Реализация метода нестационарной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниках на установке dls-83d

ЗИНКИН С.Д.

РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА НЕСТАЦИОНАРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ НА УСТАНОВКЕ DLS-83D

Аннотация. В статье описывается метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней. Представлены результаты измерений стандартным методом DLTS на кремниевых диодах легированных золотом, полученные с помощью установки DLS-83D.

Ключевые слова: DLTS, глубокий центр, донорный уровень, акцепторный уровень.

ZINKIN S.D.

REALIZATION OF DEEP LEVEL TRANSIENT SPECTROSCOPY METHOD IN SEMICONDUCTORS ON DLS-83D MEASURING DEVICE

Abstract. The article describes the deep level transient spectroscopy method. Particularly, it presents the measurement results obtained by the conventional DLTS method on gold doped silicon diodes by using of DLS-83D measuring device.

Keywords: DLTS, deep level trap, donor level, acceptor level.

На параметры и характеристики большинства полупроводниковых приборов влияют глубокие уровни (ГУ), находящиеся в запрещенной зоне полупроводника. Природа этих уровней различна. В основном это дефекты, как собственные точечные, так и протяженные (дислокации). Также глубокие уровни могут создавать различные примеси, например, ионы редкоземельных и переходных металлов. Внешние энергетические воздействия, такие как облучение электронами и другими высокоэнергетическими частицами могут создавать глубокие центры в полупроводниках. Эти центры могут играть как положительную, так и отрицательную роль в полупроводниковых приборах. Поэтому изучение этих центров играет ключевую роль в современной полупроводниковой технологии.

Среди всех методов исследования особо выделяется метод нестационарной спектроскопии ГУ (deep level transient spectroscopy - DLTS). Преимущество метода в его экспрессности. За один проход температурного сканирования можно изучить всю запрещенную зону полупроводника. Метод обладает некоторыми недостатками, которые устраняются с развитием вычислительной техники и развитием техники эксперимента.

Цель данной работы - апробация метода на образцах, в которые специально вводились примеси, создающие глубокие центры в запрещенной зоне. В нашем случае - это золото, которое создает донорный уровень с энергией Ev+0,34 эВ и акцепторный - с энергией

Ес-0,54 эВ. Выбор золота обусловлен тем, что уровни золота одни из самых изученных [1]. Измерения проводились на установке ВЬ8-83Б, с целью проверки её работоспособности.

Теория метода БЬТБ. Метод основан на работе [2]. Он заключается в следующем: устанавливается некая стационарная температура, на образец подаются два импульса, сначала обогащающий, затем обедняющий ОПЗ и определяется изменение барьерной емкости АС за промежуток времени между и 12 при обедняющем ОПЗ напряжении:

АС = АС0[ехр

т т

где т -1=еп, ер - скорость эмиссии электронов или дырок с ГУ.

Затем процесс продолжается при следующей температуре. Изменение емкости от температуры имеет вид кривой с максимумом из-за температурной зависимости постоянной процесса.

Величина скорости эмиссии в точке максимума, в случае эмиссии электронов с ГУ, определяется дифференцированием уравнения (1) по постоянной времени. Приравняв производную к нулю, получим, что

1п(

е(2>

Изменяя промежутки времени, можно получить температурную зависимость скорости эмиссии

е — — —

1п

из которой определяются глубина залегания ГУ (Ес-Е^ и сечение захвата электронов оп. Для дырок все выполняется аналогично.

В установке DLS-83D для снижения уровня шумов используется модифицированный метод. Релаксация емкости умножается на весовую функцию, имеющую форму прямоугольного сигнала, период Т которой задается рабочей частотой синхронного усилителя. Весовая функция синхронизирована последовательно с импульсом возбуждения. Первая половина сигнала умножается на 1, вторая - на -1 Выходной сигнал АС пропорционален разности площадей первого и второго полупериода сигналов. Нормировав по периоду, получается средний уровень сигнала. Так как амплитуда переходного процесса постоянна в данном случае, то выходной сигнал зависит от отношения постоянной времени эмиссии и периода, то есть скорости эмиссии и частоты весовой функции синхронного усилителя.

Изменяя это соотношение, на результирующей кривой появляется пик,

соответствующий глубокому центру. Положение пика, скорость эмиссии и частота связаны соотношением:

= 2,17/ ,

где / - частота весовой функции синхронного усилителя, которую также можно назвать частотой окна сканирования.

Описание тестовых образцов. В качестве тестового образца использовался кремниевый импульсный диод КД521, в который специально вводят золото с высокой концентрацией.

Тестовый образец изготовлен следующим образом. Берется подложка электронного типа проводимости легированная сурьмой с удельным сопротивлением 0,01 Омсм. Эпитаксиальная пленка выращивается газофазной эпитаксией кремния и легируется фосфором. Толщина пленки составляет 17±2.5 мкм. Удельное сопротивление - 1,1 Омсм. Электронно-дырочный переход получен диффузией бора из конечного источника в окно диаметром 200 мкм. Влияние кривизны и поверхностный пробой устраняется созданием делительного кольца одновременно с формированием p+-n-перехода. Глубина залегания р-п-перехода составляла 7 ±2 мкм. Поверхностное сопротивление диффузионного р+-слоя имеет величину 50 Ом/П. Диффузия золота проводится из напыленной пленки при температуре 1000 °С в течение 50 минут [3].

Результаты измерений. Измерения в кремниевых импульсных диодах на установке DLS-83D проводились при следующих режимах:

^ - величина обедняющего ОПЗ импульса - 10 В Ш - величина заполняющего импульса - 0 В Скорость нагрева образца в - 0,1 К/с Температурный диапазон сканирования 80 - 400 К Частота окна сканирования - 50, 250, 1500, 2500Гц Длительность заполняющего импульса - 10 мкс На рисунке 1 приведены DLТS-спектры для диода КД521.

Рис. 1. БЬТБ-спектры диода КД521

Как видно из спектров наблюдаются два пика, соответствующие релаксации двух ГУ. Для определения положения температур максимумов экспериментальных DLТS-спектров проводилась их аппроксимация, с помощью программного обеспечения, поставляемого с измерительным оборудованием. Рассчитывалась скорость эмиссии. И по парам данных скорость эмиссии - температура максимума строились кривые Аррениуса (рис. 2).

Рис. 2. Кривые Аррениуса: 1 - акцепторный уровень, 2 - донорный уровень

Аппроксимация графиков Аррениуса выражением (3) дала следующие значения энергий и сечений захвата уровней:

1: Ec-0,54 эВ, Оп=6,4-10-14 см2, 2: Ev+0,33 эВ, Gp= 1,2^10-14 см2.

Идентификация глубоких уровней [4] даёт хорошее соответствие полученных параметров с параметрами акцепторного и донорного уровней золота в кремнии.

В результате проведенной работы, можно сделать вывод о пригодности установки DLS-83D для исследований спектров и основных параметров ГУ в полупроводниковых структурах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Булярский С.В., Грушко Н.В. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах. - М.: Изд-во Моск. ун-та - 1995. - 391 с.

2. Lang D.V. Deep level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors // J. Appl. Phys. - vol. 45. - 1974.

3. Булярский С.В., Сережкин Ю.Н., Ионычев В.К. Определение параметров глубоких уровней по релаксационной задержке пробоя p-n-перехода // Физика и техника полупроводников. - .33. - вып. 4. - 1999.

4. Defect DLTS Signal Standard Database - [ Электронный ресурс] . - Режим доступа: http://www.laplacedlts.eu/defect/