Способ измерения напряжения пробоя барьерного контакта к арсениду галлия n -типа проводимости

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОБОЯ БАРЬЕРНОГО КОНТАКТА К АРСЕНИДУ ГАЛЛИЯ п-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ, заключающийся в том, что часть поверхности образца, являющуюся анодом электрохимической ячейки, приводят в контакт с электролитом, производят анодирование в темноте при постояннойплотности тока, затем освещают образец белым светом, создающим освещенность не менее 7000 лк, и . определяют напряжение пробоя по величине изменения падения напряжения на электрохимической ячейке в момент включения света, о тличающийся тем, что, с целью повышения достоверности, контакт поверхности образца с электролитом осуществляют на площади не более 3 мм, анодирование в темноте ведут в течение 3-8 с при плотности тока 0,3-1 мА/см о

СОЮЗ СОВЕТСНИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (gg 4 Н 01 L 21/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 3637628/18-25 (22) 30.08.83 (46) 23.08.89. Бюл. М 31 (72) С.Н.Филиппов и С.Д.Братишко (53) 621.382(088.8) (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

ПРОБОЯ БАРЬЕРНОГО КОНТАКТА К АРСЕНИДУ ГАЛЛИЯ и-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ, заключающийся в том, что часть поверхности образца, являющуюся анодом электрохимической ячейки, приводят в контакт с электролитом, производят анодирование в темноте при постояннойИзобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для измерения напряжения пробоя барьерного контакта к арсениду галлия и-типа проводимости.

Известен способ измерения напря-. жения пробоя барьерного контакта к арсениду галлия и-типа проводимости.

С помощью двух прижимных вольфрамовых зондов, состоящий в том, что зонды прижимают к поверхности измеряемой пластины и прикладывают к ним постоянное напряжение смещения.При этом один из точечных контактов работает как обратносмещенный барьер

Шоттки, напряжение пробоя которого определяют по его. вольт-амперной характеристике.

Основным принципиальным недостатком данного способа является неудовлетворительная точность получаемых результатов, что связано с низкой воспроизводимостью параметров барьерного контакта, формируемого с помощью прижимного зонда.

„„SU„11 1400 А

2 плотности тока, затем освещают образец белым светом, создающим освещенность не менее 7000 лк, и. определяют напряжение пробоя по величине изменения падения напряжения на электрохимической ячейке в момент включения света, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности, контакт поверхности образца с электролитом осуществляют на площади не более 3 мм, анодирование в темноте ведут в течение 3-8 с при плотности тока 0,3-1 мА/см .

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения напряжения пробоя барьерного контакта к арсениду галлия и-типа проводимости, заключающийся в том, что часть поверхности образца, являющуюся анодом электрохимической ячейки, приводят в контакт с электролитом, производят анодирование в темноте при постоянной плотности тока, затем освещают образец белым светом, создающим освещенность не менее

7000 лк, и определяют напряжение пробоя по величине изменения падения напряжений на электрохимической ячейке в момент включения света.

В этом способе устраняются недостатки, связанные с применением прижимных зондов, и достигается значительное снижение как систематической, так и случайной составляющих ошибки измерения. Однако при использовании способа для контроля субмикронных (c1 мкм) структур арсенида галлия возникают трудности, обусловленные

1131 тем, что на стадии темнового анодирования, осуществляемого в течение 30

10 с при плотности тока 1-3 мА/см

2 часть измеряемой пленки арсенида га глия переходит в оксид, Вследствие этого измерения напряжения пробоя U производятся фактически на барьере„ сформированном не на исходной поверхности пленки, а на глубине, соответствующей толщине оксидированного слоя арсенида галлия.

На структурах арсенида галлия с существенно неоднородным профилем легирования по глубине (как на структурах с субмикронными слоями) U„ сильно возрастает с увеличением расстояния от поверхности. Поэтому систематическое расхождение значений U полученных на входном контроле такой структуры известным способом и на испытаниях сформированных на ее основе реальных активных элементов (приборов), может быть весьма значительным, что снижает достоверность входного контроля.

Оптимальным является входной контроль U при котором барьер располагается на той же глубине, что и в реальном приборе. Для этого необходимо добиваться минимизации толщины удаляемого слоя арсенида галлия в процессе контроля U„> .

Цель изобретения †повышение дсстоверности результатов.

Цель достигается тем, что в спс:— собе измерения напряжения пробоя барьерного контакта к арсениду галлия п-типа. проводимости, заключающемся в том, что часть поверхности образца, являющуюся анодом электрохимической ячейки, приводят в контакт с электролитом, производят анодирование в темноте при постоянной плотности тока, затем освещают образец белым светом, создающим освещенность не менее 7000 лк, и определяют напряжение пробоя по величине изменения падения напряжения на электрохимической ячейке в момент включения света, контакт поверхности образца с

1 электролитом осуществляют на площади не более 3 мм, анодирование в темноте ведут в течение 3-8 с при плотности тока О, 3-1 мА/см .

