Устройство для определения параметров глубоких центров в полупроводниковых структурах

(71 (72 М (54 ПА ЛУ (57 ни па ков ров н ник для мат стрпеделглу ие ная фиг имп УДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯИ ГКНТ СССР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 4426234/31-25 16.05.8823,11.90. Бюл. М 43Рязанский радиотехнический институтП,Т. Орешкин и В.М. Лузан621.317(088.8)Авторское свидетельство СССР466591, кл. 6 01 М 27/24, 29.07.86, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯАМЕТРОВ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В ПОРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ Изобретение относится к полупроводовой технике, к устройству для определения метров глубоких центров в полупроводних структурах. Цель изобретения - повыше- точности измерений путем повышениятвительности следящей системы. Устство содержит криостат с размещенной м полупроводниковой структурой. блокерения и регулирования температуры, исик импульсного возбуждения, измериИзобретение относится к полупроводвой технике и может быть использовано контроля качества полупроводниковых риалов, используемых в барьерных ктурах, таких как диоды Шоттки, р-и- ходы, МДП-структуры, на основе опрения энергии ионизации и концентрации оких центров (ГЦ) и полупроводниках, Целью изобретения является повыше- точности измерений путем повышения твительности следящей системы, На фиг. 1 представлена функциональсхема предлагаемого устройства; на 2 - функциональная схема источника льсного возбуждения; на фиг. 3 - фуннальная схема регулятора амплитуды; тель тока и емкости, устройство детектирования, устройство регистрации и логарифмический усилитель, дополнительно содержит первое запоминающее устройство, компаратор, блок формирования импульсов записи, регулятор амплитуды, коммутатор. Дополнительные блоки и новые взаимосвязи между ними позволяют образовать следящую систему, обладающую высокой разрешающей способностью. чувствительностью и точностью измерений. В устройстве устранена дискретность определения зависимости 9 г /1(Т), тем самым повышена экспрессность и точность определения параметров глубоких центров, Кроме того, при помощи устройства можно находить полевую зависимостьд т(Ч) и на ее основе определять параметры глубоких центров, находить удельное объемное сопротивление полупроводника, получать информацию о количестве глубоких центров и их концентрации. 13 ил. на фиг, 4 - функциональная схема измерителя тока и емкости; на фиг, 5 - функциональная схема второго запоминающего устройства; на фиг. 6 - функциональная схема арифметического устройства; на фиг. 7 - функциональная схема блока управления; на фиг. 8 - эпюры напряжения, поясняющие работу формирователя импульсов записи; на фиг, 9 - зависимость выходного сигнала устройства детектирования от величины управляющего сигнала периода импульсов задающего генератора), исследуемый полупроводниковый прибор представляет собой МДП-структуру на 51 и-типа с удельным обьемным сопротивлением базыр= 4,5 Ом см: на фиг, 10 - изменение выходного сигналаФ1608551 едэктор И. Горна каз 3612 Тираж 510 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 с 1 К 40 1 Р Ттриггера при работе следящей системы; на фиг. 11 - схема образования дискриминаторной управляющей) характеристики следящей системы, на фиг. 12 - зависимость постоянной времени релаксации от величины амплитуды импульсов возбуждения (полевая зависимость); на фиг, 13 - зависимости постоянной времени релаксации для двух ГЦ от температуры (кривые Аррениуса).Устройство содержит криостат 1, в котором размещена исследуемая полупроводниковая структура, блок 2 измерения и регулирования температуры, соединенный с криостатом 1, источник 3 импульсного возбуждения, выход которого соединен с полупроводниковой структурой, регулятор, 4 амплитуды, выход которого соединен с источником 3 импульсного возбуждения, измеритель 5 тока и емкости, вход которого соединен с криостатом с полупроводниковой структурой, устройство 6 детектирования, входы которого подключены к выходу измерителя 5 тока и емкости и выходу формирователя 7 опорного сигнала, задающий генератор 8, синхронизирующий вход которого соединен с синхронизирующим выходом источника 3 импульсного возбуждения, а выход - с входом формирователя 7 опорного сигнала, формирователь 9 импульсов записи, вход которого подключен к выходу формирователя 7 опорного сигнала, а выходы - к входу стробирования компаратора 10, входам записи первого 11 и второго 12 запоминающих устройств и входу остановки задающего генератора 