Способ определения параметров глубоких уровней в полупроводниках и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 1 1. 21/6 1 3. 31 26,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГННТ СССР М ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ(56) Принц В.Я Булатецкий К.Г, Спектроскопня глубоких примесных уровнейкомпенсационным методом. - "Приборы итехника эксперимента", В 4, 1974,с. 255-258..УоЬпяоп И.М. Меаяцгетепй оЙ вешз. -сопдцсогьпва 1 аог пйегЕасе веайевЪу сопяйап сарас 11 апсе плеер 1 ече 1,йтапвдепй вреКгоясору", Лоигпа 1 оХЧасццщ Бсхепсе апс 1 ТесЬпо 1 ояу. 7,21,Ф 2, дц 1 у/Ацд. 1982, рр.303-3141(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУНЕСТВЛЕНИЯ .(57) 1.,Способ. определения параметровглубоких уровней в полупроводниках,включающий подачу на образец напря-жения смещения и импульса напряжения,изменяющего. напряжение смещения, икомпенсацию изменения емкости образцапосле окончания импульса напряжения.путем изменения напряжения смещения,отличающийся тем, что,с целью повьппения чувствительности,перед подачей напряжения смещения об-.разец помещают в Колебательный контур,подают напряжение смещения, определяютчастоту собственных колебаний, колерательного контура с образцом,2 .подают импульс напряжения, сравниваютфазу частоты собственных колебанийколебательного контура с образцом сфазой опорной частоты и изменяютнапряжение смещения на образце дообеспечения равенства частоты собственных колебаний колебательногоконтура с образцом и опорной частоты.2.:Устройство для определенияпараметров глубоких уровней в полупроводниках, содержащее генераторвысокой частоты, усилитель обратнойсвязи, выход которого соединен свходом двойного импульсного интегратора, источник напряжения смещения,выход которого соединенс первымвходом. сумматора, выход которогосоединен с первой клеммой для подключения полупроводника, вторую итретью клеммы для подхлючения полу,проводника и генератор импульсов,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено автогенератором, фазовымдетектором и аналоговым ключом, причем вторая и третья клеммы для подключения полупроводника соединены спервым и .вторым входами автогенератора соответственно, выход автогенератора соединен с первым входом фазового детектора, второй вход которогосоединен с выходом генератора высокойчастоты, а выход - с входом усилителя обратной связи, выход которогосоединен с первым входом аналоговогоключа, выход которого соединен свторым входом сумматора, третийвход которого соединен с вторым входом аналогового ключа и выходом генератора импульсов.Изобретение относится к способамопределения параметров полупроводникового материала и касается такогометода исследования полупроводников,5как нестационарная спектроскопияглубоких уровней (НСГУ), которыйшироко используется для определенияконцентрации и параметров глубокихуровней в полупроводниковом материа"ле,Известен способ определения параметров глубоких уровней методом НСГУ врежиме постоянной емкости,В нем компенсация изменения емкости 15после выключения заполняющего импульса осуществляется путем добавленияк постоянному напряжению величиныЫ .М(1), закон изменения которой отсмвремени принимается экспоненциальнымЬЦ (Е) "- О,егде постоянная времени ь задается, аамплитуда 11 вырабатывается из разцости.о25между амплитудами падения внешнеговысокочастотного напряжения на исследуемом образце и эталонной цепи.Способ реализуется с помощью устройства, состоящего иэ генераторавысокой частоты, соединенного с емкостным мостом, в который включен исследуемый образец, сумматора, выходкоторого через емкостный мост соединенс образцом, один из входов с генера"тором прямоугольных импульсов, а другой - с формирователем экспонент, ккоторому подключен блок обратной связи.Часто в случаях неэкспоненциальнойрелаксации емкости и изменения активной проводимости образца при перезарядке глубоких уровней этот способи устройство для его осуществлениявносят дополнительно погрешности вопределяемые величины параметров иконцентрацию глУбоких уровней.Наиболее близким к изобретению яв.-:ляется способ определения параметровглубоких уровней в полупроводникеметодом НСГУ в режиме постояннойемкости.,Этот способ включает подачу 50на образец напряжения смещения и импульса напряжения, изменяющего напряжение смещения, и компенсацию изменения емкости образца после окончанияимпульса напряжения путем изменения 55напряжения смещения на исследуемом,.