Устройство для определения параметров глубоких уровней в поверхностно-барьерных структурах

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫХ.СТРУКТУРАХ, содержащее криостат, источник постоянного смещения, источник импульсного смещения, измеритель емкости, соединенные с помещенной в криостат структурой, блок регулировки температуры , двухкоординатньй самописец, соединенный со стробоскопическим интегратором, содержащим генератор синхронизации, соединенный с источником импульсного смещения, и импульсный интегратор, выполненный на базе дифференциального интегратора и устройства выборки и хранения , соединенный с измерителем емкости , отличающееся тем, что, с целью повышения точности и обеспечения автоматизации измерений, устройство дополнительно содержит цифроанапоговый преобразователь, соединенный с двухкоординатньм (Л С самописцем и стробоскопическим йнтегратором: , который дополнительно содержит блок управления, а блок регулировки температуры и источник импульсного смещения соединены со стробоскопическим интегратором.

„„SU„„11010

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4рц Н 01 1. 21/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н АВТОРС 40МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ структурой, блок регулировки температуры, двухкоординатный самописец, соединенный со стробоскопическим интегратором, содержащим генератор синхронизации, соединенный с источником импульсного смещения, и импульсный интегратор, выполненный на базе дифференциального интегратора и устройства выборки и хранения, соединенный с измерителем емкости, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьыения точности и обеспечения автоматизации измерений, устройство дополнительно содержит цифроаналоговый преобразователь, соединенный с двухкоординатным самописцем и стробоскопическим интегратором который дополнительно содержит блок управления, а блок регулировки температуры и источник импульсного смещения соединены со стробоскопическим интегратором. (21) 3455041/18-25 (22) 23.02.82 (46) 28.02.85. Бюл. У 8 (72) В.И. Турчаников, В.С. Лысенко и В.А. Гусев (71) Институт полупроводников

АН УССР (53) 621.382(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 746347, кл. 6 01 R 31/26, 1979.:, 2.EGE8 Princeton Applied Research

Hodel 161 Baxcar Ачегаяе System,.

1979, р.12 (проспект фирмы США) (прототип). (54) (57) 1 ° УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В

ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫХ . СТРУКТУРАХ. содержащее криостат, источник пос тоянного смещения, источник импульсного смещения, измеритель емкости, соединенные с помещенной в криостат

3>.: \ .,1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1101088

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем что блок управления стробоскопического интегратора содержит схему И. вычитающий и суммирующий счетчики, а также регистр сдвига, соединенные с блоком реИзобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля параметров глубоких уровней в поверхностнобарьерных структурах.

Известно устройство для определения параметров глубоких уровней в поверхностно-барьерных структурах, содержащее источник импульсного тока, источник импульсного напряжения, измеритель емкости, выполненный на генераторе высокой частоты, резисторе, усилителе и амплитудном детекторе связанных с образцом помещень ь

15 кым в криостат, датчик температуры, два стробоскопических преобразователя, каждый из которых, выполнен на двух устройствах выборки-хранения и вычитающем устройстве и связан с измерителем емкости, а также многоканальный регистратор, связанный с датчиком температуры и стробоскопическими преобразователями ГП.

Недостатком этого устройства является низкая точность определения параметров глубоких уровней.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для определения параметров глубоких уровней в поверхностнобарьерных структурах, содержащее криостат, источник постоянного смещения, источник импульсного смещения, измеритель емкости, соединенные 35 с помещенной в криостат структурой, блок регулировки температуры, двухкоординатный самописец, соединенный со стробоскопическим интегратором, содержащим генератор синхронизации, 40 соединенный с источником импульсного смещения, и импульсный интегратор; выполненный на базе дифференциальгулировки температуры и источником импульсного смещения, а импульсный интегратор дбполнительно содержит два последовательно соединенных ключа, включенных между устройством выборки и хранения и дифференциальныминтегратором. ного интегратора и устройства выборки и хранения j2) .

Недостатками этого устройства являются низкая точность, а также отсутствие автоматизации измерений.