8, Вход первого запоминающего устройства 11 соединен с выходом устройства 6 детектирования, а выход - с одним из информационных входов компаратора 10, Второй информационный вход компаратора 10 соединен с выходом устройства б детектирования, Вход управления задающего генератора 8 соединен с выходом второго запоминающего устройства 12, вход которого подключен к арифметическому устройству 13. Информационный вход последнего соединен с выходом второго запоминающего устройства 12, а вход управления - с выходом триггера 14. Входы управления регулятора 4 амплитуды, блока 2 измерения и регулирования температуры, измерителя 5 тока, второго запоминающего устройства 12, э также вход установки триггера 14 соединены с соответствующими выходами блока 15 управления. Входы блока 16 регистрации соединены с выходами коммутатора 17, управление последним осуществляется через блок 15 управления. Информационные входы коммутатора 17 подключены к выходу регулятора 4 амплитуды, выходу блока 2 измерения и регулирова 50 жения, выход которого подключен кно рмал ьно разомкнутому контакту пере кл ючателя 31, выход которого соединен с входом дифференциального усилителя 32, выход которого подключен к входу электронного ключа 33, выход последнего соединен с накопительной емкостью 34 и входом дифференциального усилителя 35, выход последнего соединен с выходом дифференциального усилителя 32 и является выходом второго запоминающего устройства 12, а 1020303540 45 ния температуры, выходу устройства 6 детектирования и выходу логарифмическогоусилителя 18, вход которого соединен с выходом второго запоминающего устройства12, компаратор 10 соединен с входом триггера 14,Источник 3 импульсного возбуждения состоит (фиг. 2) из генератора 19, выход которого подключен к усилителю 20. Коэффициент усиления усилителя 20 управляется напряжением по входу управления от регулятора 4 амплитуды, Генератор 19 имеетсинхронизирующий выход. Выход усилителя 20 является выходом источника импульсного возбуждения. Регулятор 4 амплитуды содержит(фиг, 3) первый источник 21 опорного напряжения, выход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя 22,выход которого подключен к нормально замкнутому контакту переключателя 23,второй источник 24 опорного напряжения подключен к входу второго дифференциального усилителя 25, выход которого через переменное сопротивление В подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя 23, выход которого подключен к входуинтегратора 26, выход которого соединен с входом первого дифференциального усилителя 22, входом второгодифференциального усилителя 25 и является выходомрегулятора амплитуды. Управление пере-.ключателем 23 осуществляется с блока 15управления.Измеритель 5 тока и емкости состоит(фиг, 4) из преобразователя 27 ток - напряжение, выход которого подключен к нормально замкнутому контакту переключателя 28; и преобразователя 29 емкость - напряжения, выход которого подключен к нармально разомкнутому контакту переключателя 28, Входы преобразователей объединены и являются входом измерителя 5 тока и емкости, а выходом измерителя 5 является выход переключателя 28. Управление переключателем 28 осуществляется с блока 15 управления.Второе запоминающее устройство 12 содержит(фиг, 5) источник 30 опорного напрявхо зам рав ся клю 1 зап 11 н ств нап сод фиц дел под вхо 36 ари усил два цие ром рекл дин упра упра зом,омещают в криостат 1 исследуемую туру, С помощью блока 2 измерения и 3 ирования температуры поддерживает- обходимый температурный режим. На дуемую структуру подаются прямоные импульсы обратного смещения с ника 3 возбуждения. Величина ампли импульсов и характер ее изменения тся регулятором 4. Возникающее при изменение тока (емкости) структуры трируется измерителем 5 тока (емкоигнал, пропорциональный этому из нию, поступает на устройство 6 тирования, где перемножается с опоригналом формирователя 7 и усреднятечение его действия. Таким образом, рование выходного сигнала устройст ектирования заканчивается в момент ания действия опорного сигнала О ), длительность которого задается пем (частотой) импульсов задающего гера 8. В это же время запускается 5 рователь 9 импульсов записи, котоырабатывает два импульса О 2 и Оз,импульс Оз формируется по спаду ьсов 02. Импульс Ог осуществляет рование компаратора (схема сравне и проходит на его выход, если выходигнал первого запоминающего ства 11 больше выходного сигнала усва 6 детектирования, Импульсом Оз одятся запись выходного сигнала усом последнео является нормально нутый контакт переключателя 31, Упение переключателем 31 осуществляет- блока 15 управления, а электронным ом 33 - с формирователя 9 импульсов си, Первое запоминающее устройство алогично второму, только в нем отсутют переключатель и источник опорного яжения.