Способ определения поверхностного электростатического потенциала полупроводника

0 11782510 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Соввтеких Социалистических Республик(088,8) 9.82, Бюллетеньия описания 23.09.8 пв делам изобретений и открытии 2) Авторы изобретени 1) ЗаявительМ, М. Михаляк, А. П. Версоцкас и С. П. КальвенасОрдена Трудового Красного Знамени институт физик полупроводников АН Литовской ССР 4) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОЛУПРОВОДНИКАИзобретение относится к электроннойпромышленности и может быть использовано для исследования физических параметров полупроводниковых структур.Известны способы определения поверхностного электростатического потенциала полупроводника,Один из известных способов основан на эффекте поля и заключается в том, что к конденсатору, одной из обкладок которого 10 является металлический электрод, а другой - поверхность полупроводника, прикладывают постоянное внешнее напряжение, которое не нарушает равновесие между свободными носителями и решеткой по лупроводника. При этом заряд в приповерхностной области полупроводника (в области поверхностного пространственного заряда) изменится таким образом, чтобы экранировать объем полупроводника как 20 от поля заряда, локализованного в поверхностных состояниях, так и от внешнего приложенного электрического поля, Соответственно изменится поверхностный электростатический потенциал и однозначно свя занное с ним поверхностное сопротивление.Поэтому, измеряя изменение поверхностного сопротивления, определяют поверхностный электростатический потенциал по теоретическим кривым 1. 30 Известен также способ, основанный на попеременном помещении образца в электрическое поле, нарушающее термодпнамическое равновесие между свободными носителями и решеткой полупроводника, и поле, не нарушающее это равновесие. В данном способе измеряют изменение эффективного сопротивления образца при заданных напряженностях электрических полей, продольных относительно образца, и известном постоянном напряжении на конденсаторе. По величине изменения эффективного сопротивления и теоретическим кривым определяют значения поверхностного электростатического потенциала 2.Известные способы удобны для измерений поверхностного электростатического потенциала полупроводника при больших загибах зон в сторону инверсии, Однако прп обогащении поверхности основными носителями тока затруднен расчет теоретических кривых из-за остывания горячих носителей тока у поверхности полупроводников, что приводит к снижению точности измерений 31,Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является способ, состоящий в том, что к полупроводниковому образцу с одним металлическим и другим емкостным контактами прикладывают45 50 55 60 65 постоянное напряжение и высокочастотное напряжение такой малой величины, чтобы не нарушалось термодинамическое равновесие между свободными носителями тока и решеткой полупроводника, измеряют суммарную емкость области поверхностного пространственного заряда полупроводника и емкость диэлектрика под емкостным контактом, выделяют равновесную емкость области поверхностного пространственного заряда и определяют поверхностный элсктростатический потенциал полупроводника из сопоставлсния зависимости емкости области поверхностного пространственного заряда от постоянного напряжения с теоретической зависимостью этой емкости от поверхностного электростатического потенциала. Для исключения из суммарной емкости исследуемого образца емкости поверхностных состояний частоту соо переменного высокочастотного напряжения выбирают из условийсоотом 1, соотоз 1,где том - максвелловское время диэлектрической релаксации;тоз - время релаксации поверхностных состояний 4.Недостаток известного способа заключается в том, что при электростатических потенциалах поверхности, соответствующих значительному ее обогащению основными носителями тока, суммарная емкость исследуемого образца практически перестает зависе."ь от величины емкости области поверхностного пространственного заряда полупроводника, по которой и определяется поверхностный электростатический потенциал, так как эта суммарная емкость практически равна емкости диэлектрика под емкостным контактом, Этот недостаток приводит к потере точности или даже невозможности определения электростатического потенциала при больших обогащениях поверхности.Целью изобретения является повышение точности измерения поверхностного электростатического потенциала в области обогащения поверхности полупроводника основными носителями тока.Поставленная цель достигается тем, что в способе, по которому к полупроводниковому образцу с одним металлическим и другим емкостным контактами прикладывают постоянное напряжение и высокочастотное напряжение такой малой величины, чтобы не нарушалось термодинамическое равновесие между свободными носителями тока и решеткой полупроводника, измеряют суммарную емкость области поверхностного пространственного заряда полупроводника и емкость диэлектрика под емкостным контактом, выделяют равновесную емкость области поверхностного пространственного заряда и определяют поверхностный электростатический потенциал полу 5 10 15 20 25 30 35 40 проводника из сопоставления зависимости емкости области поверхностного заряда от постоянного напряжения с теоретической зависимостью этой емкости от поверхностного электростатического потенциала, на полупроводниковый образец воздействуют электромагнитным излучением, разогревающим свобоные носители тока, измеряют суммарный сигнал электродвижущих сил межд, контактами образца, выделяют из суммарного сигнала составляющую сигнала поверхнос-ной термоэлектро;,вяжущей силы горячи.; носителей тока и уточняют поверхностный электростатический потенциал полупроводника из сопоставления зависимости этой термоэдс от постоянного напряжения на емкостном контакте с ес теоретической зависимостью от поверхностного электростатического потенциала полупроводника при фиксированной энергии электромагнитного излучения.Данный способ осуществляют следующим образом.