Низкая точность обусловлена тем, что устройства выборки-хранения имеют между собой .некоррелированный дрейф. Устройство не регулирует время между моментами измерения емкости структуры, и эту операцию производят вручную.

Целью изобретения является повышение точности и обеспечение автоматизации измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения параметров глубоких уровней в поверхностно-барьерных структурах, содержащем криостат, источник постоянного смещения, источник импульсного смещения, измеритель емкости, соединенные с помещенной в криостат структурой, блок регулировки температуры и двухкоординатный самописец, соединенный со стробоскопическим интегратором, содержащим генератор синхронизации, соединенный с источником импульсно.го смещения, и импульсный интегратор, выполненный на базе дифференциального интегратора и устройства выборки и хранения, устройство дополнительно содержит цифроаналоговый преобразователь, соединенный с двухкоординаткым самописцем и стробоскопическим интегратором, который дополнительно содержит блок управления, а блок регулировки температуры и источник импульсного смещения соединены со стробоскопическим интегратором. Блок управления стробоскопического инте= гратора. дополнительно содержит схему

И, вычитающий и суммирующий счетчики, 1101088 а также регистр сдвига, соединенны: с блоком регулировки температуры и и источником импульсного смещения, а импульсный интегратор дополнительно содержит два пЬследовательно соединенных ключа, включенных между устройством выборки и хранения и дифференциальным интегратором.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы сигналов, в первом и 250-м 10 циклах измерений (фиг. 1,а) и усредненный разностный релаксационный емкостной сигнал с выхода строб-интегратора для этих же серий измерений; на фиг,2: а - напряжение на исследуемой МДП-структуре б — зонная диаграмма МДП-структуры в режимах заполнения глубоких уровней и эмиссии носителей с глубоких уровней; в— изменение емкости структуры; г — вре- 2б менное положение строб-импульсов, задающих моменты выборки значений релаксационного емкостного сигнала; д — выходной сигнал строб-интегратора; на фиг. 3 — схема устройства д для определения параметров глубоких уровней в поверхностно-барьерных структурах; на фиг. 4 — выходные сигналы блоков устройства: а — измерителя емкости; б — стробы устроиства выборки-хранения; в — устройства выборки-хранения, г — первого ключа, д — интегратора; на фиг. 5— диаграммы сигналов блоков устройства.

В состав устройства входят: ис35 точник постоянного смещения 1; гене-. ратор импульсов смещения 2; являющийся источником импульсов смещения; измеритель емкости 3; блок регулировки температуры 4; двухкоординатный 40 самописец 5; стробоскопический интегратор 6; цифроаналоговый преобразователь 7; исследуемая структура 8; криостат 9; генератор синхронизации

10; устройство выборки ихранения 11; ключи 12, 13; дифференциальный интегратор 14; блок управления 15;

tIexeMa И 16; вычитающий счетчик 17; регистр сдвига 18; суммирующий счетчик 19.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1, 2 смещения и измеритель 3 емкости подключены к исследуемой структуре 8, помещенной в крио- 55 стат 9.

Стробоскопический интегратрр 6 выполнен на генераторе 10 синхронизации, УстРойстве 11 выборки хранения двух аналоговых ключах 12. 13. дифференциальном интеграторе 14 и блоке

15 управления, содержащем схему 16 И, вычитающий счетчик 17, регистр 18 сдвига и суммирующий счетчик 19.

Приложение к структуре 8 постоянного смещения 1о от источника постоянного смещения 1 вызывает заполнение глубоких уровней носителями-обогагающий режим. Под действием прилоъ женного к структуре 8 от гейератора импульсов смещения 2 напряжения происходит вывод основных носителей из области локализации глубоких уровней — режим обеднения. При этом меняются электрофизические характеристики структуры, в том числе и емкость.

После начала действия импульса импульсного напряжения происходит процесс релаксации электрофизических характеристик структуры от неравновесных значений к равновесным за счет эмиссии носителей с заполненных глубоких уровней в обедненной области вьппе уровня Ферми в зону проводимости или в валентную зону в зависимости от типа глубоких уровней,фиг.2.

