Способ определения энергии ионизации глубоких уровней в полупроводниковых барьерных структурах и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области электронной техники, микро- и наноэлектроники. Способ определения энергии ионизации глубоких уровней заключается в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V₁, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), производят селекцию по времени релаксации и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS (Т_макс). Вводят дополнительный импульс напряжения обратного смещения с амплитудой V₂>V₁, причем |V₂-V₁|>>k·Т_макс/е, определяют два значения амплитуды пиков спектра DLTS ΔU₁ и ΔU₂, соответствующих одной и той же постоянной времени релаксации и различной амплитуде импульсов напряжения обратного смещения V₁ и V₂, производят определение энергии ионизации глубокого уровня (АЕ) по предложенной формуле. Устройство, реализующее способ, содержит генератор прямоугольных импульсов сложной формы, подсоединенный к устройству релаксационной спектроскопии глубоких уровней с возможностью изменения температуры исследуемого образца. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электронной техники, микро- и наноэлектроники и может быть использовано для исследования энергетического спектра электронных состояний, исследования дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых материалах и барьерных структурах.

Известен способ исследования энергетического спектра электронных состояний и дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых барьерных структурах методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ), основанный на изучении температурной зависимости релаксации электрического тока, заряда или емкости барьерной структуры [1-4].

Недостатками данного способа являются:

1. Энергию ионизации глубоких уровней определяют по наклону графика Аррениуса, который строится при различных температурах в допущении, что сечение захвата (σ) не зависит от температуры. На самом деле σ может зависеть от температуры, что вносит дополнительную погрешность в определение энергии ионизации.

2. В ряде случаев для построения графика Аррениуса необходимо проводить температурное сканирование образца несколько раз, что увеличивает время проведения измерений.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является метод Лэнга [1], заключающийся в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V₁, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), с помощью устройства селекции по времени релаксации (DLTS-спектрометра) и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS (Т_макс). Недостатком данного способа является обязательное в ряде случаев многократное температурное сканирование, так как энергию ионизации глубоких уровней в методе DLTS традиционно определяют по графику Аррениуса [1]. Устройства для реализации метода Лэнга, известные в англоязычной аббревиатуре как DLTS-спектрометры, выпускаются за рубежом. Отечественная промышленность такие устройства не выпускает.

Предлагаемый способ позволяет определять энергию ионизации глубоких уровней в результате одного температурного сканирования и без построения прямой Аррениуса и устранить недостаток прототипа.

Суть способа определения энергии ионизации глубоких уровней заключается в следующем. В известный метод Лэнга [1], заключающийся в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V₁, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), с помощью устройства селекции по времени релаксации (DLTS-спектрометра) и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS, вводят дополнительный импульс напряжения обратного смещения с амплитудой V₂>V₁, причем |V₂-V₁|>>k Т_макс/е. На исследуемую полупроводниковую структуру поочередно подают импульсы напряжения обратного смещения V₁ и V₂ (фиг.1а). После каждого импульса получают токовый релаксационный процесс (фиг.1б). Сигнал, пропорциональный этим процессам, умножают на опорный сигнал F₁(t) (фиг.1в) и F₂(t) (фиг.1г). В результате производят селекцию по времени релаксации и определяют два значения амплитуды пиков спектра DLTS ΔU₁ и ΔU₂, соответствующих одной и той же постоянной времени релаксации и различной амплитуде импульсов напряжения обратного смещения V₁ и V₂.

Определение концентрации дефектов с глубокими уровнями (глубоких центров) в случае токового варианта метода DLTS производится по амплитуде пика ΔU спектра глубоких уровней (ГУ), используя соотношение [7]:

где b - множитель, зависящий от величины напряжения обратного смещения на образце [4];

m - коэффициент передачи сквозного тракта спектрометра DLTS;

S - площадь барьерного контакта Шоттки;

d - толщина ОПЗ;

θ - множитель, учитывающий эффект смещения границы ОПЗ в процессе релаксации тока [7];

λ - толщина слоя неполной ионизации глубокого уровня, определяется по формуле

Запишем формулу (1) для двух случаев амплитуды напряжения импульсов обратного смещений V₁ и V₂ при b=1 и θ=1:

При условии однородного распределения объемного заряда глубоких и мелких центров в ОПЗ:

откуда после преобразований имеем:

где d₁ и d₂ - толщины ОПЗ соответственно для амплитуды напряжения импульсов обратного смещения V₁ и V₂.