образце в процессе изменения плотнос-,ти объемного заряда при перезарядке глубоких уровней на величину 1111 , которая вырабатывается путем сравнения только реактивных составляющих амплитуд падения внешнего высокочастотного напряжения на исследуемом образце и на эталонной цепи.Устройство, осуществляющее этот способ, состоит из двойного импульсного интегратора, усилителя обратной связи, сумматора, генератора высокой частоты, широкополосного усилителя рассогласования, фильтра, высокочастотного смесителя, двух регулируемых фазовращателей и аттенюатора, Высокочастотный генератор соединен с эталонной цепью, представляющей собой регулируемый фазовращатель и аттенюатор, соединенные последовательно.Параллельно эталонной цепи включен исследуемый образец. Другой вывод эталонной цепи и образца подключен к широкополосному усилителю рассогласо.-. вания, выходкоторого через фильтр подключен к одному из входов высокочастотного смесителя. Второй вход смесителя через регулируемый фазовращатель соединен с образцом, Второй вход сумматора подключен к источнику постоянного напряжения смещения, К выходу усилителя обратной связи подключен также двойной импульсный интегратор.Способ и устройство для его осуществления обладают следующими недостатками, В прототипе чувствительность не превышает 10 от концентрации мелких уровней. Это объясняется тем, что при точности поддержания емкости 17 и амплитуде высокочастотного напряжения на образце 0 ч = 0,1 В напряжение на входе усилителя рассогласования составляет 0,1 мкВ. Получение такой чувствительности усилителя рассогласования при обеспечении приемлемого отношения сигнал/шум и устойчивости усиления. в широкой полосе частот представляет собой сложную техническую задачу. Дальнейшее увеличение точности поддержания емкости, а следовательно, . и чувствительности.без увеличения 0ограничено тем, что увеличить чувствительность усилителя без резкого ухудшения быстродействия принципиально невозможно. Так как П зц не может быть меньшечем 0,1 В без потери чувствительности,отсюда следует, что П - Псм не может69 6 усилителя обратной связи, выход которого соединен с первым входом аналогового ключа, выход которого соединен,с вторым входом сумматора, третийвход которого соединен с вторым входоманалогового ключа и выходом генератораимпульсов,. На чертеже приведена структурнаясхема устройства для осуществленияданного способаОна содержит генератор высокойчастоты 1,. усилитель обратной связи 2,источник напряжения смещения 3, сумматор 4, первую клемму 5 для подключенияполупроводника, вторую клемму 6 дляподключения полупроводника, третьюклемму 7 для подключения полупроводника, автогенератор 8, фазовый детектор 9, аналоговый ключ 1 О, двойнойимпульсный интегратор 11, генераторимпульсов 12,Выход генератора высокойчастоты 1 соединен с вторым входомфазового детектора 9, первый входкоторого соединен с выходом автогенератора 8. Вйход .фазового детектора9 соединен с входом усилителя обратной связи 2, выход которого соединенс первым входом аналогового ключа 10и входом двойного импульсного интегратора 11, выход ключа .10 соединен свторым входом сумматора 4. Выход.генератора импульсов 12 соединен стретьим входом сумматора 4 и вторымвходом аналогового ключа 10. Первыйвход, сумматора 4 соединен с выходомисточника напряжения смещения 3. Выход сумматора 4 соединен с первойклеммой для подключения полупроводника. Вторая 6 и третья 7 клеммы для.подключения полупроводника соединеныс первым и вторым входами автогенератора 8,Метод нестационарной спектроскопииглубоких уровней в режиме постояннойемкости основан на том, что.на исследуемый образец (р-п-переход, барьерметалл-полупроводник, структураметалл-диэлектрик-полупроводник), накоторый подано обратное напряжениеП,ц, на короткое время Г подаетсязаполняющий. импульс напряжения,уменьшающего Ц или создающего поло-.жительное смещение. При этом емкостьобразца не поддерживается постояннойи глубокие уровни в слое объемногозаряда захватывают носители тока.По окончании действия этого импульсазахваченные носители вследствие тер 5 1148 быть выбрано меньше 10 В, где О контактная разность потенциалов в исследуемом, образце. Следовательно, прототип.не позволяет без потери5 чувствительности исследовать глубокие уровни, сконцентрированные на расстояниях от границы раздела р- и и-областей в р-и-переходе ифметалл-полупроводник в барьере Шоттки, меньше 10 ширины слоя объемного заряда при напряжении смещения 10 В.