Неразрушающий способ определения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках и устройство для его осуществления

 

Использование: полупроводниковая техника для неразрушающего контроля параметров полупроводниковых материалов. Неразрушающий СВЧ- способ измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках предусматривает формирование неразрушающих контактов к структуре: со стороны полуизолирующей подложки - жидкого, прозрачного для СВЧ-излучения, а со стороны поверхности проводящего слоя - прижимного. Через данные контакты к n-i переходу пленка - полуизолирующая подложка прикладывают обратное постоянное смещение V_подл, которое изменяет ширину области обеднения n-i перехода, и модулируют толщину n-i перехода, прикладывая через эти контакты переменное смещение v^~_подл , модулируя тем самым проводимость слоя на краю области обеднения n-i перехода, причем сумма v_подл + v^~_подл не превосходит напряжения пробоя n-i перехода. Из измеряемой отраженной СВЧ-мощности выделяют переменную составляющую, из магнитополевой зависимости которой определяют подвижность как функцию обратного смещения, приложенного к n-i переходу, по формуле: , где ΔP_СВЧ - переменная составляющая отраженной СВЧ мощности; μ(v_подл) - - подвижность как функция обратного смещения V_подл; B - магнитная индукция. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для неразрушающего контроля параметров полупроводников, для научных исследований, а также для определения качества материалов, применяемых в полупроводниковом приборостроении.

Основным фактором, сдерживающим развитие СВЧ и сверхбыстродействующей микроэлектроники на основе соединений A³B⁵, является недостаточно высокое качество и воспроизводимость используемых для изготовления приборов тонкопленочных многослойных структур и невоспроизводимость параметров отдельных слоев. Так, например, многослойные структуры GaAs, которые используются для изготовления полевых транзисторов (ПТ) и интегральных схем (ИС), состоят из полуизолирующей подложки, высокоомного буферного слоя, активной пленки и верхнего контактного высокопроводящего слоя. Учитывая, что в малошумящем ПТ ток локализуется вблизи границы раздела активная пленка буферный слой (подложка), степень совершенства кристаллической структуры именно в этой области многослойной структуры оказывает сильное влияние на характеристики прибора. Особенно нежелательным является снижение подвижности носителей заряда в переходной области активной пленки, прилегающей к буферному слою (подложке), которое приводит к значительному снижению быстродействия и увеличению уровня шумов транзистора (Полевые транзисторы на арсениде галлия. Под ред. Д.В.Ди Лоренцо и Д.Д.Канделуола, -М. Радио и связь, 1988, с.95).

Из перечисленного выше следует необходимость контроля подвижности в структурах. В настоящее время подвижность носителей заряда во внутреннем слое структуры может быть определена либо путем последовательного стравливания слоев структуры, либо используются методы, основанные на управлении толщиной проводящего слоя эффектом поля в МДП-структурах или в структурах с барьером Шоттки со стравленным верхним высокопроводящим слоем (Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования, М. Радио и связь, 1990, с. 152-160). Эти методы требуют изготовления омических контактов, барьеров Шоттки, МДП-структур и измерения в них проводимости, эффекта Холла или магнитопроводимости. Операции, связанные с травлением и изготовлением образцов, трудоемки, дорогостоящи и разрушают исходную структуру. По эти причинам массовый контроль подвижности внутренних слоев структур отсутствует. В то же время неразрушающий анализ профиля подвижности вблизи границы раздела позволил бы как оптимизировать технологию выращивания таких структур, так и осуществлять входной контроль на предмет годности структур для изготовления из них в дальнейшем полупроводниковых приборов. Проблемы контроля подвижности носителей заряда во внутренних слоях не ограничиваются GaAs структурами, они возникают и в других многослойных структурах на основе соединений A³B⁵, A²B⁶ (например, гетероструктуры GaAs/AlGaAs, Si-GaAs, GaAs-ZnSe, GaAs-CdHgTe и другие), в которых также необходимо знать подвижность носителей заряда вблизи границы раздела активного и буферного слоев. Так, например, в гетероструктурах GaAs/AlGaAs с модулированным легированием, которые предназначены для изготовления сверхбыстродействующих транзисторов, важнейшим параметром является подвижность двумерных носителей заряда, находящихся в квантовой яме, сформированной на гетерогранице, разделяющей сильнолегированный широкозонный и нелегированный узкозонный слои. Еще раз отметим, что важность неразрушающего анализа профиля подвижности носителей заряда вблизи границы раздела связана в первую очередь с тем, что он позволяет производить отбраковку полупроводниковых заготовок для приборов без разрушения пленки. Это дает возможность использовать апробированные образцы для производства из них в дальнейшем полупроводниковых приборов. Кроме этого, информация о поведении подвижности вблизи границы раздела дает представление о процессах роста на границе раздела, что позволяет оптимизировать технологию выращивания таких структур.

