Способ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-п-перехода

СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1774397 9) 1 1 21/ РЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1, Берман Л.С. и др, Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках, М.: Наука, 1981, с,16 - 26.2. Павлов Л,П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов, М,: Высшая школа, 1987, с.172 - 182.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В БАЗОВОЙ ОБЛАСТИ р-и-ПЕРЕХОДА(57) Сущность изобретения: Подают на р-и- переход импульс прямого напряжения с амплитудой, большей контактной разности потенциалов р-и-перехода Ок длительностью, большей времени перезарядки г Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может найти применение при определении параметров структур с р-и-переходами любых полупроводниковых материалов.Концентрация носителей в базовой области р-и-перехода является одной из основных характеристик полупроводниковых приборов, так как она определяет коэффициент усиления транзисторов, КПД светодиодов, Знание и необходимо при проектировании и разработке большинства активных полупроводниковых приборов,Известен способ определения концентрации носителей заряда в базовой области . р-п-перехода, основанный на эффекте Холла(1), Эффектом Холла обусловлено возникбарьерной емкости р-и-перехода. Через время задержки гзад подают прямоугольный импульс обратного напряжения амплитудой, равной (3 - 5) Ок, длительностью Г, где т 0 т 0 (О - постоянная времени перезарядки глубоких центров за счет термической ионизации). Измеряют величины барьерной емкости р-и-перехода с(Т 1) и с(т 2) во время подачи импульса обратного напряжения в фиксированные моменты времени т 1 и т 2, (т 1Т 2), определяют величину Л С = =С(Т 1) - С(Т 2), Повторяют операции способа, изменяя время задержки между подачей прямого и обратного импульса. Определяют время задержки, при котором Ь с начинает уменьшаться, и время задержки, при котором Лс становится равно нулю. Искомую величину определяют из математической зависимости. новение в полупроводнике под де магнитного поля поперечной ЭДС текании через него электрического т личина этой ЭДС будет пропорци концентрации носителей заряда и. . метод не может быть применим дл дования готовых р-п-переходов, поэ мерение концентрации носителей 3 базовой области должно проводить здания р-и-перехода. Однако в и получения области полупроводник гим типом проводимости происходи тролированное легирование б области и, следовательно изменен чины и. Поэтому данный метод не может использоваться лишь для пр тельной оценки. йствием при проока. Веональна Данный я исслетому изаряда в ся до сороцессе а с дру- тнеконаэовой ие вели- точен и иблизи 1774397Известен также способ определенияконцентрации носителей заряда в базовойобласти р-п-перехода (2), выбранный автором как прототип, Данный метод основанна обратно пропорциональной зависимостивеличины барьерной емкости от приложенного напряжения. Метод включает подачупрямоугольных импульсов обратного напряжения О, равного (3 - 5)О, где О -контактная разность потенциалов р-и-перехода, измерения барьерной емкости и-р-пе - грехода, измерения зависимости С =- т(О) иопределения из нее расчетным путем иско. мого параметра. Однако при расчете полагают, что концентрация носителей заряда вбазовой области равна концентрации нескомпенсированной мелкой примеси;йд - йа = и. (1)Но условие (1) выполняется только дляуказанных полупроводников (бе, 51), основные легирующие примеси которых имеютмалые значения энергий активации и прикомнатной температуре полностью ионизованы. В то же время в широкозонных полупроводниках, где энергии активации мелкихдоноров и экцепторов велики, в рабочем дляполупроводниковых приборов диапазонетемператур полной ионизэции примеси ненаступает, но условие(1) нарушается (иНов-Ка) и определение концентрации носителей заряда в базовой области р-и-переходаданным методом будет невозможно,Цель изобретения - расширение классаисследуемых полупроводниковых материалов за счет обеспечения возможности определения концентрации носителей заряда вбазовой области р-и-переходов на основеширокозонных полупроводников,Указанная цель достигается тем, что визвестном способе определения концентрации носителей заряда в базовой областир-и-перехода путем подачи на р-и-переходпрямоугольных импульсов обратного напряжения амплитудой О, равной (3 - 5) О, .