рифметическое устройство 13 (фиг. 6) ржит усилитель 36 с переменным коэфентом усиления, выход которого через тель напряжения на резисторах 37 и 38, лючен к входу сумматора 39, второй которого подключен к входу усилителяявляется информационным входом метического устройства, Коэффициент ения усилителя 36 может принимать начения: +1 и -1, управление коэффитом усиления осуществляется тригге.стройство управления состоит из пеючателей 40-44, выходы которых соены с формирователем 45 сигналов вления, который формирует сигналы, вляющие работой всего устройства.стройство работает следующим обраструрегусянисслуголистотудызадаэтомрегисти).мендетеныметсяформва деокон(фиг.риоднератформрыйпричеимпустробния) 1нойустротройспроиз тройства 6 детектирования в первое запоминающее устройство 11 и остановка задающего генератора 8. Запуск последнегопроизводит импульс синхронизации источ 5 ника 3 возбуждения. Таким образом, опорный сигнал вырабатывается один раз запериод импульсов возбуждения и только втечение времени переходного процесса,приводягцего его к установлению стацио 10 нарного состояния. Управление периодомимпульсов задающего генератора осуществляется выходным сигналом второго запоминающего устройства 12, Законизменения управляющего сигнала опреде 15 ляется выражениемА= А. Ао, (1)где А - значение управляющего сигнала;А- - предыдущее значение управляющего сигнала;20 Ао - коэффициент, определяющий чувствительность устройства,Данный закон реализуется при помощиарифметического устроиства 13. Запись нового значения управляющего сигнала во25 второе запоминающее устройство производится импульсом Оз(фиг, 8), который вырабатывается формирователем 9 импульсовзаписи в момент окончания опорного сигналаО 1. Следовательно, во время формирования0 опорного сигнала величина управляющегосигнала и соответственно период импульсовзадающего генератора 8 остаются неизменными. Период импульсов задающего генератора 8 строго пропорционален величине5 управляющего сигнала, поэтому управляющий сигнал можно использовать в качествевеличины, характеризующей период задающего генератора и характеризующей постоянную времени релаксации,0 Выбор арифметической операции (сложение или вычитание) осуществляется триггером 14, Высокий уровень сигнала навыходе триггера соответствует операциисложения, низкий уровень - операции вычи 5 тания, Триггер 14 имеет счетный вход и входустановки. Если управление осуществляется по входу установки, то счетный вход блокируется. Управление по счетному входуосуществляет компаратор 10, а по входу ус 0 тановки - блок 15 управления.В устройстве реализовано несколькорежимов работы, Выбор необходимого режима осуществляется через блок управления, при этом на блок 16 регистрации черезкоммутатор 17 подаются сигналы, характеризующие выбранный режим работы:Устанавливаем оежим работы. при котором температура в криостате 1 и амплитудаимпульсов обратного смещения поддерживаются постоянными, Х-вход блока 16 реги 1608551страции подключается к выходу устройства 6 детектирования, а У-вход - к выходу логарифмического усилителя 18. Триггер 14 переводится в режим управлений по входу установки, арифметическому устройству 13 задается операция сложения (вычитания), Величина управляющего сигнала Ап начинает изменяться, Закон изменения задается выражением (1). Зависимость величины выходного сигнала устройства детектирования от величины управляющего сигнала имеет вид пика (фиг, 9). Положение максимума пика на оси т соответствует постоянной времени переходного процесса, а амплитуда пика несет информацию о концентрации ГЦ, Если в исследуемом образце имеется несколько ГЦ, то каждый из них характеризуется своей постоянной времени релаксации, и, следовательнЬ, каждому ГЦ на оси т соответствует свой пик,Переводим второе запоминающее устройство 12 в режим ручного управления, при этом выходной сигнал второго запоминающего устройства 12 соответствует величине сигнала источника 30 опорного напряжения (фиг. 5). Устанавливаем величину управляющего сигнала (выходной сигнал второго запоминающего устройства 12) такой, чтобы она приблизительно соответствовала положению максимума пика. Отключаем ручное управление, При этом вход второго запоминающего устройства 12 соединяем с выходом арифметического устройства 13, Переводим триггер в режим управления по счетному входу. Замыкается обратная связь, и элементы 6-14 устройства образуют следящую систему. Работа следящей системы иллюстрируется на фиг. 9.