Стремление изучать электрические параметры полупроводников без нанесения контактов на их поверхность привело к разработке сверхчастотных (СВЧ) методов измерения. Возможность регистрации параметров полупроводников на СВЧ связана с поглощением электромагнитной энергии свободными носителями заряда. Образец в СВЧ-измерениях является неоднородностью, внесенной в волноводную или коаксиальную линию или в резонатор. Вызванное введением образца изменение коэффициента отражения или передачи, либо добротности и собственной частоты резонатора зависит от параметров полупроводникового образца и может быть использовано для их определения.

Известен неразрушающий способ измерения подвижности носителей заряда, включающий помещение образца в магнитное поле, подачу на него СВЧ- излучения и измерение затухания СВЧ-мощности в полупроводниковой структуре в зависимости от величины внешнего магнитного поля (магниторезистивного эффекта) СВЧ-резонатором квазистационарного типа. Образец устанавливается на внешней стенке квазистационарного резонатора над отверстием, затухание СВЧ-мощности в полупроводниковой структуре измеряется по изменению добротности резонатора и с помощью расчетных формул определяется подвижность свободных носителей заряда (Медведев Ю. В. и др. Электромагнитные методы измерения и контроля, Томск, 1985, с. 170-175).

Данный способ применяется для измерения подвижности в объемных образцах или однослойных эпитаксиальных структурах. Причем измеряется усредненная по слою подвижность. Недостатком способа является невозможность определения с его помощью профиля подвижности или подвижности в отдельном внутреннем слое многослойной структуры. В частности, способ не пригоден для стандартных структур с сильно проводящим контактным слоем, используемых для производства ПТ и ИС.

Известно устройство для неразрушающего измерения подвижности свободных носителей заряда (авт.св. СССР N 1148006 А, Медведев Ю.В. и др. опубл. в БИ N 12, 1985), которое содержит генератор СВЧ-излучения, соединенный через развязывающий вентиль с квазистатическим СВЧ- резонатором, содержащим измерительное отверстие и размещенным между полюсами электромагнита, кроме того к выходу квазистатического СВЧ-резонатора подсоединен детектор отраженной СВЧ-мощности, соединенный с устройством индексации (вывода) информации.

Для проведения измерений полупроводниковая структура помещается на измерительное отверстие СВЧ-резонатора. Измеряется добротность СВЧ- резонатора с исследуемым образцом (затухание СВЧ- мощности в полупроводниковой структуре) в магнитном поле и в отсутствии магнитного поля. С помощью измеренных данных по известным формулам определяется подвижность.

Данное устройство позволяет измерять подвижность в полупроводниковых объемных образцах или однослойных эпитаксиальных структурах. Причем измеряется усредненная по толщине слоя подвижность. Недостатком устройства является невозможность определения с его помощью профиля подвижности или подвижности в отдельном внутреннем слое многослойной структуры. В частности, устройство не пригодно для определения подвижности в активном слое стандартных структур с контактным слоем, используемых для производства ПТ и ИС.