Релаксация емкости структуры описывается функцией (й)+ К®Е г

C(<) = — (1) а 2(ч +ц 1 о A. i .л где и — площадь структуры; — диэлектрическая проницаемость полупроводника; — заряд электрона;

4d — диффузионный потенциал; я — смещение на структуре,"

5 — глубина обедненной области;

Ц вЂ” концентрация мелких примесей;

N(tj — концентрация заполненных глу боких уровней в дачный момент времени (2) где 01 — полная концентрация глубоких уровней данного типа; л — характерная постоянная времени релаксационного процесса.

Обозначим

q,Nà,Е (г

2(ч +V j

Тогда при 1 << М выражение (1) примет вид (-(t)=Cо <+ ехр ь

1101088 релаксационный емкостной сигнал от исследуемой структуры в фиг -м цикле приобретает вид:

При отсчете t от момента подачи им5 пульсного напряжения 1

С(В) =Со 1Ф ЬС(о) ехр - — ) (4)

10 где ЬС(о) — максимальное отклонение неравновесного значения емкости от равновесного значения, имеющее место в момент подачи импульс15 ного напряжения.

Емкость структуры непрерывно измеряется измерителем емкости 3, однако, выборку значений релаксационного сигнала производят для двух моментов времени, 1 в течение каждого релаксационного процесса устройством .выборки-хранения 11, причем интервал между моментами измерения последовательно меняют от цикла к циклу периодическими .релаксационных процессов.

Стробоскопический интегратор 6 формирует усредненный за все повторяющиеся релаксационные процессы s цикле раэностный сигнал емкости структуры дб "

1(Ф1 (nl (М (Ы. (,1 дУ, „.,=с <) -с (, - е р -ц и (nl . t(n

2 8

35 ехр -w дИ "-ехр — — „ 1к ) 2(l (п) (Й

exp - — ë I-ex)x - — „

Р где 0 — порядковый номер цикла; — длительность выборки.

Положение моментов времени 11,1 выборки значений релаксационного

t сигнала в каждом.цикле будет 45

I (в) и (и) и Ь вЂ” = — ц (1 Ъ-1 2 Ъ-< отношение временного положе . (М, ния выборок, которое целе- 50сообразно сохранять постоянным в каждом цикле.

4ц " интервал времени, на крат-. ные значения которого изменяются временные попожения моментов выбор- .55 ки 4, и1 и интервал времени между . ними от цикла к. циклу. С учетом этих выражений усредненный разностный е

«1 ю. )1 Г i te(b6()= (:(1 С() =Cp (1-exp)- — „) к хехр — — „1-ЕхрУсредненный разностный сигнал Д5(имеет максимум в момент времени

,„ в йф цикле, когда интервал выборки () (el (т -,() порядка времени релаксаь ции (, приходится на участок релаксационного сигнала с наибольшей крутизной. Положение максимума разностного усредненного сигнала д5 " определя(С, ) ется из исследования выражения (6) (ъ1 на экстремум «М «0 и момент

d времени, когда сигнал имеет максимум, равен

4„:п„ „,-. 3„g

Расписав характерное время релаксации Г, преобразуем выражение (7) в б (дЕт1

- м, ц (eхр )(т Спи

nn,ð р c,v

* гдето„ - с чение захвата носителя на ! данный глубокий уровень; пр> — тепловая скорость носителей;

М„- (- эффективная плотность состояний в зоне проводимости или валентной зоне полупроводника, куда происходит эмиссия носителей с глубоКОГО УРОвнну й)- — энергетическое положение глубокого уровня; (1 — фактор вырождения.

Ь„,,аЧ>К

Коэффициент С . -, ко-

f торый при эмиссии с глубоких уровней имеет зависимость от температуры, чаще всего меняющуюся по степенному закону Т, т.к. (1> Р и М Г1 2 с„v

Из выражения (8) видно, что поло" жение максимума усредненного разностного сигнала во времени определяется температурой Т, при которой изучают изотермический релаксационный процесс, и энергетическим положением глубоких уровней Ь 6

Проведя серию измерений для двух (по меньшей мере) фиксированных температур (фиг. 2) и определяя поло 1 101088 жение выбранного пика разностного релаксационного .сигнала на оси времени, определяют энергетическое положение глубоких уровней по наклону

Я прямой зависимости 3п 4 ц Т от -«Т при построении которой необходимо знать координаты как минимум двух точек.