К полупроводниковому образцу с одним металлическим и другим емкостным контактами прикладывают постоянное смещающее напряжение такой малой величины, чтобы существенно не нарушалось термодинамическое равновесие между свободными носителями тока и решеткой полупроводника. Измеряют суммарную емкость образца С, состоящую из емкости области поверхностного пространственного заряда С,-, и емкости диэлектрика Со, под емкостным контактом в зависимости от величины постоянного смещающего напряжения У,. на смкостном контакте. Из общей емкости С выдают равновесную емкость области поверхностного пространственного заряда Си ее зависимость от УСС (У,)С(и,) =о ( см) которую сравнивают с теоретической зависимостью С;, ср, (То)от поверхностного электростатического потенциала полупроводника при температуре окружающей среды Т, (или температуре решетки полупроводника).Зависимости Св,(У,) и С 1 ср 8(То) дают зависимость ср,(То) =Р(Е/о,.), т. е, для каясдого значения У, получают значение сря (То)При обогащении поверхности основными носителями тока, когда,.(у)где й - постоянная Больцмана, а О - заряд электрона, С(У) жсопз 1 лСо и в этой области зависимость С(У,) практически не дает информации о величинах ср(То) .Поэтому, когда уже известна зависимость ср,(То) =1(1/с,) для области истоще( Т, ) ния поверхности основными носителями тока, для прямых зон, когда ро(То) =О, идля области слабого обогащения, малое высокочастотное напряжение выключают и на полупроводниковый образец воздействуют электромагнитным излучением с заданным уровнем мощности в течение заданного времени, разогревающим свободные носители тока. Измеряют суммарный сигнал электродвижущих сил У между емкостным и металлическим контактами, равный в режиме обогащенияТ, КТ, Т,У у,(Т,) 1 1 п +УТо т,где Т, - температура горячих основных носителей тока; Т, КТ, Т, Ц = 9 (Т ) -- 1 - 1 п -- поТо д То- поверхностная термоэлектродвижущая сила горячих носителейтока;Уо - другие электродвижущие силы, независящие от р,(Т,),Из сигнала У выделяют составляющуюсигнала поверхностной термоэдс горячихносителей тока, (Т,) -- 1путем вычитания из суммарной ЭДС У еезначения.при плоских зонах на поверхности полупроводника, т. е. при р,(То) =О,так как для этой области зависимостьро(То) =о,) уже известна из зависимости Сос(Усм) и уточняют поверхностный электростатический потенциал полупроводника ро(То) в режиме обогащения из сопоставления зависимости составляющей величины поверхностной термоэдс горячих носителей тока У - У р,(То) =0 от постоянного напряжения смещения У,ы с теоретической зависимостью этой составляющей от поверхностного электростатического потенциала полупроводника ро(То) при фиксированной энергии электромагнитного излучения, т. е. при заданном значении пара- метра Благодаря определению поверхностного электростатического потенциала полупроводника в данном способе из составляющей поверхностной термоэдс, возникающей на системе металл-диэлектрик-полупроводЗо 35 40 45 50 55 60 65 6ник при воздействии на полупроводник электромагнитным излучением, разогревающим свободные носители тока, вместо измерения суммарной равновесной емкости той же системы, как в известном способе, позволяет значительно уточнить величину поверхностного электростатического потенциала полупроводника в режиме обогащения,,Например, для системы А - 50 - Я - А 1, обычно используемой при производстве микроэлектронных приборов, изменение напряжения на затворе от - 2 до - 10 В изменяет суммарную емкость С в обогащении на 0,32 о/о, а составляющая поверхностной термоэлектродвижущей силы горячих носителей тока, используемая для определения сро(о), изменяется при том же изменении напряжения на 327 о, т. е, в 100 раз больше, что и обеспечивает большую точность определения р,(То) в обогащении по данному способу,Формула изобретения Способ определения поверхностного электростатического потенциала полупроводника, состоящий в том, что к полупроводниковому образцу с одним металлическим и другим емкостным контактами прикладывают постоянное напряжение и высокочастотное напряжение такой малой величины, чтобы не нарушалось термодинамическое равновесие между свободными носителями тока и решеткой полупроводника, измеряют суммарную емкость области поверхностного пространственного заряда полупроводника и емкость диэлектрика под емкостным контактом, выделяют равновесную емкость области поверхностного пространственного заряда и определяют поверхностный электростатический потенциал полупроводника из сопоставления зависимости емкости области поверхностного пространственного заряда от постоянного напряжения с теоретической зависимостью этой емкости от поверхностного электростатического потенциала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения поверхностного электростатического потенциала в области обогащения поверхности полупроводника основными носителями тока, на полупроводниковый образец воздействуют электромагнитным излучением, разогревающнм свободные носители тока, измеряют суммарный сигнал электродвижущих сил между контактами образца, выделяют из суммарного сигнала составляющую сигнала поверхностной термоэлектродвижущей силы горячих носителей тока и уточняют поверхностный электростатический потенциал полупроводника из сопоставления зависимости этой термоэдс от постоянного напряжения на емкостном контакте с ееЗаказ 1441/20 Изд.222 Тираж 719 ПодписноеНПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Типография, пр. Сапунова, 2 георетической зависимостью от поверхностного электростатического потенциала полупроводника при фиксированной энергии электромагнитного излучения,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Пека Г, П. Физика поверхности полупроводников, Киев, изд. Киевского Государственного университета, 1967, с, 54 - 56. 82. Авторское свидетельство СССР308390, кл. 6 01 К 29/00, 1971.3. Кальвенас С. П. и др. Разогрев элекгронов в сильных постоянных электрически 5 полях у поверхности электронного германия. - Физика и техника полупроводников, вып. 10, 1968, т. 2, с. 1495 в 14.4, Пека Г. П. Физика поверхности полупроводников, Киев, изд, Киевского Государ ственного Университета, 1967, с. 173 в Я