Заменяем в формуле (2) E_F-E_t=(E_C-E_t)-(E_C-E_F)=ΔE-(E_C-E_F) (3)

Используем известное из литературы соотношение для расчета уровня Ферми [2]:

Из формул (2), (3), (4) с учетом того, что n₀=N_∂м, получаем:

При расчете ΔЕ по формуле (5), вместо T используем величину T_max, которую определяем по местоположению пика на спектре DLTS. При наличии в образце нескольких глубоких уровней всю информацию об энергии ионизации получаем в результате одного температурного сканирования. Для расчета плотности состояний в зоне проводимости (валентной зоне) N_C(V) применяем стандартную методику. Так, для кремния .

Величины d₁, d₂ и N_дм могут быть легко найдены из соответствующих C-V - зависимостей.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна", т.к. в известных источниках не обнаружен предложенный способ определения энергии ионизации глубоких уровней. Следовательно, последовательность операций при исследовании энергетического спектра электронных состояний отличается от существующих, а предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Данный способ предлагается для реализации научным лабораториям, предприятиям и организациям, занимающимся исследованиями в области микро- и наноэлектроники.

Для осуществления способа предлагается устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов сложной формы, измерительную ячейку с возможностью изменения температуры исследуемого образца и DLTS - спектрометр.

Прототипом DLTS - спектрометра может служить, например, спектрометр фирмы "Sula Technologies", США [6].

Сущность изобретения и возможные варианты реализации предложенного способа поясняются следующими чертежами:

фиг.1 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства;

фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ.

Импульсное напряжение сложной формы (фиг.1а) поступает из блока 1 в блок 2 измерительной ячейки. Прототипом измерительной ячейки может служить криостат фирмы JANIS [5]. Далее сигнал релаксации электрического тока, емкости или заряда из блока 2 поступает в блок 3, в котором осуществляется анализ и определение амплитуд пиков спектра DLTS при различных значениях обедняющих импульсов напряжения. Генератор прямоугольных импульсов (1) содержит дополнительный формирователь последовательности прямоугольных импульсов V₂ с возможностью раздельной регулировки их амплитуды и длительности, а в устройстве релаксационной спектроскопии глубоких уровней (3) выход селектора постоянной времени соединен с двумя фильтрами низкой частоты (ФНЧ) через коммутатор, управляемый генератором прямоугольных импульсов (1).

Технико-экономический результат заключается в сокращении времени измерения и повышении достоверности информации о параметрах глубоких центров в полупроводниковых барьерных структурах и материалах.

Литература

[1] Lang D.V. Deep level transient spectroscopy: a new method to characterize traps in semiconductors // J Appl. Phys. 1974. V.45. P.3023-3032.

[2] Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука, 1981, 176 с.

[3] Денисов А.А., Лактюшкин В.Н., Садофьев Ю.Г. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней // Обзоры по электронной технике. 1985. Сер.7. Вып.15 (1141), 52 с.

[4] ASTM standard F 978-02 Standard test method for characterizing semiconductor deep levels by transient capacitance techniques.

[5] www.janis.com.

[6] www.sulatech.com.

[7] Зубков М.В. Определение концентрации глубоких центров с учетом полевой зависимости времени релаксации тока // Электронная техника. Сер.10. Микроэлектронные устройства. Вып.6 (78), 1989. - С.42-45.

1. Способ определения энергии ионизации глубоких уровней, заключающийся в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V₁, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), производят селекцию по времени релаксации и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS (Т_макс), отличающийся тем, что вводят дополнительный импульс напряжения обратного смещения с амплитудой V₂>V₁, причем |V₂-V₁|>>kТ_макс/е, определяют два значения амплитуды пиков спектра DLTS ΔU₁ и ΔU₂, соответствующих одной и той же постоянной времени релаксации и различной амплитуде импульсов напряжения обратного смещения V₁ и V₂, производят определение энергии ионизации глубокого уровня (АЕ) по формуле:
,
где d₁ и d₂ - толщины ОПЗ соответственно для амплитуд напряжения импульсов обратного смещения V₁ и V₂,
е - заряд электрона,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника,
ε₀ - диэлектрическая постоянная,
k - постоянная Больцмана,
Т_макс - температура пика спектра DLTS,
N_м - концентрация мелких центров в ОПЗ.

2. Устройство для осуществления способа определения энергии ионизации глубоких уровней, содержащее последовательно соединенные генератор прямоугольных импульсов напряжения обратного смещения, измерительную ячейку с возможностью изменения температуры исследуемого образца и устройство релаксационной спектроскопии глубоких уровней, отличающееся тем, что генератор прямоугольных импульсов содержит дополнительный формирователь последовательности прямоугольных импульсов V₂ с возможностью раздельной регулировки их амплитуды и длительности, а в устройстве релаксационной спектроскопии глубоких уровней выход селектора времени релаксации соединен с двумя фильтрами низкой частоты (ФНЧ) через коммутатор, управляемый генератором прямоугольных импульсов.