Известен неразрушающий способ измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232), выбранный в качестве прототипа, включающий помещение образца в магнитное поле, подачу на него СВЧ-излучения и измерение отраженной от образца СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля. При этом образец помещается в закороченной волноводной линии поперек волновода, перекрывая полностью его сечение, и из измерений величин отраженной мощности и фазы стоячей волны в линии с образцом и после замещения образца металлической пластиной определяется удельное сопротивление образца в магнитном поле R(B) и в отсутствие магнитного поля R(0), после чего из простого соотношения для геометрического магнитосопротивления R(B) R(0)·(1+ (μB)²) определяется подвижность носителей заряда в эпитаксиальном слое структуры.

Недостатком способа является невозможность неразрушающего измерения с его помощью подвижности в стандартных структурах, используемых для производства интегральных схем и полевых транзисторов (например, на основе A³B⁵). Данные структуры всегда содержат контактные высоколегированные слои, которые шунтируют проводимость активных слоев. Поэтому подвижность, определенная из магнитосопротивления, дает некоторую усредненную по слоям величину, а не подвижность в активном слое. Вторым недостатком является то, что даже в отсутствии шунтирующего контактного слоя этот метод дает усредненную по толщине подвижность. Для практических приложений необходимо знать подвижность в активном слое вблизи границы с буферным слоем или подложкой (Полевые транзисторы на арсениде галлия, Под ред. Д.В.Ди Лоренцо и Д.Д.Канделуола, М. Радио и связь, 1988, с.95).

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является устройство для неразрушающего измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232), содержащее генератор СВЧ-излучения, соединенный через аттенюатор, циркулятор, согласующее устройство (волноводная линия, закороченная подвижным поршнем) с держателем полупроводниковой структуры, размещенным между полюсами электромагнита, к выходу циркулятора подсоединен детектор отраженной СВЧ-мощности, соединенный с устройством индексации (вывода) информации.

Данное устройство позволяет измерять подвижность в однослойных эпитаксиальных структурах. Причем измеряется усредненная по толщине слоя подвижность. Недостатком устройства является невозможность определения с его помощью неразрушающим образом профиля подвижности или подвижности в отдельном внутреннем слое многослойной структуры. В частности, устройство не пригодно для определения подвижности в активном слое стандартных структур с высокопроводящим контактным слоем, используемых для производства ПТ и ИС.

Поставлена задача увеличить точность способа и расширить функциональные возможности способа и устройства за счет измерения подвижности и профиля подвижности (зависимости подвижности от величины обратного смещения) во внутренних слоях полупроводниковых структур, в том числе в структурах с высокопроводящим контактным n⁺ слоем.

Задача решалась следующим образом. В неразрушающем способе измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках, включающем помещение образца в магнитное поле, перпендикулярное плоскости структуры, подачу на него СВЧ-излучения и измерение отраженной от образца СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля, формируют неразрушающие контакты к структуре: со стороны полуизолирующей подложки жидкий, прозрачный для СВЧ-излучения, например, контактированием со слоем этилового спирта, а со стороны поверхности проводящего слоя прижимной, например, точечный металлический; через данные контакты к n-i переходу пленка полуизолирующая подложка (буферный слой) прикладывают обратное постоянное смещение V_подл, которое изменяет ширину области обеднения n-i перехода, и модулируют толщину n-i перехода, прикладывая через эти контакты переменное смещение V^~_подл модулируя тем самым проводимость слоя на краю области обеднения n-i перехода, причем сумма V_подл + V^~_подл не превосходит напряжения пробоя n-i перехода; из измеряемой отраженной СВЧ-мощности выделяют переменную составляющую, из магнитополевой зависимости которой определяют подвижность как функцию обратного смещения, приложенного к n-i переходу, по формуле: где ΔP_СВЧ переменная составляющая отраженной СВЧ-мощности; μ(V_подл) подвижность как функция обратного смещения V_подл, [M²B^-1C^-1] B магнитное поле.