Аналитическое выражение для энергетического положения глубокого уровня при проведении серий измере. ний для двух фиксированных температур, как следует из выражения (7). ТТ

hE = — 3й ., (9)

Т-Т„c t, 10

40

Тип глубокого уровня определяют по знаку усредненного раэностного сигнала d6, концентрацию глубоких уровней — по велине d C (о) — максимальному отклонению неравновесного . значения емкости структуры от равновесного.

В момент времени 1 = 0 (момент подачи импульса смещения от генератора импульсов смещения 2) начинает.ся процесс релаксации емкости структуры 8. Одновременно на инвертирующем входе схемы "И" 16 появляется низкий потенциал, разрешающий 30 передачу тактовых импульсов от генератора синхронизации 10 на счетный вход вычитающего счетчика 17 с частотой 31. (и.периодом y). Этот же потенциал закрывает ключ 12. 35

В первый полупериод kT генератор синхронизации 10 выдает высокий потенциал на вход 9 управления режимом регистра сдвига 18 и на вход управления ключа 13 (ключ 13 замыкается) и короткий импульс синхро:низации на вход С синхронизации регистра сдвига 18. При этом происходит запись информации из суммирующего счетчика 19 в регистр сдви- 45

ra 18 ° В начальный момент в суммирующем счетчике 19 записана, единица.

В этот же полунериод от генератора синхронизации 10 на вход С синхронизации вычитающего счетчика 17 50 подается короткий импульс синхрони зации, но которому осуществляется перезапись единицы Hs регистра сдвига 18 в вычитающий счетчик 17.

Во второй полупериод fz по сигна- 55 лу от схемы "И" 16, поступающему на счетный вход вычитающего счетчика

17, на выходе вычитающего счетчика

17 появляется сигнал. Он поступает на вход управления устройством выборки-хранения 11.

Происходит запись уровня напряжения из измерителя емкости 3 в устройство выборки — хранения 11.

С окончанием импульса смещения генератора схема "И" 16 запрещает прохождение тактовых импульсов от генератора синхронизации 10 на счетный вход вычитающего счетчика

17. Одновременно подача высокого потенциала с генератора импульсов смещения 2 на управляющий вход ключа 12 замыкает ключ 12.

Одновременно генератор синхронизации 10 изменяет потенциал на входе М регистра сдвига 18 с высокого на низкий. Этот же потенциал поступает на управляющий вход ключа 13. Ключ 13 подключает неинвертирующий вход дифференциального .интегратора 11 через замкнутый ключ 12 к выходу устройства выборки-хранения 11. Происходит интегрирование значения напряжения, пропорционального величине емкости структу,ры 8, через 1т, после начала релаксационного процесса. Результат хранится в дифференциальном интеграторе

14 до прихода импульса выборки от генератора синхронизации 10 на управляющий вход интегратора 14.

С началом второго импульса смещения от генератора импульсов смещения

2 генератор синхронизации 10 выдает короткий импульс синхронизации на вход С регистра сдвига 18. На входе регистра сдвига 18 в это время низкий потенциал. Происходит сдвиг записанной в регистре сдвига 18 единицы на один разряд влево. Эта информация переписывается в вычитающий счетчик 17. Таким образом, в вычитающем счетчике 17 теперь запи сана "2" и сигнал на выходе вычитающего счетчика 17 появится через два тактовых импульса, т.е. через время

21Т. Через время 2 Т произойдет запись уровня напряжения из измерителя емкости 3 в устройство выборкихранения 11.

Одновременно с генератора синхронизации 10 на управляющий вход ключа

13 и вход М регистра сдвига 18 посту пит высокий потенциал. По этому сигналу ключ 13 подключит инвертирующий вход дифференциального интегра»

I 101088

В начале следующего цикла генератор синхронизации 10 выдает сигнал 50 на счетный вход суммирующего счетчика 19. По этому сигналу содержимое суммирующего счетчика 19 увеличива ется на "1" и время между моментами измерения увеличивается на 2с-(. 55

В каждом последующем цикле (всего ихй„ в пределах серии) содержимое мокс

П II счетчика увеличивается на 1 . В ретора 14 к выходу ключа и во время паузы между импульсами смещения от генератора импульсов смещения 2 (когда ключ 1 замыкается) — к выходу устройства выборки — хранения 11.