определения величины барьерной емкостир-и-перехода и определения расчетным путем искомого параметра, на р-и-переходподают импульс прямого напряжения амплитудой 01О с длительностью к 1, большей постоянной времени перезарядкибарьерной емкости т р-п-перехода, импульс обратного напряжения с постояннойвремени задержки гзад, равной нулю, сдлительностью га, т 0гиС 1, где 0 - постоянная времени перезарядки глубокихцентров, измеряют величину барьерной емкости р-п-перехода С(11) в момент времени11, то 11 ти, величину емкости р-и-перехода С(тг) в момент времени сг 1112ти, вели чину Ь С = С(т 1) - С(тг) = Ь См, где ЬСм - максимальное значение Ь С при таад, равной нулю, повторяют подачу прямого и обратных импульсов. изменяя время задержки обрат ного. импульса, фиксируя величину временизадержки гзад 1, при которой величина ЬС начинает уменьшаться, и таадг, при которой Ь С становится равной нулю. и искомую величину определяют из соотношения10 1ив(7 эадг Тэад 1) Чт гр(п)где и - концентрация носителей заряда в базовой области р-п-перехода, Ч - тепловая скорость носителей заряда, гор(п) - сечение захвата дырок (электронов) на глубокий центр, О, - контактная разность потенциалов р-п-перехода,Сущность изобретения заключается вследующем, Концентрация носителей заряда в базовой области определяют постоянную времени перезарядки глубоких центров г: 30 35 40 45 50 55- (2)1иЧ, сь(р)Таким образом. задача сводится к определению т. Емкость р-и-структуры определяется концентрацией мелких и глубоких электрических активных центров в области р-п-перехода, После подачи на р-и-переход импульсов прямой полярности происходят инжекция неосновных носителей тока и захват их на глубокие центры (ГЦ), Это приводит к изменению емкости р-п-перехода, После окончания импульса прямой полярности происходит перезарядка ГЦ, вызывающая релаксацию емкости. Если после окончания импульса инжекции р-п-структура была переключена к обратному напряжению, перезарядка ГЦ идет за счет термической ионизации захваченных носителей с постоянной времени О, где 0 определяется параметрами ГЦ, Тогда разность между двумя значениями емкости в моменты времени т 1 и 1 г после окончания импульса инжекциие 11/О М е 1 г/О М (е ц/О- е сг/О): ЬСм, (3)где М - полная емкость р-п-перехода, обусловленная ГЦ.Если между окончанием импульса прямого напряжения и началом импульса обратного прошло время таад, при котором напряжение на структуре равно нулю, перезарядка ГЦ будет определяться двумя процессами;во-первых, термической ионизацией,во-вторых, во время Гзад, когда напряжение и, следовательно, электрическое поле вбазе р-и-структурыы равно нулю, захватомносителей из зоны с погтоянной времени г.После окончания тэад и начала импульса обратного напряжения электрическое, полевыталкивает свободные носители в квазинейтральную область р-п-перехода, и второй процесс прекращается, Следовательно,когда тзад 0 выражение(3) можно переписать:Л С - у еВ р 1 г 1 у Ьф -12/О/ у е 1 оАу% (е 1 С 1 12/О) -сФЯ С (4)когда таад ( (г. ЛС =ЛС,когда таад) г, Л С = О,Таким образом, как видно из (4) и (5),измеряя зависимость ЛС = 1 (гэад) и фиксируя величины гзад, когда Л С начнет уменьШатЬСЯ (тзад 1) И СтаНЕт РаВНОй НУЛЮ (тзад 2)можно найти искомую величину1и= (б)(Тэад 2 тзад 1)Гтр(П)Данным методом можно измерять концентрацию носителей заряда в базовойобласти р-и-переходов во всех полупроводниковых материалах. Точность измерения,определяемая точностью измерения амплитуды релаксации емкости, составляет 1 -3%.Существенным признаком данного изобретения является подача на р-п-переходимпульсов прямого напряжения амплитудой ОО и длительностью г 1, большейто, обусловленной необходимостью перезарядки ГЦ в базовой области р-и-переходадля появления релаксации барьерной емкости (то = ВС - постоянная времени переходных процессов, где В - сопротивлениебазовой области р-и-перехода и контактов,С - полная емкость р-п-перехода),Существенным признаком является измерение емкости в моменты времени т 1 и т 2,г, т 1 Ьи т 1 и 2 ЪСущественным признаком данного способа является повторное измерение С(11) иС(12) ПРИ РаЗЛИЧНЫХ ВЕЛИЧИНаХ гзад, ЭтО ПОзволяет расчетным путем найти искомую величину и:1и(Тзад 2 - Гзад 1)ЧСГр(П)Таким образом, каждый из признаковнеобходим, а все вместе они достаточны для достижения цели.