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа измерения напряжения пробоя.

400 4

Устройство содержит образец 1, предметных столик 2, алюминиевую трубку 3, эластичное диэлектрическое кольцо 4, анод 5, электролит 6, источник 7 постоянного тока, прижимной контакт 8, источник 9 питания, лампу 10 накаливания, кнопку !

1, измерительный прибор 12, !

О

На фиг.2 представлена зависимость времени готовности от площади анода: кривая 13 получена при И=8 10 см

16

Т =0,3 мА/см кривая 14 — при N

4 "10 см -, I11= 0,5 мА/см; кривая !

5 — при И- 1 10 см,I —,0 мА/см штриховой линией изображена вероятностная кривая, рассчитанная,ля величи1.-ы плотности дефектов, равной

20 20 см 2.

На фи".3 показаны вольт-амперны1е ° характеристики, снятые на образцах с различной концентрацией носителей тока: кривая 16 для N-7>0 10 см

15 -3. кривая 17 для N=1,8.10 см "; кривая ,Я мЯ

18 для N=.6,0 10 см ; кривая 19 для

И=1,0 0 см - ; при этом Ба =3 10 см, а штриховой линией о!мечен уровень

30 полного тока обеспечивающий I

5 а

О, 3 мА/см .

Сущность спс соба состоит в следующем.

На стадии темнового анодирования

11 11 происходит залечивание дефектов, попавших в область анода, что способствует повышению точности получаемых результатов. Стабилизация значения на максимальном уровне в процессе темнового анодирования при заданной величине плотности тока (Ха) свидетельствует о готовности образца к измерениям. Подобные измерения выполнялись при различных плотностях тока и площади анода, изменяющейся от 150 до 3 мм .

Было найдено, что время выхода кривой П„= (Iä) на насыщение (время готовности t ) при прочих равных

50 условиях зависит от плошади анода (Яд). Причем, начиная от больших площадей до S 25 мм2, t практически не меняется, а затем, вплоть до 3мм

2 монотонно уменьшается, принж1ая при Яа = 3 мм и I =0,3 мА/см значение t1- = 8 с.

Установлено также, что найденные предельные значения Т и. С„ пракПример. К рабочей поверхно-..т.. сти образца I .арсенида галлия, размещаемого на металлическом предметном столике 2, прижимают алюминиевую трубку 3; Место контакта ее с поверхностью образца уплотняют посредством эластичного диэлектрического кольца 4 с диаметром отверстия, ограничивающего площадь анода, равным 2 мм. Электролит 6 готовили смещением 37-ного водного раствора лимонной кислоты (рН доводили до 6,0 добавлением аммиака) с этиленгликолем в соотношении 1:6. После заполнения трубки электролитом обеспечивали локальный контакт электролита с анодом на площади около 3 мм . Поло2 жительный потенциал от источника 7 постоянного тока подают на анод путем создания прижимного контакта 8 к поверхности образца. Отрицательный потенциал .прикладывают к алюминиевой трубке, внутренняя поверхность которой служит катодом электрохими ческой ячейки. Использовали прибор с входным сопротивлением 10 МОм. Уста3 навливают на источнике 9 питания осветительной лампы 10 накаливания, располагаемой напротив верхнего отверстия трубки 3, напряжение накала, обеспечивающее освещенность анода

7000 лк, а на источнике 7 тока устанавливают ток 9,0 мкА (что соответствует I< = 0,3 мА/см ). Подают иаф пряженке на ячейку и через 8 с нажатием кнопки 11 включают лампу на

5 11314 тически не меняются с изменением концентрации носителей тока в образце арсенида галлия от 1 10 до 1 ° 10 см .

<5 и

При дальнейшем уменьшении Я при Iä

= 0,3 мА/см возрастала нестабильность измерений и при этом наблюдалась тенденция к уменьшению U„ . Последнее может быть связано с возрастающим влиянием краевого эффекта. L

Кроме того, при S а 1,8 мм возникают трудности чисто технического характера, связанные с залипанием электролита в канале малого диаметра и ограниченностью в выборе типа источника тока, обеспечивающего хорошую стабкпьность на уровнях ниже 9 мкА.

При использовании S z ) 3 мм не будет обеспечиваться условие максимального приближения барьерного контакта к исходной поверхности измеряемого образца.

Как показали измерения вольт-амперной характеристики электролитического барьера, проведенные на эпи- 25 таксиальных структурах арсенида галлия и-п -n++ -типа с концентрацией

Г носителей тока, лежащей в диапазоне (7-100) ° 10 см, при I не менее

0,3 мА/см гарантируется достижение Зд в области пространственного заряда напряженности поля, соответствующей началу лавинной генерации неосновных носителей тока, что проявляется на вольт-амперной характеристике в виде резкого нарастания обратного тока.

Максимальное значение Iä принято равным 1,0.мА/см, при этом t Зс.