Цель изобретения - повышение чув,ствительности.Поставленная цель достигается тем, 15 Мто в способе определения параметров глубоких уровней в полупроводниках включающем подачу на образец напряжения смещения и импульса напряжения, изменяющего напряжение смещения, и 20 компенсацию изменения емкости образца после окончания импульса напряжения путем изменения напряжения смещения, Перед подачей напряжения смещения образец помещают в колебательный25 контур, подают напряжение смещения,определяют частоту собственных колебаний колебательного контура с об-. разцом, подают импульс напряжения, сравнивают фазу частоты собственных-. .30 колебаний:колебательного контура с образцом с фазой опорной частоты и изменяют напряжение смещения на образце таким образом, чтобы обеспечить равенст- во частоты собственных колебаний колеба-З 5 тельного контура и опорной частотой а. устройство для ойределения параметров глубоких уровней в полуйроводниках, содержащее генератор высокой частоты, усилитель обратной связй, . 40 выход которого соединен с входом . двойного импульсного интегратора, источник напряжения смещения, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен . 45 с первой клеммой для подключения полупроводника, вторую и третью клеммы для подключения полупровод,ника, и генератор импульсов, дополнительно снабжено автогенератором, 50 фазовым детектором и аналоговым ключом, причем. вторая и третья клеммы для подключения полупроводника соединены с первым и вторым входами автоге.нератора соответственно, выход авто генератора соединен с первым входомфазового детектора, второй вход кото- рого .соединен с выходом генератора: высокой частоты, а выход - с входом(3)выхгде К, - коэфФициент усиления усилителя обратной связи 2. С другой стороны, согласно (1) при малых 6 ф(4)Сдвиг фаз, обусловленный изменениемемкости, находят по формуле Ьч"= ДЕДА(5) где 6 1 - разность частот автогенераторов 8 и опорного генератора 1, вызванная изменением емкости; Ь С 7 . 114186мической эмиссии выбрасываются с глу, боких уровней за времена, определяемые параметрами уровня и температурой образца. Вследствие этого зарядна глубоких уровнях меняется и емкость1образца при неизменном П должнасмменяться. Однако можно, плавно меняяП м во временина величичу ЬЦм(С),поддерживать емкость постоянной. Регйстрируя ДП м(й) в моменты времениСи С , отсчитываемые от моментаокончания заполняющего импульса, иопределяя Я = ДБ- ДПм(1 с) приразличных температурах Т, получаютзависимость 8(Т) (спектр НСГУ), повеличине и положению пиков которогопри различных наборах С и Сс определяют концентрацию и параметрыуровней. Это же можно сделать поформе и амплитуде единичного пика8 = Б(Т) при одном наборе й иКроме того, по форме пика можно судитьо некоторых закономерностях процессовтермической ионизации центра. 25Рассмотрим работу предлагаемого устройства,Лвтогенератор 8 представляет собой усилитель высокой частоты сположительной обратной связью и вклю- З 0 ченным на входе колебательным контуром, емкость которого определяется.емкостью исследуемого образца. Приамплитуде колебаний в контуре, аследовательно, и на образце порядка нескольких милливольт амплитудаколебаний на выходе усилителя автоге нератора порядка 1 В. Этот сигналподается на фазовый детектор 9, где сравнивается с сигналом внешнего 4 О опорного генератора. 1. На выходе фазового детектора появляется напряжение, величина которого зависит от соотношения фаз колебаний автогенератора 8 и опорного генератора 1, а 45 также амплитуды колебаний автогенератора;Пььх И 3 вх з 3.п Щ(1) где К - коэффициент передачи фазового50детектора;П - амплитуда колебаний, поступавхющих на вход фазового детектора;чЫ- разность фаз колебании.При отклонении емкости от стацио 55 нарного значения С изменится частота колебаний в контуре, разность фаз начнет увеличиваться, соответственно 9 8начнет изменяться и ц хЭто напряжение усиливается усилителей обратной связи 2 до величины Ь Б . Через аналоговый ключ 10 Ьц,м подается на сумматор 4, где складывается с постоянным напряжением смещения, и далее на образец, изменяя его емкость. Изменение разности фаз, а следовательно, и 6 Бм будет продолжаться до тех пор, пока за счет изменения Д 11(и соот" ветственно емкости образца) частота собственных колебаний автогенератора 8 не станет опять равной опорной частоте, однако разность фаз Ь(р между колебаниями опорной частоты и колебаниями в контуре автогенератора 8 изменится, То есть для выработки определенного Ь П компенсирующего изменение емкости ЬС, требуется наличие только определенной разности фаз между колебаниями, что возможно лишь при точном равенстве частоты колебаний в контуре автогенератора 8 частоте опорных колебаний генератора 1. Нарушение этого условия возможно только на короткое время Д, за которое происходит накопление разности. фаз при резком изменении емкости. Это время определяется следующим. При малом от.