В устройстве для неразрушающего измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках, которое содержит генератор СВЧ-излучения, соединенный через аттенюатор, циркулятор, согласующее устройство (волноводная линия, закороченная подвижным поршнем) с держателем полупроводниковой структуры, который размещен между полюсами электромагнита, а к выходу циркулятора подсоединен измеритель отраженной СВЧ-мощности, держатель образца содержит металлический зонд, позволяющий прикладывать прижимной контакт к поверхности проводящего слоя структуры и прозрачный для СВЧ жидкий контакт (спирт, электролит) для контактирования с полуизолирующей подложкой. К этим контактам подсоединены источники постоянного и переменного напряжения. Выход измерителя мощности соединен с входом усилителя с синхронным детектором, опорный вход которого соединен с выходом источника переменного смещения.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 данные, полученные для образца АГ-1 при разных значениях V_подл:1 (а) экспериментальные зависимости ΔP_СВЧ(B); (б) теоретические кривые (сплошные линии), описываемые выражением (1), подогнанные к экспериментальным данным (символы) методом наименьших квадратов; на фиг.3 - профили подвижности вблизи границы раздела активный слой -буферный слой, измеренные в структурах АГ-1 и АГ-2.

Физическая сущность способа поясняется следующим.

Рассмотрим структуру n-типа (для p-типа аналогично), предназначенную для изготовления ИС и ПТ. Это структуры типа n⁺-n-буф-i, n⁺-n-i, где n⁺-контактный слой, n активный слой, буф буферный слой, i - полуизолирующая подложка. Необходимо получить значение подвижности у границы n-буф. Для этого необходимо выделить при измерениях эту область из других областей n⁺ и n-слоев. Для осуществления этого в предлагаемом способе используется наличие встроенного слоя обеднения, который всегда формируется в таких структурах на границе n-буф или n-i. Если удастся увеличивать или уменьшать толщину этого слоя, то можно будет модулировать проводимость интересующей нас области активного слоя. Этого можно достичь, если приложить напряжение к слою обеднения границы раздела. В данном способе неразрушающее приложение напряжения к области обеднения осуществляют путем формирования неразрушающих контактов к полуизолирующей подложке и к верхнему n⁺(n)-слою. Для этого в той области, где проходит СВЧ- излучение, подложку смачивают тонким слоем изопропилового или этилового спирта, который прозрачен для СВЧ-излучения. К n⁺(n)-слою с края полупроводниковой структуры прижимают точечный металлический зонд-шарик (достаточно легкого касания n⁺-слоя). Прикладываемое к данным контактам напряжение падает в основном на области обеднения. Это неочевидное утверждение экспериментально доказано нами. Были изучены свойства контакта спирт полуизолирующая подложка. Спирт не формирует омического контакта к подложке. Спирт, а также вода и электролит образуют выпрямляющий контакт к полупроводниковой полуизолирующей подложке при приложенном напряжении больше 5В, однако при малых напряжениях этот контакт почти омический, причем сопротивление его меньше, чем сопротивление спирта и полуизолирующей подложки. Сопротивление полуизолирующей подложки с удельным сопротивлением 10⁸ Ом·см при толщине подложки 300 мкм и площади контакта 0,1 см² приблизительно равно 10 30 МОм. В электрической цепи жидкость (спирт)-i-буф-n-n⁺-металлический зонд, как показывает выполненные нами эксперименты, самым высокоомным оказывается именно слой обеднения на границе буф-n, на который падает около 90% приложенного напряжения. Поэтому, прикладывая обратное смещение V_подл к этим контактам, мы увеличиваем толщину области обеднения перехода буф-n и модулируем толщину этой области обеднения, прикладывая переменное смещение V^~_подл. Изменение толщины слоя области обеднения на границе буферного и активного слоев приводит к изменению проводимости канала. Поэтому, прикладывая переменное смещение с подложки, можно модулировать проводимость канала на краю области обеднения, и, прикладывая одновременно отрицательное постоянное смещение (следовательно, увеличивая ширину области обеднения), продвигать край слоя обеднения вглубь пленки. Измеряя с помощью СВЧ-метода модуляцию проводимости Δσ в магнитном поле и без магнитного поля, можно таким образом определять локальную подвижность по мере удаления от границы раздела (по мере увеличения обратного постоянного смещения), тем самым определять профиль подвижности. Поясним это утверждение и выведем формулу для определения локальной подвижности как функции обратного смещения.

