяют квантомеханический фактор вырождения глубоких центров .

СО}03 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄ SUÄÄ 1098466 (si)d Н 01 L 21/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ! . сТ

< " г.

qpq, й

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

М ABT0PCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 354 1777/ 18-25 (22) 21.01.83 (46) 30.09.85. Бюл. Ф 36 (72) В.Г. Приходько и А.Н.Пономарев (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР .(53) 671 382(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 813329, кл..С 01 R 31/26, 1977.

Trohman S. et а1. Acceptor Levols of High Ререпегасу in /nO Devided from Combined Space Charge

Capacitance and He1I Effect Data.

3. Ph> s. and Chem. Sal. 1981, v. 42, 10, р. 67-94. (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОИЕХАНИЧЕСКОГО ФАКТОРА ВЫРОЖДЕНИЯ

ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ, преимущественно содержащем мелкую . легирующую примесь, основанный на измерении вольтфарадных характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и рacширения класса исследуемых ма— териалов, па поверхности полупроводника формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика с пассивированной границей раздела полупроводникдиэлектрик в пограничном слое полупроводника создают глубокие центры с концентрацией 5;10 — 5 10 см до глубины 8, выбранной из условия где Т„и Т вЂ” температуры в градусах

Кельвина, выбранные в интервале, ограниченном температурой, при которой концентрация неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 N и температурой вымораживания мелкой примеси в полупроводнике, причем Т 7 Т

"t — диэлектрическая проницаемость полупроводника; Я

К вЂ” постоянная Больцмана энергия глубокого центра в полупроводни- ( ке, отсчитанная от дна с зоны основных носителей;

Е<- энергия Ферми в объеме

Фивы полупроводника, отсчи- Ф танная от дна зоны CO основных носителей QO — заряд электрона фЬ

М вЂ” концентрация легирую. фф щей примеси, Cb вольтфарадные характеристики измеряют при температурах Т1 и Т, определяют энергетические спектры пограничных состояний на границе полупроводник-диэлектрик с учетом темпера- В турного размытия функции Ферми и по». взаимному сдвигу полученных спектров определяют квантомеханический фактор вырождения глубоких центров.

1098466

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения дараметрон глубоких центров в полупроводнике, а именно квантомеханического фактора вырождения глубоких центров.

Зарядовое состояние глубоких центров существенным образом влияет на роль глубоких центров в процессах генерации и рекомбинации неравновесных 10 носителей в полупроводниках. Зто = определяет рабочие характеристики це лого ряда приборов класса ПЗС, фотоприемников и т.д. При наличии квантомеханического вырождения зарядовое 1 состояние глубокого центра. зависит не только от положения уровня Ферми относительно уровня глубокого центра, но и от значения кнантомеханического фактора вырождения глубок го центра.

При этом влияние вырождения может быть существенным.

Известен способ измерения параметров глубоких центров н полупроводниках, основанный на измерении времени релаксации от амплитуды импульсов напряжения (1).

Недостатком этого способа является его непригодность для определения квантомеханического фактора 30 вырождения глубоких центров н полупроводниках.

Наиболее близким является способ определения кнантомеханического фак- тора вырождения глубоких центров

B полупроводнике, преимущественно содержащем мелкую легирующую примесь, основанный на измерении вольтфарадных характеристик. Способ реализуют следующим образом. Используют gp монокристаллический полупроводник в котором концентрация глубоких уровней много больше концентрации мелкой легирующей примеси.

В диапазоне температур 100-500 К измеряют температурные зависимости холловского напряжения и проводимости исследуемого полупроводника, по которым определяют эффективную концентрацию глубоких центров в gp объеме полупроводника. Помещают полупроводник.в электролит и измеряют нольтфарадную характеристику грани цы раздела полупроводник-электролит, по которой рассчитывают концентрацию у глубоких центров вблизи границы раздела полупроводник-электролит. Предполагая, что истинная концентрация глубоких центров н объеме полупроводника и вблизи границы раздела полупроводник-электролит одинакова, по отношению эффективной концентрации к концентрации на границе находят кнантомеханический фактор вырождения глубоких центров..

Недостатками способаявляется его низкая точностьи ограниченныйкласс полупроводниковых материалов, которые могут быть. исследованы даннымспособом.

