СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
METHOD FOR DETERMINING PARAMETERS OF SEMICONDUCTOR STRUCTURES

Изобретение относится к области микроэлектроники и может оыть использовано в технологии изготовления полупроводниковых структур, а также для анализа структур, оказавшихся у потребителя.
Известен способ определения параметров полупроводниковых структур, заключающийся в определении концентрации носителей заряда в полупроводниковом материале на основе эффекта Холла [Кучис Е.В. Методы исследования эффекта Холла М.: Советское радио, 1974. 328 с.]. При реализации этого способа полупроводник, через который течет постоянный ток, помещают в магнитное поле, вследствие чего в полупроводнике возникает поперечная (холловская) разность потенциалов, по величине которой определяют значение концентрации носителей заряда, которая является характеристикой полупроводниковой структуры.
Такой способ предназначен для определения средней концентрации носителей заряда во всем объеме полупроводника и не позволяет определять значение концентрации в локальных областях материала, таких как квантовые ямы и квантовые точки, что снижает точность определения параметров структуры.
Известен способ измерения вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур, заключающийся в последовательном приложении к структуре, содержащей область объемного заряда, изменяющегося в определенном диапазоне напряжения смещения и регистрации при каждом напряжении емкости структуры. Получающаяся зависимость емкость-напряжение (C-V) носит название вольт-фарадной характеристики. Стандартная обработка этой зависимости, включающая дифференцирование, позволяет определять локальную концентрацию носителей заряда по структуре [Берман Л.С. Емкостные методы исследования полупроводников Л.: Наука, 1972. 104 с.].
Недостатком способа является отсутствие измерений при различных частотах, что не позволяет определять динамические характеристики структуры, такие как скорость эмиссии и сечение захвата.
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерений вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур при различных частотах тестового сигнала и при различных температурах образца [V I Zubkov, С М A Kapteyn, A V Solomonov and D Bimberg, Voltage-capacitance and admittance investigations of electron states in self-organized InAs/GaAs quantum dots // J. Phys.: Condens. Matter 17 2005. 2435-2442].
При реализации способа образец полупроводниковой структуры помещают в криостат. После доведения образца до требуемой температуры на него подают переменное напряжение тестового сигнала определенной частоты и одновременно с этим воздействуют серией постоянных напряжений смещения (диапазон которых определяется конкретными характеристиками структуры), измеряя емкость и проводимость структуры при каждом напряжении смещения. После того, как измерения проведены при всех заданных напряжениях смещения, изменяют частоту напряжения тестового сигнала и повторяют всю серию измерений емкости и проводимости от напряжения смещения. Таким образом, измеряют зависимость емкости и проводимости от напряжения смещения при всех заданных значениях частот тестового сигнала. Значения частот обычно определяются динамическим диапазоном измеряющего устройства. После завершения этих измерений устанавливают следующую температуру образца, и все измерения повторяют при новой температуре. Для исчерпывающей характеризации параметров полупроводниковых структур диапазон температур проведения эксперимента начинается от нескольких К и заканчивается комнатной температурой. Из полученных данных строят зависимости измеренных электрических параметров (емкости и проводимости) от напряжения смещения при различных температурах, по которым определяют параметры полупроводниковой структуры. Таким образом, основной зависимостью прототипа является вольт-фарадная характеристика, измеряемая при различных частотах и различных температурах. Основным недостатком прототипа является многократное изменение значения напряжения смещения при фиксированной частоте, что приводит к колебанию ширины области объемного заряда, вызывая систематическую погрешность при измерении параметров материалов с глубокими уровнями, и, как следствие, к снижению точности определения параметров полупроводниковых структур.
Задачей изобретения является создание способа определения параметров полупроводниковых структур, позволяющего получить технический результат, заключающийся в повышении точности определения параметров.
Способ определения параметров полупроводниковых структур включает приложение к образцу напряжения смещения и переменного напряжения тестового сигнала, измерение зависимостей емкости и проводимости образца от последовательности частот переменного напряжения тестового сигнала при каждом значении из последовательности напряжений смещения при ряде значений температуры образца и определение параметров структуры с использованием полученных зависимостей.
