Способ определения параметров пограничных состояний на границе раздела твердых тел

Союа Соеетских Сеюиаектинесиих Ресвубяик(23)Приоритет Н 01 (. 21/бб Госуаарственямб яомятет СССР яо аелаи зобретеяяя и открытой(72) Авторы изобретения А.Г. Ждан, В.Г. Приходько, И.Б. Гуляев, В.Е. Филиппов и Е,И. Гольдман Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНЫХ СОСТОЯНИИ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ТВЕРДЫХ ТЕЛИзобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения электронных характеристик границ раздела твер- а дых тел, в частности границ раздела полупроводник-полупроводник, полупроводник-диэлектрик, металл-полупроводник.Известен способ Измерения параметров пограничных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик 111, основанный на измерении термостимулированных токов.Недостатком этого способа является низкая чувствительность и малая 15 разрешающая способность. Известен также способ определе- . ния параметров пограничных состояний на границе раздела твердых тел, осно ванный на измерении электропроводности 2).В этом способе для определения параметров пограничных состояний измеряют активную и реактивную состав ляюкие проводимости на малом переменном сигнале в широком диапазоне частот как функцию напряжения смещеня.Недостатком этого способа является низкая чувствительность и разре- ЗО шающая способность, ограниченность по типу объектов исследования.Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение Функциональных воэможностей способа.Поставленная цель достигается тем, что перед измерениями образец охлаждают до температуры где ЬЕ - энергетическое разрешение,постоянная Больцмана,измеряют статическую вольтампернуюхарактеристику контакта твердых тел,подают на контакт прямоугольные ступеньки напряжения величиной равнойнапряжению квазинасыщения, регистрируют релаксацию тока, по полученнымрезультатам расчетным путем определяют зависимость заполнения от уровня Ферми и энергетический спектр пограничных состояний.На фиг. 1 изображена зонная диаграмма контакта при отсутствии (а) ипри наличии(сГ)внешнего напряжения.Здесь Ес - дно зоны проводимости,А - А - плоскость контакта; Г - уровень Ферми на границе раздела, отсытанный от дна зоны проводимости, Е - энергия пограничного состояния,отсчитанная от дна зоны проводимости,энергия Ферми в объеме ф- зарядэлектрона, ц - приложенное напряжение, Ф-барьер для прямого тока,На фиг. 2 О представлена вольт-амсерная характеристика исследуемогоконтакта, на фиг. 2 д" - кривая релакс ации тока при подаче на образец прямоугольной ступеньки напряжения, наФиг, 3 показана схема устройства дляреализации способа,где 1 - источник найряжевия, 2-измеритель напряжения;3антиэапорный контакт, 4 - контактирующие полупроводники, 5 - плоскость контакта, б - злектрометр,7 - самописец, на фи г. 4 о при не ценаВАХ контакта, снятая при Т: 117 К;на фиг. 4 ф - зависимость Г(0); нафиг. 5 дан спектр пограничных состояний.Сущность способа заключается н 2 Оследующем.При приложении к контакту напряжения высота барьера Уменьшается и концентрация электронов на его вершинеувеличивается, что сопровождаетсяунеличением пограничных состояний,вызывающем возрастание высоты барьера, поскольку последняя кнадратичнозависит от концентрации заполненныхпограничных состояний, В результатев области напряжений, н которой происходит интенсивное доэаполнение пограничных состояний высота барьерадля прямого тока Ф, фиг, 16) слабозависит от напряжения, а поэтому наВАХ контакта будет наблюдаться область кназинасьщения обусловленнаядозаполнением пограничных состояний.Если при некотором напряжении О + пограничные состояния из данного энергетического интервала будут полностью заполнены, то при 0 7 ОфВАХ изменит свой характер на экспоненциалный, и ток 1 будет пропорционаленЕсли при дальнейшем росте напряжения уровень Ферми попадает н область пограничных состояний из другой, более мелкой энергетической группы, то на ВАХ может возникнуть аналогичная область кназинасыщения и т.д. 50 Существенно, что в областях квази- насыщения ВАХ, обусловленного рассмотренным физическим механизмом, проявляются медленные релаксации тока, с характерными временами, значительно превышающими максвеловское время образца. Последнее объясняется тем, что в этих условиях процесс захвата является самотормозящимся вследствие увеличения высоты барьера по 60 ,мере дозаполнЕния пограничных состояний, Это означает, что мгновенное значение постоянной времени релаксации увеличивается в процессе наблкдения ВАХ контакта двух однотипных полупроводников И- типа определяется выражениемгде б - площадь контакта, М - подвижность электронов, М - концентоация доноров в объеме;6 - диэлектрическая проницаемость,дозаполнение пограничных сос тояний;Решая уравнение (1) относительно и для ряда экспериментальных значений 1 и Оопределяем зависимость И от О, Поцставляя эту зависимость н выражение для концентрации электронон ИВ на вершине барьера-) кти учитыная, что п, =Й 1 , где Го сэнергия Ферми на границе раздела.(отсчет от дна зоны проводимости), а Йс - эФфективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника, приранниваем эту функцию ИО), полученной из уравнения (2) и получаем уравнение для определения Г как функции, По определению знергетическии спектр пограннчных состояний 66) выражается какви: --.дИ О) дОдО дР Г=Цо)Подставляя в формулу (3) соответствующие производные от определенных ранее зависимостей Ь;О) й Г О), находим искомый знергетическии спектр пограничных состояний.П р и и е р. ОПределялся спектр пограничных состояний контакта Я-я (кремний типа КЗФ с = 100 мм, см.), обнаруживающим специфические области квазйнасыцения и характерные релаксации тока. Снимались ФАХ при нарастании и уменьшении напряжения с одинаковой скоростью изменения напряжения "- 0,2 мВ/с и эти характеристики совпадают, Результаты численного расчета ИвО) и Г(О) приведены на фиг. 4 с 1и Д . Спектр пограничных состояний приведен на фиг. 5. Чувствительность указанного способа 109 см . Разрешение указанного способа определяется температурой н в данном случае ЬЕ 9,9 мэВ.Формула изобретенияСпособ определения параметров пограничных состояний на границе раздела твердых тел, основанный на измерении электропроводности, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения функциональных возможностей способа, перед измерениями образец охлаждают до температуры где А 6 - энергетическое разрешение,К - постоянная Больцмана,измеряют ста,тическую характеристику контакта твердых тел, подают на контакт прямоугольные ступеньки напряжения величиной, равной напряжению квазинасицения, регистрируют релаксацию тока, по полученным результатам расчетным путем определяют зависимость заполнения от уровня ферми и энергетический спектр пограничных состояний.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССРпо заявке Э 2410010,кл. С 01 й 13/00, 05.10.76.2. Мса 31 ао Е.Н., 6 оесгЬегцег А.бе 33 5 уьсее ТесЬпса 1 Эоцгва 46,10551967)./5 филиал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектная,4 1 ь, 77/бб Тирвк 784 ВНИИПИ Государственного по аелам изобретений 113035, Москва, 3-35, РПодлкомитета СССРи Открытийушская наб., д