Низкая точность обусловлена следующими факторами: концентрации глубоких центров в объеме полупроводника и вблизи границы раздела полупроводник-электролит могут отличаться в 2-3 раза, н частности из -за сегрегации;.точность определения концентрации глубоких центров на границе раздела полупроводник-электролит существенным образом зависит от состояния поверхности полупроводника и концентрации поверхностных состояний,. которая плохо контролируется. Ограничение класса исследуемых материалов обусловлено тем, что при измерениях нольтфарадной характеристики необходимо отсутстние утечек тока через границу раздела полупроводник-электролит, что обеспечивает только при исследовании широкозонных полупроводниковых материалов, таких как ZnO, ZnS, ZnSe, а н случае таких широко распространенных материалов, как кремний и германий,,практически недостижимо.

Целью изобретения является повышение точности и расширение класса исследуемых материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения квантомеханического фактора вырождения глубоких центров в полупроводнике, преимущественно содержащем мелкую легирующую примесь, основанном на измерении вольтфарадньгх характеристик, на поверхности полупроводника формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика с пассинированной границей раздела полупроводник-диэлектрик, и в пограничном слое полупро- . водника создают глубокие центры с концентрацией 5 -10 - 5- 10 " см до глубины,f, выбранной из условия

Р1 Т

Флс М

10984бб где Т„и Т вЂ” температуры в градусах

Кельвина, выбранные в интервале, ограниченном температурой, при которой концентрация неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 N, и температурой вымораживания мелкой примеси в полу1О проводнике, причем

Т 7 т

1 — диэлектрическая проницаемость полугроводника

Э

k — постоянная Больцмана;

Š— энергия глубокого центра в полупроводнике, отсчитанная от дна зоны основных носителей, E — энергия Ферми в объеме

F полупроводника, отсчитанная от дна зоны основных носителей;

Я, — заряд электрона;

М вЂ” концентрация легирующей примеси.

Вольтфарадные характеристики измеряют при температурах Т„ и 1; . опре— деляют энергетические спектры погра- 30 ничных состояний на границе раздела полупроводник †диэлектр с учетом температурного размытия, функции Фер— ми и по взаимному сдвигу полученных спектров определяют квантомеханичес- 35 кий фактор вырождения глубоких центров.

Способ осуществляют следующим образом.

На поверхности исследуемого полу- 40 проводника, содержащего мелкую легирующую примесь, формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика, т.е. слой с толщиной, превышающей о

100 А. При формировании этого слоя 45 создают условия, обеспечивающие получение пассивированной границы раздела полупроводник-диэлектрик, в случае использования в качестве исследуемого полупроводника кремния слой диэлек- 50 трика формируют окислением поверхности кремния в сухом кислороде с последующим отжигом в азоте, что дает плот.ность поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик в сере- 55

-2 дине запрещенной зоны ме,ьше 109 см эв

В пограничном слое полупроводника создают глубокие центрь с концентрацией 5- 10 "" — 5 -10" см квантоме— ханический фактор вырождения которых необходимо определить. Глубокие центры могут создаваться имплантацией примеси, которая дает в запрещенной зоне полупроводника глубокие центры, воздействием на полупроводник радиационных излучений, введением краевых дислокаций и т.д. При заданных пределах концентрации глубоких центров (5 -10 — 5 -10 см ) плотность пограничных состояний, обусловленная глубокими центрами, лежит в пределах

5 10 — 5 -10 3см 2эВ ".. При этом точность определения энергетического спектра пограничных состояний, обусловленная этими центрами, лучше

0,57.. При концентрации глубоких центров больше верхнего предела невозможно определять энергетический спектр пограничных состояний, так как при таких больших концентрациях для определения энергетического спектра к полупроводнику требуется прикладывать большие электрические поля, которые пробивают диэлектрик.

Нижний предел по концентрации обусловлен необходимой относительной точностью определения энергетического спектра пограничных состояний, требуемой при учете температурного размытия функции Ферми. Глубокие центры в пограничном слое полупроводника создают до глубины величину которой определяют из соотношения (1). В этом соотношении значения К, k, Е и М известны, величину Е энергии глубокого центра задают при создании глубоких центров в полупроводнике, температуры т Т2 выбирают в интервале, 1 ограниченйом температурой вымораживания мелкой примеси в полупроводнике и температурой, при которой концентрация неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 и т.е. температурой, при которой можно пренебречь вкладом неосновных носителей в концентрацию носителей в; объеме полупроводника. Нижний предел

pro f определяется минимальным энергетическим размытием пика энергетического спектра пограничных состояний, обусловленным пространственным распределением глубоких центров, при котором энергетический спектр можно определять с точностью не хуже 5Х.