При дальнейшем увеличении Х возрастает скорость оксндирования арсенида галлия, à t„ сокращается, что сильно осложняет контроль толщины слоя, удаляемого с поверхности образца в процессе измерения. 45

При анодировании арсенида галлия в гальваностатическом режиме скорость. роста оксидной пленки изменяется прямо пропорционально плотности тока. Установлено, что при анодиров анин в гликолевом электролите зависимость скорости перехода арсенида галлия в оксид (Vz ) от Х, может врыть записана в виде Ч = 4,2 - Хд, А /с, где

Iä выражена в мА/см, а величийа

4,2 — экспериментально найденный коэффициент который выражается в

А см .- с ° мА 1 . Учитывая это, легко показать, что за время темнового

00 . 6 анодирования при использовании известного и нового способов с поверхности. измеряемого слоя будет удаляться соответственно около 125 А и

12 А арсенида галлия.

Наблюдаемый экспериментально факт сокращения времени готовности образца к измерениям с уменьшением площади барьера можно объяснить уменьшением вероятности попадания дефекта в область этого барьера (P) при постоянной плотности дефектов в пленке.

Это предположение подтверждается сходством характера кривых зависимости „ и Р от Sa. Зависимость P(8 ) была рассчитана по известному уровню Пуанссона. Расчет выполнен для

-2 значения плотности дефектов 20 см обеспечивающей начало Р при экспериментально наблюдаемом значении .S<=-25 мм

1131400 рах арсенида галлия n>-n+ -и -n> n типа, используемых для создания высокоэффективных лавинно-пролетных

5 диодов (ЛПД) с барьером Шоттки.

Данная структура включает слои, которые согласно паспорту имеют следующие параметры:

»с толщина слоя d = 0,15 мкм; N = 3,0 !О см ;

d = 0,15 мкм, N = -1„5 ° 10" см

d = 4,0 мкм; N = 8,0 " 10 см сильнолегированный буферный слой с N 1 10 см

»В -Э сильнолегированная подложка с N = 2 10 см и», n+; и п» и+ — 1 0.,1,8

-4;7

3,7

28,7

43,2

32,0

27,3

-16,0

-8,7

-9,8

-19,5

42,4 37,2 39,0 4,6

33,5 30,0 30,5 1,6

26,3 23,7 22, 1 -7,7.

3

3-4 с. После выключения лампы отключают источник тока от ячейки,Напряжение пробоя определяют по величине скачка потенциала с помощью измерительного прибора )2„.

Опробование нового способа проводилось на эпитаксиальных структуВыбор многослойной структуры для проведения серии измерений определяется тем, что согласно теоретическому расчету в таких структурах Uïð при прочих равных условиях определяется толщиной поверхностного слоя с низкой концентрацией. Причем с уменьшением. толщины этого слоя происходит плавное возрастание величины Б

Таким образом, утоньшение и -слоя на

1 25 стадии темнового анодирования в процессе измерений Uä известным методом должно приводить к увеличению U„ по сравнению с его значениями, полученными на исходной поверхности, как это имеет место в реальных структурах. Учитывая достоинства нового способа (малая толщина стравливаемого слоя арсенида галлия на стадии темнового анодирования), следует ожидать лучшей сходимости результатов при 35 его использовании на входном контроле зпитаксиальнь|х структур.

Результаты измерений U „ на исходных эпитаксиальных структурах, выполненных двумя способами-известным 40 и новым, и измерения U „ на структурах ЛПД представлены в таблице.

В указанной таблице представлены также результаты измерений U < новым

Р способом на тех же образцах арсенида галлия, но после их предварительного анодирования с целью удаления с поверхности части арсенида галлия.

Режим анодирования подбирали -.àêèì чтобы последующие измерения П q осу-, Г ществлялись на том же расстоянии от исходной поверхности, что и при измерениях известным способом. Это условие выполнялось при анодировании при

I. =0,5 мА/см в течение 55 с.

Из таблицы видно, что сходимость значений U „, полученных новым способом, с результатами испытаний структур ЛПД гораздо лучше, чем при использовании известного способа.

Кроме того, приведенные данные свидетельствуют в пользу высказанного. предположения о причине улучшения сходимости, Таким образом, новый способ обеспечивает хорошую сходимость результатов (1,6-7,7Е), полученных на входном контроле эпитаксиальных структур и при испытании реальных приборов.

Применение нового способа на входном контроле тонких и сверхтонких эпитаксиальных структур арсенида галлия и, в первую очередь, с неоднородным профилем легирования будет способствовать повышению достоверности последнего.

1131400

s ю isю zs жоюм лотж

Пявцобь акаба(®,ни

Фиа8

1)31400 опряменое(У), В маso юиеоsoо лога ю а

Редактор Л,Письман

Текред М.Моргентал . Корректор Э,Лончакова

Заказ 4921 Тираж 694 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101