В СВЧ-измерениях мы, как и в прототипе, использовали волну типа TE₁₀. Следовательно, только диагональный элемент s_xx тензора проводимости принимается во внимание при вычислении отраженной СВЧ-мощности и формула для определения подвижности из магнитопроводимости имеет следующий простой вид для структуры с одним слоем (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232), подвижность в котором не зависит от глубины: σ_xx(B) = σ_xx(B=0)/(1+(μB)²); (2) где μ подвижность; B магнитное поле.

Когда подвижность в структуре является функцией толщины слоя, т.е. когда носители заряда на разной глубине имеют разную подвижность, полная проводимость вычисляется как интеграл по всей толщине структуры, учитывающий вклады в проводимость от всех слоев структуры:

где s(ζ)- проводимость носителей заряда в слое от ζ до ζ+dζ;;
μ(ζ) подвижность носителей заряда в слое от ζ до ζ+dζ;;
z край области обеднения;
d-z толщина проводящего слоя.

Сдвигая край области обеднения на величину Δzмы изменяем толщину проводящего слоя на величину Δz и тем самым изменяем полную проводимость структуры на величину:
Δσ_xx(B,z) = σ_xx(B,z+Δz)-σ_xx(B,z); (4)
Величина Δσ_xx (B,z) проводимость слоя толщиной ΔZ находящегося на глубине z, т.е. на краю области обеднения. С учетом формулы (3):

Формула (5) преобразуется к виду:

При слабой модуляции, когда Δz _→ 0 формула (6) принимает следующий простой вид:
Δσ_xx(B,z) = Δσ_xx(B=0,z)/[1+(μ(z)B)²] 7
где μ(z) - подвижность в слое модуляции на глубине z.

Таким образом, измеряя модуляцию проводимости слоя, находящегося на глубине z, как функцию магнитного поля B, мы определяем подвижность носителей заряда, находящихся на глубине z по формуле (7). Так как в нашем случае глубина z определяется положением края области обеднения n-i перехода, которое в свою очередь зависит от величины обратного смещения V_подл, то эту формулу можно переписать следующим образом:

Подвижность μ(V_подл) полученная из этой формулы, позволяет также определить "профиль" подвижности, но уже не как функцию глубины, а в зависимости от приложенного к структуре обратного смещения V_подл.

В нашем случае переменное смещение V^~_подл вызывает малые изменения проводимости структуры, которые малы по сравнению с полной проводимостью структуры Δσ/σ ≪ 1 Известно, что в этом случае относительное изменение отраженной СВЧ-мощности пропорционально изменению проводимости структуры ΛP_СВЧ ~ Λσ Линейная связь между производными сигнала отраженной СВЧ-мощности и проводимости ΛP_СВЧ ~ Λσ_xx обеспечивает возможность определения локальной подвижности носителей заряда из измерений переменной составляющей сигнала на выходе измерителя СВЧ-мощности при фиксированном значении напряжения обратного смещения по формуле (1), которая легко получается из формулы (8), поскольку ΛP_СВЧ~ Λσ_xx.
Новым по отношению к прототипу в предлагаемом способе является то, что для получения профиля подвижности и измерения подвижности во внутреннем слое многослойной структуры, проводимость структуры изменяется и модулируется вблизи границы раздела активного и буферного слоев напряжением, поданным со стороны подложки через неразрушающие спиртовой (с подложки) и прижимной (с пленки), например точечный металлический, контакты. Кроме того, для определения подвижности нет необходимости знать абсолютные значения удельной проводимости всей структуры, а требуется измерять производную сигнала на выходе измерителя СВЧ- мощности, пропорциональную относительному изменению проводимости вблизи границы раздела активного и буферного слоев структуры, что существенно упрощает измерения, повышает точность определения подвижности и позволяет определять профиль подвижности в многослойной структуре. Таким образом, заявляемый способ и устройство соответствует критериям "новизна" и "изобретательный уровень".