- клонении емкости ЬС от стационарного значения С изменение напряжения смещения, необходимое для поддержания емКости постоянной, определяется вь 1 ражением(2) 1Сгде 0 - постоянное напряжение смесмщения, Ь Б подается на образец с выхода усилителя обратной связи 2Таким образом, на входе этого усилителя, который подключен к выходу фазового детектора 9, должно быть напряже- ниевремя,прошедшее с момента измененияемкости на ЬС. При малом ДС/Сь ность амплитуд высокочастотных напря-жений, При всем этом напряжение наЬС, входе высокочастотного усилителя генеб 2 С о(6). ратора равно ЬЧ 5 мВ при коэффициоенте усиления 200, а на входе Тогда из (2) - (6) усилителя обратной связи напряжениеП ы В 10 мкВ при коэффициенте уси"6 Су -(7) . ления 100 и полосе частот 1 ИГц,опчто позволяет использовать простыеТаким образом, при достаточно вы-, усилители, к которым .не предъявляются сокой частоте Ед легко добиться, высокие требования по чувствительчтобы время Д было достаточно малым, ности и уровню шумов. что определяет высокое быстродействие Иннимальное обратное напряжение, устройства. .15. подаваемое на образец, определяетсяНапряжение 6 б ,; необходимое для амплитудой высокочастотного тестирувыработки напряжения ДБ .; обеспечива- ющего. напряжения иа образце Б ч . ется существованием только накоплен- Это вызвано тем, что П должно бытьеч ной разности фаз, а не раэносгьюзначительно. меньше П - Б Г У:к, см .- ьч частот контура автогенератора 8 и ,. 0 . к 0 01(Б - П . Я .где П - контактмце к - контакт частоты опорного генератора 1. (откло-. ная разность потенциалов в исследунением емкости исследуемого образца от емом образце. В противном слуЧае начальной). Это позволяет обеспечить . изменение толщины слоя объемного постояноство емкости с точностью, заряда под действием Ц сравйимо сЭЧ равйой стабильности частоты опорного, 25 его толщиной. В этом случае изменение генератора 1., : заряда (1 в слое объемного зарядаАналоговый ключ 10 размыкаетисследуемого образца при подаче тестицепь обратной связи на время следова-.рующего напряжения Орч не определяетния импульса., заполняющего глубокие. . ся дифференциальной емкостью образцауровни, который изменяет напряжение. З 0 ( )сЩ .С(С).- . и нестационарная спектросмещения. Если не. делать этого, то . ЙЬза счет работы обратной связи напряже- скопия глубоких уровней, основаннаяние на образце останется неизменным. . ЯВ описываемом устройстве была . сШна связи - .= С(й) с величиной зарядаполучена чувствительность, позволя- на глубоких уровнях, непрйменима,ющая обнаруживать глубокие центры Поскольку предлагаемое устройство-концентрацией 10 от концентрации : . имеет Бзч - "5 мВ рно позволяет провомелких примесеи, дить измерения при Бв . Пъ 0,5 В,Такая высокая чувствительность оп- не только при больших, но и при,малыхределяется высокой точностью поддер обратных, и даже при прямых смещениях,жания постоянства емкости, которая . Это позволяет исследовать, образцы собеспечивается предложенйым изобрете-. низким напряжением пробоя, т.е. имением. Как указывалось выше, емкость ющие высокую концентрацию мелких при- .поддерживается постоянной с точностью месей,равной стабильности частоты опорного 45 Кроме того, поскольку ширина слоясигнала генератора 1. При испольэо- объемного заряда в барьере Шотткиванин в качестве последнего .генера- : ипи резком р-и-переходе пропорциотора Г 4-102, нестабильность частоты нальна.Г , изобретение позволяеткоторого за время порядка периода сле- беэ потери чувствительности по обнару"дования заполняющих импульсов (т.е, . живаемой концентрации глубоких уров 1-10 с) 10" от Е , точность по-ней исследовать глубокие уровни,Ф -7держания. емкости постоянной также сконцентрированные на малых расстояЧсоставляет 10 от С , что принципн- ниях от границы раздела, равных шириальио недостижимо в устройствах, не слоя объемного заряда Б - ПФМуК смиспользующих для выработки ЬПм раэ,5 В.