Предположим, что в момент включения следящей системы величина управляющего сигнала А 1, а в первом запоминающем устройстве 11 записан сигнал В 2, соответствующий управляющему сигналу А 2. А 2 больше А 1, следовательно, арифметическому устройству 13 задана операция вычитания, т.е. на выходе триггера 14 имеем низкий уровень,С приходом синхронизирующего импульса запускается задающий генератор 8, формируется опорный сигнал, по окончанию которого на выходе устройства 6 детектирования устанавливается сигнал В 1, соответствующий величине управляющего сигнала А 1, Сигнал В 1 меньше сигнала В 2, записанного в первом запоминающем устройстве 11, следовательно, стробирующий импульс 02 (фиг. 8) проходит на выход компаратора 10, срабатывает триггер 14 и нэ его выходе устанавливается высокий уро 10 15 первом запоминающем устройстве 11 записан сигнал В 2, во втором запоминающемустройстве 12 - сигнал Аз = А 2 + Ао, В третьем цикле выходной сигнал триггера 14 неизменяется, так как Вз больше В 2. В первоезапоминающее устройство 11 записываетсясигнал Вз, а во второе запоминающее устройство 12 - сигнал А 4 = Аз+ Ао,В четвертом цикле на выходе компаратора 10 появляется стробирующий импульс,так как В 4 меньше Вз, Триггер 10 устанавливается в низкий уровень (вычитание). Впервое запоминающее устройство записывается В 4, э во второе запоминающее устройство 12 - АЗ = А 4 - АО. Таким образом,следящая система вновь возвращается к ве-.личине управляющего сигнала Аз, соответствующей Максимальному значениювыходного сигнала устройства 6 детектирования. Если продолжить рассмотрение работы следящей системы, то окажется, чтоона совершает колебания относительно величины Аз в ту и другую сторону на величинуАо, При этом выходной сигнал триггера 14изменяется так, как показано на фиг. 9.Величина Ао выбирается следующим образом, Предположим, что имеется два уровня, отличающиеся один от другого навеличину 0,001 эВ, Постоянные времениЕс - Е 1составляют 71 =го ехр икЕ с - Ет + 0,001 )т 2 =то ехрКтВ 50 20 25 30 35 40 45 вень. Арифметическое устройство 13 переводится в режим сложения и на его выходе формируется сигнал А 2 =А 1+ А который записывается во второе запоминающее устройство 12. В первое запоминающее устройство 11 записывается выходной сигнал устройства детектирования В 1.С приходом следующего синхроимпульса цикл измерения повторяется, При этомна выходе устройства 6 детектирования формируется сигнал В 2, соответствующий величине управляющего сигнала А 2. Так как В 2 больше В 1, стробирующий импульс не проходит на выход компаратора 10 и в арифметическом устройстве 13 сохраняется режим сложения. К концу второго цикла в найдем отношение = ехр= 1,0571 0,001 2 Ктпри температуре 300 К, тогдат 1 = 1,05 г 2 или х 1 = 72 + 0,05 г 2 . (3)Постоянная времени релаксации пропорциональна периоду импульсов задающего генератора, который пропорционален величине управляющего сигнала, Следовательно, если управляющий сигнал изменяется аналогично (3), то обеспечивается.мос етектсигнахар кусилПри ндис рзавитрой.при еусилхара тется нсигн лпоря танаамплвелиния,мутавелиния ивремусиламплснимЗнаятивлнепоглубо(фиг.обьеводитэтом,12), увозбуной двключНа Хнапряка 2 иры,аусилизначелакса(фиг, 1ГЦ,Иможнодя слеизмер щая способность 0,001 эВ. Учитывая, кращается время определения параметров ля уверенного слежения расстояние всех ГЦ, Определяя значение энергии ионипиками должно составлять не менее зации ГЦ, можно найти величину удельного рмулу (2) можно записать как обьемного сопротивления.Ал = Ал+ 0,025 Ал, 5 Для реализации метода релаксационискриминаторная (управляющая) ха- ной спектроскопии в устройстве требуется ристика следящей системы определя- перевести второе запоминающее устройсткак разность двух, сдвинутых одна во 12 в режим ручного управления, устаноительнодругойнавеличинуАозависи- вить необходимый период импульсов й выходного сигнала устройства де задающего генератора, Затем на Х-вход блорования от величины управляющего ка 16 регистрации подается сигнал с выхода ла (фиг. 11). Вид дискриминаторной устройства 6 детектирования, на У-вход - теристики зависит от коэффициента сигнал с блока 2 измерения и регулирования каскада сравнения компаратора, ния температуры, включается режим разебольших коэффициентах усиления 15 вертки(изменения)температуры и снимается иминаторная характеристика (фиг. 11) спектр.