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство для неразрушающего измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках содержит источник СВЧ-излучения 1, соединенный через аттенюатор 2, циркулятор 3, согласующее устройство (волноводная линия 4, закороченная подвижным поршнем 5) с держателем полупроводниковой структуры 6, размещенным между полюсами электромагнита 7. Держатель образца 6 содержит металлический зонд, позволяющий прикладывать прижимной контакт 8 к поверхности проводящего слоя структуры 9 и тонкий жидкий контакт (спирт, электролит) 10 для контактирования с полуизолирующей подложкой 11. К этим контактам подсоединены источники постоянного 12 и переменного напряжения 13. К выходу циркулятора 3 подсоединен измеритель отраженной СВЧ-мощности 14, выход которого соединен с входом усилителя с синхронным детектором 15, опорный вход которого соединен с выходом источника переменного напряжения 13. Выход усилителя 15 соединен с Y входом самописца 16, вход X которого соединен с датчиком магнитного поля 17.

В качестве источника СВЧ-излучения использовался диод Ганна, излучающий на длине волны λ 8 мм (f 38ГГц). В качестве измерителя СВЧ-мощности использовался СВЧ-диод. Прямоугольный волновод имел сечение 7,2х3,4 мм². В качестве усилителя с синхронным детектором использовался универсальный прибор типа "Unipan-232". В качестве источника переменного напряжения использовался генератор сигналов низкочастотный Г3-122/1. В качестве источника постоянного напряжения использовался ТЕС-42. Для регистрации и индикации обработанных сигналов использовался двухкоординатный самописец ENDIM 620.02. В качестве датчика магнитного поля использовался стандартный датчик Холла.

Устройство работает следующим образом.

СВЧ-излучение от СВЧ-генератора 1 через аттенюатор 2 и циркулятор 3 поступает в волноводную линию 4, закороченную подвижным поршнем 5, с держателем полупроводниковой структуры 6, падает на полупроводниковый образец, закрепленный на держателе, отражается от образца и по волноводу через второе плечо циркулятора 3 поступает на измеритель СВЧ-мощности 14. Для модуляции проводимости полупроводникового образца к структуре через неразрушающие контакты 8 и 10 прикладывается переменное смещение от источника переменного напряжения 13 и одновременно с переменным подается постоянное отрицательное смещение от источника постоянного напряжения 12. С выхода измерителя мощности 14 сигнал поступает на вход усилителя с синхронным детектором 15, на опорный вход которого поступает сигнал от источника переменного напряжения 13. Усиленный и выпрямленный сигнал, пропорциональный малым изменениям отраженной от образца СВЧ-мощности, поступает на вход Y самописца 16, на вход X которого поступает сигнал с датчика магнитного поля 17, регистрирующего изменение индукции магнитного поля, создаваемого электромагнитом 7.

В результате самописец выдает график зависимости переменной составляющей, отраженной от образца СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля LP_СВЧ(B,V_подл) Таким образом измеряется переменная составляющая проводимости образца в зависимости от магнитного поля при разных значениях постоянного обратного смещения, приложенного к подложке Δσ(B,V_подл) поскольку в нашем случае изменения отраженной СВЧ-мощности пропорциональны изменениям проводимости образца ΔP_СВЧ ~ Δσ По формуле (1) определяется подвижность как функция обратного смещения.

