СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING IONISATION ENERGY OF DEEP LEVELS IN SEMICONDUCTOR BARRIER STRUCTURES AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

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.
1
макс
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 V, 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). 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.
1
2
1
2
1
макс
1
2
1
2
1
2
1
2
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 V, 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 V>V, причем |V-V|>>k Т/е. На исследуемую полупроводниковую структуру поочередно подают импульсы напряжения обратного смещения V и V (фиг.1а). После каждого импульса получают токовый релаксационный процесс (фиг.1б). Сигнал, пропорциональный этим процессам, умножают на опорный сигнал F(t) (фиг.1в) и F(t) (фиг.1г). В результате производят селекцию по времени релаксации и определяют два значения амплитуды пиков спектра DLTS ΔU и ΔU, соответствующих одной и той же постоянной времени релаксации и различной амплитуде импульсов напряжения обратного смещения V и V.
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
1
2
Запишем формулу (1) для двух случаев амплитуды напряжения импульсов обратного смещений V и V при b=1 и θ=1:
При условии однородного распределения объемного заряда глубоких и мелких центров в ОПЗ:
откуда после преобразований имеем:
1
2
1
2
где d и d - толщины ОПЗ соответственно для амплитуды напряжения импульсов обратного смещения V и V.
F
t
C
t
C
F
C
F
Заменяем в формуле (2) E-E=(E-E)-(E-E)=ΔE-(E-E) (3)
Используем известное из литературы соотношение для расчета уровня Ферми [2]:
0
∂м
Из формул (2), (3), (4) с учетом того, что n=N, получаем:
max
C(V)
При расчете ΔЕ по формуле (5), вместо T используем величину T, 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 применяем стандартную методику. Так, для кремния .
1
2
дм
Величины d, d и N 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.
2
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 V 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.