Покажем, что совокупность существенных признаков, отраженных в формуле изобретения, нова по сравнению с решениями, известными в науке и технике,Заявляемая совокупность признаков иззнания мирового уровня техники автором неизвестна, хотя некоторые признаки отра п(17 101-42 158 10-4) 107 3 10-20 = 196 10 см 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 жены в публикациях, Однако, находясь в другой совокупности признаков, отличной от заявляемой, в известных решениях достигается отличный от данного случая положительный эффект. Так, в (4) иэ измерений амплитуд релаксации емкости определялась концентрация перезаряжающихся ГЦ.Только вся совокупность заявляемых признаков в результате их взаимовлияния позволяет выявить новую функциональную зависимость концентрации перезаряжающихся ГЦ от длительности задержки между импульсами прямого и обратного напряжения, что дает возможность измерять концентрацию носителей заряда в базовой области р-и-перехода на основе как узкозонных, так и широкозонных полупроводников,Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию "существенное отличие".Предлагаемый способ был реализован при определении концентрации носителей заряда в базовой области р-п-перехода на основе карбида кремния политипа 6 Н, Эти структуры были выбраны. так как ЯС является широкозонным полупроводником (ширина запрещенной зоны для 6 Н - ЯС при 300 К составляет 3,02 эВ),Исследовавшаяся р-и-структура была получена эпитаксиальным наращиванием рслоя, легированного в процессе роста А 1, на исходную подложку из ЯС и-типа проводимости, Контактная разность потенциалов полученного р-и-перехода составляла 2,4 эВ, Постоянная времени перезарядки ГЦ 0 = 50 мс, тепловая скорость носителей Чт = =10 см/с, сечение захвата электронов на7уровень 10 см, Постоянная времени пе реходных процессов т, -10 с. На р-и-переход подавали импульсы прямой полярности амплитудой 3 В и длительностью 30 мкс. Затем со временем задержки таад = 0 был подан импульс обратного напряжения амплитудой 8 В и длительностью 40 мс. В момент времени 11 = 10 мс была измерена емкость р-и-перехода С(т 1) = 156,4 пФ, а в момент времени с 2 = 30 мс - емкость р-и-перехода С(12) = 147 пФ. Величина С(11) - -С(с 2) = 156,4 - 147,3 = 7,1 п Ф. После повторения измерения при различных гэад было обнаружено, что величина Л С начинает УменьшатьсЯ пРи тзад 1=.180 мкс и становилась Равной нУлю и Ри тзад 2 = 17 мс, ИскомаЯ величина была определена из соотношения1774397 Составитель А.ЛебедевТехред М.Моргентал Корректор П,Гереши Редактор Б.Федотов Заказ 3930 Тираж Подписное 8 НИИПИ 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 Таким образом, концентрация носителей заряда в базовой области р-и-переходасоставила 2 101 см . Как видноиэпримера конкретной реализации, по сравнению спрототипом заявляемый способ обеспечивает измерение концентрации носителейзаряда в базовой области р-п-перехода наоснове широкозонных полупроводников,что не обеспечивал прототип,Заявляемый способ может найти значительно более широкое применение при создании и исследовании полупроводниковыхприборов с р-п-переходом, чем способ-про тотип.. Формула изобретенияСпособ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-и-перехода, включающий подачу на р-и-переходпрямоугольных импульсов обратного напряжения амплитудой О, равной (3-5)Ок, измерение барьерной емкости р-и-перехода иопределение искомого параметра расчетным путем, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью расширения класса исследуемых материалов в область широкозонных полупроводников, предварительно на р-л-переходподают импульс прямого напряжения амплитудой О 1 Ок длительностью х 1, большейвремени перезарядки хо барьерной емкости р-л-перехода, длительность прямоугольногЬ импульса обратного напряжения задают равной хи, где хо хи О, а 0 - постоянная времени перезарядки глубоких центров эа счет термической ионизации, из меряют величины барьерной емкости р-лперехода С(0) и С(1 г) во время подачи импульса обратного напряжения в фиксированные моменты времени О и тг (т 1тг), измеряют зависимость величины Ь С = С(т 1) - 10 -С(1 г) от времени задержки хмежду импульсами прямого и обратного напряжений при изменении хлад от нуля до величины, при которой ЬС становится равной нулю, а искомую величину определяют по формуле 15 1(хзадг хзад 1) чт(тр(п)где и - концентрация носителей заряда в базовой области р-и-перехода;Хзад - величина времени задержки, при 20 которой величина Ь С начинает уменьшаться;хэадг - величина времени задержки, прикоторой Ь С становится равной нулю;ч - тепловая скорость носителей заряда;Ор(п) - сечение захвата дырок (электронов) на глубокий центр;О - контактная разность потенциалов 30 р-и-перехода