СВЧ сигнал с f 38 ГГц от генератора, через аттенюатор и циркулятор поступает в волновод с образцом, закрепленным на держателе. Для модуляции проводимости полупроводникового образца к структуре через неразрушающие контакты прикладывается переменное смещение от Г3-112/1 с частотой следования импульсов 100-1000 Гц и амплитудой 5-60 В. Для получения профиля подвижности на образец одновременно с переменным подается постоянное отрицательное смещение от ТЕС-42 в пределах от 0 до -500 В. Индукция магнитного поля, создаваемого электромагнитом, непрерывно изменяется от 0 до 10кГс, при этом сигнал с датчика Холла, размещенного между полюсами электромагнита, поступает на вход X самописца ENDIM 620.02. На вход Y самописца ENDIM 620.02 поступает выходной сигнал измерителя мощности, пропорциональный малым изменениям отраженной от образца СВЧ мощности при модуляции проводимости переменным смещением, усиленный и выпрямленный усилителем с синхронным детектором "Unipan-232". В результате самописец выдает график зависимости переменной составляющей, отраженной от образца СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля ΔP_СВЧ(B,V_подл) По формуле (1) определяется подвижность как функция обратного смещения.

Проверка способа была осуществлена на многослойных структурах GaAs, InP, AlGaAs/GaAs, CdHgTe/GaAs. Ниже дано описание процедуры измерения для двух GaAs-структур (именуемых в дальнейшем АГ-1 и АГ-2) n⁺-n-буф-i, предназначенных для изготовления ПТ. Структуры содержали n⁺-слой толщиной 0,2 мкм, легированный до уровня N_D=10¹⁸см^-3, n-слой (0,2 мкм, N_D 2·10¹⁷см^-3, буферный слой (1 мкм), i-подложка (300 мкм). На фиг.2,а приведены экспериментальные результаты для структуры АГ-1, полученные нами описанным выше неразрушающим СВЧ-способом. На фиг. 2, б показаны теоретические кривые (сплошные линии), описываемые выражением (1), подогнанные к экспериментальным данным (символы) методом наименьших квадратов. По наклону прямых определяется локальная подвижность носителей заряда при различных значениях обратного смещения, приложенного к подложке. Таким образом определяется профиль подвижности носителей заряда. На фиг.3 показаны профили подвижности вблизи границы раздела активный слой буферный слой, измеренные в этих двух GaAs-структурах. Мы сравнили значения подвижности, полученные предлагаемым СВЧ-способом с подвижностями, определенными стандартным методом Холла на этих же структурах. Холловские измерения проводились на специально изготовленных холловских мостиках с вожженными омическими контактами после тщательного стравливания верхнего шунтирующего высокопроводящего n⁺-слоя. Значения холловских подвижностей в этих структурах мало отличаются и равны 3700 см²/Вс (на чертеже это значение показано пунктирной линией). Как видно из фиг.3 полученные значения холловских подвижностей и локальных подвижностей, определенных при больших величинах обратного смещения (а следовательно в глубине активного слоя), совпадают для обоих образцов с точностью не менее 10% Такое хорошее совпадение связано с тем, что область структуры вблизи границы раздела активный слой буферный слой, в которой подвижность может изменяться достаточно сильно, мала по сравнению с толщиной всего активного слоя и, следовательно, усредненная холловская подвижность должна достаточно хорошо совпадать с локальной подвижностью, определенной в глубине активного слоя, которая мало изменяется при удалении от границы раздела. Однако, вблизи границы раздела активный слой буферный слой подвижность образца АГ-1 резко уменьшается, что является типичным для структур с плохим качеством границы раздела (дефекты, примеси и т. д. вблизи границы раздела). В это же время у структуры АГ-2 подвижность остается неизменной и даже слегка увеличивается. Транзистор, приготовленный из первой структуры, будет иметь худшие параметры, чем транзистор из второй структуры, поэтому плохую структуру можно отбраковать и не запускать в производство. Кроме того, эта информация позволяет корректировать технологию выращивания структур.