Таким образом, во время паузы между импульсами смещения от гене.— ратора импульсов смещения 2 происходит интегрирование со знаком "-" выходного напряжения устройства вы- 10 борки-хранения 11, пропорционального величине емкости структуры через

21 после начала релаксационного процесса.

В результате к началу следую- 15 щего импульса смещения на выходе дифференциального интегратора 14 формируется напряжение

4п (>, =) (u,(t,)-v,р,>)dt (>о> Io о где п — пауза между импульсами смещения;

>J< — напряжение с выхода устройства 11 выборки-хранения. 25

С началом следующего импульса смещения весь процесс пов оряется.

Й раз и к концу цикла напряжение на выходе дифференциального интегратора 14 сбудет п

U»« -- ») (v,(I, -v,(at,>) dt„, l <» > о

В конце цикла от генератора синхронизации 10 на дифференциальный интегратор 14 поступает импульс вы- 35 борки, по которому на выходе дифференциального интегратора 14 появляется сигнал "вык1

Us(„ поступает на одну координату двухкоординатного самописца 5, на вторую координату которого поступает сигнал с цифроаналогового преобразователя 7. пропорциональный сигналу на выходе суммирующего счетчика 19.

Число, записанное в суммирующем счет-45 . чике 19, определяет интервал между моментами измерения. зультате в конце серии на двухкоординатном самописце фиксируется ряд точек, отображающих зависимость

1п (>„,„=>>J (v,(«(д v,(2п1 д)д( о гдей = i

По достижении содержимым суммирующего счетчика 19 числа((о„с+1 с выхода (> суммирующего счетчика 19 в блок регулировки температуры 4 поступает сигнал, разрешающий изменение температуры структуры 8, При этом из блока регулировки температуры 4 поступает сигнал на вход установки в 0 суммирующего счетчика 19, запрещающий проведение измерений во время изменения температуры.

После того как тепловой режим в криостате 9 установится, сигнал установки в "0" с суммирующего счетчика

19 снимается и проводится вторая серия аналогичных измерений при новой фиксированной температуре структуры 8.

Изобретение позволяет повысить точность определЕния параметров глубоких уровней в поверхностнобарьерных структурах и экспрессность измерений. Так как процесс измере- . ний сводится к проведению нескольких серий измерений в установившихся тепловых режимах при разных фиксированных температурах из узкого диапазона температур с изменением интервала времени между моментами выборки значения релаксационного емкостного сигнала, устанавливаемых автоматически от цикла к циклу в серии, что позволяет исключить ошибки измерений, связанные с неустановившимся тепловым режимом, уменьшить неточность установки временных положений моментов выборки значений релаксационного емкостного сигнала, а также точно соотнести измеренные параметры глубоких уровней с температурой. Использование в устройстве одного устройства выборки-хранения исключает некоррелированный дрейф меяду двумя устройствами выборкихранения, присутствующий в устройстве-прототипе, что улучшает отношение сигнал/шум и в конечном итоге повышает чувствительность и точность.

Проведение измерений при нескольких фиксированных температурах из узкого интервала температур исклю11 1 чает .необходимое в прототипе осуществление многократчых процессов нагревание — охлаждение в широком диапазоне температур (77 - 450 К) и по, вышает экспрессность измерений.

101088

Экспрессность измерений повышается также за счет автоматического пере:хода от одной температуры измерений к другой, осуществляемого устрой5 ствомe »о>оии

1 101088

2 т

Ст» fr

Я&с

Я&„ ст

Страд блока И

Имп. снеж ключа Ч

gnp. мюра 13

Вы иэм. C

Ввяод длани 1)

Редактор С. Титова Техред Т.Маточка КорректоР О. Билак

Заказ 564/4 Тираж 679 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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