С выходом за этот предел растут

1098466 ошибки вычислений, которые не позволяют определить спектр с требуемой точностью. Верхний предел по 1 соответствует той глубине, при превышении которой глубокие центры, созданные в пограничном слое полупроводника, не дают заметного вклада в энергетический спектр пограничных состояний ° 10

В полученной таким образом струк— туре при температурах Т„и Т2 определяют энергетические спектры пограничных состояний. Для измерений может использоваться кназистати- 15 ческий метод, метод низкочастотных вольтАарадных характеристик, метод проводимости и др. При обработке экспериментальных данных необходимо испольэовать методику расчета, которая позволяет учесть температурное размытие функции Ферми, что позволяет наблюдать проявление квантомеханического фактора вырождения глубоких центров по взаимному сдвигу энергетических спектров пограничных состояний, полученных при температурах T„и I 2

IIo взаимному сдвигу d E полученных энергетических спектров пограничных ЗО состояний по энергии, обусловленному различием температур Т1 и Т2 определяется фактор вырождения, который равен

35 = ехp(4е/ (т — т J)

При этом, чем больше разность

Т1 -Т, тем выше точность определения квантомеханического фактора вырождения. Желательно, чтобы разность

Т -Т2 была не меньше 0,1 Т . В этом

1 случае обеспечивается достаточная точность определения фактора вырождения при приемлемом времени математической обработки данных.

Пример. Пластина кремния .и— типа легирована фас ором до концентрации N =3 10 см . Границы выбора температур 60К (T2 (Т < 450 К.

Выбираем, исходя из удобства измерений, температуры Т„ =330 К, Т = 2?З.К. Энергия глубокого центра

Е =0,46 эВ; E =0,1 эВ; f =-11,8, =4,8-10 " åä.çàðÿäà СГСЭ, к=1,38 к

410 бэрг/ град. 55

Нахрдим из условия диапазон по : 700 А 42200 А. Выбираем 5 ?00 А

Окйсляют пластину с использованием стандартного режима производства интегральных МОЛ-схем. При этом образуется пассированная граница раздела полупроводник-диэлектрик.

Выбирают толщину слоя окисла о

1000 A. Через окисел методом имплантации в кремний имплант руют ионы кремния с энергией 120 кэВ дозой

1011 см . На окисел наносят металли11 -2 ческий электрод и структуру отжигают о, при температуре 300 С в течение

30 мин. Таким образом н приповерхностном слое кремния создается гауссообразное распределение глубоких центров по координате с концентрациеи 6 ° 10 1 сМ 2 с центр ления на расстоянии от диэлектрика о

300 А и полушириной распределения

300 А. Методом низкочастотных вольтфарадных характеристик при температуре Т„ и Т„ находят с учетом температурного размытия функции Ферми энергетические спектры пограничных состояний границы раздела полупровод— ник-диэлектрик и по взаимному темпеl ратурному сдвигу этих спектров определяют квантомеханический фактор вырождения глубоких центров в энергией 0,46 эВ от дна эоны проводимости.

По предлагаемому способу точность определения фактора вырождения глубоких центров в объеме полупроводника увеличивается вследствие устранения влияния на результаты измерений различия концентраций глубоких центров в объеме полупроводника и н приповерхностной области, устракения влияния на результаты измерений поверхностных состояний утечек через границу раздела полупроводникдиэлектрик. Отсутствие утечек на границе раздела полупроводник-диэлектрик при осуществлении предлага— емого способа позволяет использовать его для определения фактора вырождения в любых материалах, н том числе германии и кремнии. Теоретическая оценка определения квантомеханического фактора вырождения показывает, что относительная точность определения УЕ/E 6 — —;,— и пря T -Т

004 Т1

Т -T г

1 2

0,1 Т1 dV/ f — 0,4, где d"f — ошибка определения f . При увеличении разности (Т „-Тг) ошибка определения

1098466

Редактор 0.Юркова Уехред 0.Ìèãóíoâà Корректор, Л.Бескид

Заказ 6646/4 Тираж 678 .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам. изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,.4

f может быть уменьшена до нескольких процентов. Так, в случае исслецования кремния разность температур (Т1 -Т ) может быть выбрана равной

250-300 К. В этом случае ошибка составит 4-57.