Кроме того, описанным выше способом были проведены измерения подвижности двумерного электронного газа (ДЭГ) в многослойных тонкопленочных структурах GaAs/AlGaAs, предназначенных для изготовления сверхбыстродействующих полевых транзисторов (в английской аббревиатуре HEMT). Измеренные предлагаемым способом подвижности ДЭГ показали также очень хорошее совпадение с холловскими подвижностями, измеренными после тщательного стравливания верхнего контактного n⁺-слоя. Величина подвижности ДЭГ позволяет судить о качестве структуры и о ее пригодности для изготовления очень дорогостоящих HEMT транзисторов уже на первом этапе.

Предложенное изобретение позволяет увеличить точность неразрушающего способа определения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках и расширить функциональные возможности способа и устройства за счет измерения подвижности и профиля подвижности (зависимости подвижности от величины обратного смещения) во внутренних слоях полупроводниковых структур, в том числе в структурах с высокопроводящим контактным n⁺ слоем.

Неразрушающий анализ профиля подвижности вблизи границы раздела активный слой буферный слой и подвижности внутренних слоев многослойных полупроводниковых структур позволяет как оптимизировать технологию выращивания таких структур, так и осуществлять неразрушающий входной контроль на предмет годности структур для изготовления из них в дальнейшем полупроводниковых приборов.

Формула изобретения

1. Неразрушающий способ измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках, включающий помещение структуры в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости структуры, подачу на структуру СВЧ-излучения и измерение отраженной от нее СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля, отличающийся тем, что формируют неразрушающие контакты к структуре: со стороны полуизолирующей подложки жидкий контакт, прозрачный для СВЧ-излучения, в качестве которого использован спирт или электролит, а со стороны поверхности проводящего слоя прижимной контакт, в качестве которого использован точечный металлический зонд, через данные контакты к переходу активный слой полуизолирующая подложка прикладывают обратное постоянное напряжение V_подл и одновременно переменное напряжение V^~_подл, первое из которых задает ширину области обеднения перехода, а второе модулирует ее, модулируя тем самым проводимость активного слоя на краю области обеднения перехода, причем сумма V_подл+ V^~_подл не превосходит напряжения пробоя перехода, из измеряемой отраженной СВЧ-мощности выделяют переменную составляющую, из магнитополевой зависимости которой определяют подвижность, как функцию обратного напряжения приложенного к переходу, по формуле

где V_подл обратное напряжение, приложенное к переходу активный слой полуизолирующая подложка, В;
В индукция магнитного поля, Тл;
ΔP_СВЧ(B, V_подл),ΔP_СВЧ(B = 0, V_подл) - переменная составляющая отраженной СВЧ-мощности, измеренная в магнитном поле с индукцией В и в отсутствие магнитного поля В 0, при подаче обратного напряжения V_подл, произвольные единицы;
μ(V_подл) - подвижность носителей заряда, как функция обратного напряжения V_подл, м² В^-1с^-1.

2. Устройство для неразрушающего измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках, которое содержит источник СВЧ-излучения, соединенный через аттенюатор, циркулятор, согласующее устройство с держателем полупроводниковой структуры, который размещен между полюсами электромагнита, а к выходу циркулятора подсоединен измеритель отраженной СВЧ-мощности, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит источники постоянного и переменного напряжения, усилитель с синхронным детектором, а держатель структуры дополнительно содержит прижимной металлический зонд, позволяющий осуществлять неразрушающий точечный контакт к поверхности проводящего слоя структуры, и прозрачный для СВЧ жидкий слой спирта или электролита, для контактирования с полуизолирующей подложкой, к этим контактам подсоединены источники постоянного и переменного напряжения, выход измерителя отраженной СВЧ-мощности соединен с входом усилителя с синхронным детектором, опорный вход которого соединен с выходом источника переменного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3