В способе, описанном в прототипе, измеряют зависимости емкости и проводимости от приложенной к образцу последовательности напряжения смещения (первого электрического параметра) при каждом значении из последовательности частот напряжения тестового сигнала (второго электрического параметра). Измерения проводятся при различных температурах образца.
В заявляемом способе новизной является то, что последовательность первого электрического параметра - это значения частот тестового сигнала, а второго - это значения напряжений смещения.
Заявляемый способ позволяет повысить точность результатов измерений и, таким образом, точность определения параметров полупроводниковых структур без потери информации. Повышение точности связано с тем, что изменение прикладываемого к исследуемой структуре напряжения изменяет напряженность электрического поля на ее границе и в соответствии с теоремой Гаусса вызывает появление дополнительного нескомпенсированного заряда внутри структуры для нейтрализации добавочной величины электрического поля. Это приводит к изменению ширины области объемного заряда с изменением напряжения. Добавочный компенсирующий заряд собирается с расстояния, равного приращению между начальной и конечной шириной области объемного заряда. Если в этой области находится мелкая легирующая примесь, она приходит в равновесие с соответствующей энергетической зоной практически мгновенно. Однако если помимо мелкой легирующей примеси в полупроводнике присутствуют глубокие центры, эмиссия носителей заряда с которых осуществляется медленно, то изменение частоты тестового сигнала при неизменной величине приложенного обратного смещения не приводит к перезарядке глубоких центров и не изменяет ширину области объемного заряда. Поэтому, если сначала фиксировать напряжение смещения, а затем снимать зависимость емкости и проводимости от частоты напряжения тестового сигнала, то можно добиться повышения точности измерений. Таким образом, основной зависимостью способа является зависимость емкости и проводимости от частоты напряжения тестового сигнала. Измерение данной базовой зависимости в диапазоне приемлемых для структуры напряжений и температур позволяет получить комплексную информацию о параметрах полупроводниковой структуры с повышенной точностью, устраняя систематическую погрешность традиционного вольт-фарадного метода.
Изобретение иллюстрируют графики зависимости емкости и проводимости от частоты напряжения тестового сигнала в диапазоне напряжений смещения при двух температурах образца.
x
1-x
Фиг.1. Зависимость емкости светодиода на основе гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN от частоты напряжения тестового сигнала в диапазоне напряжений смещения от 1 В до -10 В при температуре 20 К.
x
1-x
Фиг.2. Зависимость емкости светодиода на основе гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN от частоты напряжения тестового сигнала в диапазоне напряжений смещения от 1 В до -10 В при температуре 20 К.
x
1-x
Фиг.3. Зависимость проводимости светодиода на основе гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN от частоты напряжения тестового сигнала в диапазоне напряжений смещения от 1 В до -10 В при температуре 40 К.
x
1-x
Фиг.4. Зависимость проводимости светодиода на основе гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN от частоты напряжения тестового сигнала в диапазоне напряжений смещения от 1 В до -10 В при температуре 40 К.
x
1-x
Фиг.5. Зависимость емкости светодиода на основе гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN от напряжения смещения при температуре 20 К и частоте тестового сигнала 1 МГц.
x
1-x
Фиг.6. Концентрационный профиль светодиода на основе гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN при температуре 20 К и частоте тестового сигнала 1 МГц.
Способ реализуется в ходе проведения измерений емкости и проводимости полупроводниковых структур на аппаратно-программном комплексе спектроскопии адмиттанса (под спектроскопией адмиттанса понимается совместное измерение емкости и проводимости), позволяющем проводить измерения параметров образцов в широком диапазоне температур (6-326 К), частот напряжения тестового сигнала (20 Гц-2 МГц) и напряжений смещения (+40…-40 В), при этом точность криостатирования составляет 0.1 К, а базовая погрешность измерений адмиттанса 0.05%. Установка спектроскопии адмиттанса состоит из персонального компьютера с набором инструментальных плат и специальным программным обеспечением, LCR-метра Agilent E4980A, гелиевого криостата замкнутого цикла Janis, включающего в себя: криокулер, в котором крепится охлаждаемый образец, криокомпрессор, контроллер температуры LakeShore 331 и вакуумный пост Pfeiffer.