ит от величины выходного сигнала ус- В предлагаемом устройстве сокращено тва детектирования, Компаратор, на- количество прецизионных элементов (резир 521 СА 3, имеет коэффициент сторов, конденсаторов, дифференциальных ния 10, поэтому дискриминаторная 20 усилителей), входящих в состав каждого усеристика (фиг, 11) практически оста- тройства детектирования, упрощена наеизменной при изменении выходного стройка устройства, Кроме того, ошибка, а устройства детектирования на три возникаюгцая в связи с температурным ивременным дрейфом параметров элеменосле включения следящей системы ус тов, входящих в состав устройства детектиливается при помощи регулятора 3 рования, не сказывается на работе туды начальное и конечное значения устройства.ины амплитуды импульсов возбуждеа регистрирующий блок 16:ерез ком- Формула изобоетения ор 17 подается текущее значение 30 Устройство для определения параметины амплитуды импульсов возбужде- ров глубоких центров в полупроводниковых регистрируемая величина постоянной структурах, содержащее криостат с размени релаксации с логарифмического щенной в нем полупроводниковой структутеля 18. Включается режим развертки рой, блок измеоения и регулирования туды импульсов возбуждения, т.е. 35 температуры, первый выход которого соеется полевая зависимость (фиг. 12). динен с криостатом, источник импульсного величину удельного объемного сопро- возбуждения, первый выход которого подния исследуемой структуры, можно ключен к криостату, измеритель тока и емредственнонайтиэнергиюионизации кости, вход которого соединен с выходом ого центра из полевой зависимости 40 криостата, устройство детектирования, пер). В случае, если величина удельного вый и второй входы которого подключены ного сопротивления неизвестна, при- соответственно к выходу измерителя тока и я температурное сканирование, При емкости и к выходу формирователя опорноспользуя полевую зависимость (фиг. го сигнала, задающий генератор, синхронитанавливается амплитуда импульсов 45 зирующий вход соединен с вторым выходом дения, соответствующая максималь- источника импульсного возбуждения, а выительности переходного процесса, и ход задающего генератора связан с входом ется режим развертки темпеоатуры. формирователя опорного сигнала, блок реход блока 16 регистрации подается гистрации и логарифмический усилитель, ение, пропорциональное 1/Т, с бло о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью мерения и регулирования температу- повышения точности измерений путем по- а У-вход - сигнал с логарифмического вышения чувствительности следящей систееля .8, характеризующий текущее мы, в него дополнительно введены первое еля 18ие величины постоянной времени ре- запоминающее устройство, один вход коии, По наклону полученной кривой 55 торого соединен с выходом устройства де) определяется энергия ионизации тектирования, компаратор, первый и второй мерение параметров выбранного ГЦ информационные входы которого подклюв любое время прекратить и, перево- чены соответственно к выходу первого ящую систему на другой ГЦ, начать запоминающего устройства и к выходу устние его параметров, Тем самым со- ройства детектирования, а выход компара 1608551 12тора - к счетному входу триггера, выход которого соединен с входом управления арифметического устройства, второе запоминающее устройство, выход которого соединен с входом управления задающего генератора, с информационным входом арифметического устройства и с входом логарифмического усилителя, информационный вход запоминающего устройства связан с выходом арифметического устройства, блок формирования импульсов записи, вход которого подключен к выходу формирователя опорного сигнала первым и вторым выходами, блок формирования импульсов записи подсоединен к входам записи соответственно первого и второго запоминающих устройств и к входу остановки задающего генератора, а третьим выходом - к входу стробирования компаратора, регулятор амплИтуды, выход которого соединен с входом источника импульсного возбуждения, коммутатор, первый, второй, третий и четвертый информационные входы которого подклю чены к выходу устройства детектирования, квыходу блока измерения и регулирования температуры, к выходу логарифмического усилителя и выходу регулятора амплитуды соответственно, при этом выход коммутато ра связан с входом устройства регистрации,блок управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно с входом блошка измерения и регулирования температуры, 15 входом управления регулятора амплитуды,входом управления измерителя тока и емкости, входом управления коммутатора, входом управления второго запоминающего устройства и входом установки триггера.