При реализации способа образец помещают в криостат. После доведения образца до требуемой температуры на него подают постоянное напряжение смещения, затем одновременно с этим напряжением на образец воздействуют серией переменных напряжений тестового сигнала необходимой частоты, измеряя емкость и проводимость структуры при каждой частоте переменного напряжения тестового сигнала. После того, как измерения проведены при всех заданных частотах напряжения тестового сигнала, изменяют напряжение смещения и повторяют всю серию измерений емкости и проводимости от частоты переменного напряжения тестового сигнала. Таким образом, измеряют зависимость емкости и проводимости от частоты напряжения тестового сигнала при всех заданных значениях напряжения смещения. Значения частот обычно определяются динамическим диапазоном измеряющего устройства; значения напряжений смещения - характеристиками образца. Оба описанных цикла находятся внутри температурного цикла, так что все измерения повторяются при различных температурах. Из полученных данных строят зависимости емкости и проводимости от напряжения смещения и частоты переменного напряжения тестового сигнала при различных температурах образца, по которым определяют параметры (концентрация носителей заряда, эмиссионные свойства глубоких центров и уровней размерного квантования, ширина области объемного заряда и др.) полупроводниковой структуры.
x
1-x
In
Пример. Для проведения диагностики использовались образцы промышленных зеленых светодиодов на основе гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN (x=0.2…0.25), излучающих на длине волны 525 нм. Образцы выращены по технологии MOCVD (газо-фазная эпитаксия из паров металлорганических соединений) на сапфировой подложке.
n
n
Образец полупроводниковой структуры был закреплен на хладопроводе криостата и охлажден до температуры 20 К. На образец подавалось напряжение смещения величиной 1 В и серия переменных напряжений тестового сигнала с частотами 1, 0.5, 0.2, 0.1, МГц, 50, 20, 10, 5 кГц, при которых измерялись емкость и проводимость образца. После этого на образец последовательно подавались напряжения смещения от 1 В до -10 В с шагом 0.1 В, при которых измерялись аналогичные зависимости емкости и проводимости образца от тех же частот переменного напряжения тестового сигнала. После этого образец был доведен до температуры 40 К и все измерения повторены. Из полученных результатов были построены графики, показанные на фигурах 1 - 4. На графике зависимости проводимости от частоты напряжения тестового сигнала (Фиг.3, Фиг.4) имеются пики, соответствующие резонансу частоты напряжения тестового сигнала (вынуждающий сигнал) и собственной частоты эмиссионного центра, то есть выполняется равенство е=ω, где е - скорость эмиссии с глубокого центра, ω - частота вынуждающего сигнала (циклическая частота переменного напряжения тестового сигнала). Таким образом, можно определить такие параметры структуры, как скорость эмиссии носителей заряда из каждого релаксатора. Под релаксатором в данном случае понимается эмиссия носителей с двух уровней системы квантовых ям:
T=20 K, U=1B
T=40 K, U=1B
Графики зависимости емкости от частоты представлены на Фиг.1 и Фиг.2. Используя данные, представленные на Фиг.1, построена зависимость емкости от напряжения при частоте тестового сигнала 1 МГц, показанная на Фиг.5. Применяя известные формулы
;
18
-3
18
-3
для построения концентрационного профиля получен концентрационный профиль носителей заряда по координате, представленный на Фиг.6. На концентрационном профиле имеются 3 пика, соответствующие трем квантовым ямам образца. Из концентрационного профиля можно получить такие параметры полупроводниковой структуры, как концентрация носителей заряда в квантовых ямах и расстояние между ямами. Концентрация носителей в двух квантовых ямах составляет приблизительно 2.25*10 м, 1.75*10 м; расстояние между ямами составило 20 нм.
Возможность измерения при различных температурах (в диапазоне температур) зависимостей емкости и проводимости от частоты напряжения тестового сигнала позволяет значительно расширить диапазон чувствительности способа и регистрировать наличие релаксаторов в структуре, частота эмиссии которых, при комнатной температуре, выходит далеко за пределы чувствительности современных LCR-метров.
Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить точность определения параметров полупроводниковых структур.