Способ определения энергии ионизации глубоких уровней в полупроводниках

ОП ИСАНИЕИ ЗОВРЕТЕ Н ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Своз СоветскихСоциапистмческихРеспубликОпубликовано 15.03.83. Бюллетень 10Дата опубликования описания 15.03.83 ев аееем ембретеввй н втхеьпнй(1) Заявнтел Рязанский радиотехнический инст) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ й защм- широком я од тх: ьЕ=КтбиТ2 "м Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть исполь зовано для контроля материалов и струк тур, используемых для изготовления по лупроводниковых приборов.Известен способ определения энергии ионизацни глубоких уровней в полу. проводниках основанный на измерении температурной зависимости коэффициента Холла 11 .Недостатком этого способа является его сложность и высокая трудоемкость изготовления датчиков Холла.Наиболее близким к предлагаемоьлу является способ определения энергии ионизапии глубоких уровней в полупроводниках основанный на подаче на ХДП- структуру прямоугольных импульсов напряжения смешения обратной полярности и измерении времени релаксации емкости ( 2 ) .Недостатком этого способа также является его сложность и высокая трудоемкость обусловленные необходи 2мостью измерения температурысимости времени релаксапии вдиапазоне тамператур.Целью изобретения являетсние и снижение трудоемкости. Поставленная цель. достигается тем, что согласно сйособу основанному на подаче на МДП-структуру прямоугаг ннь импульсов напряжения смещения обрат ной полярности и измерении времени релаксации емкости, на МДП-структуру подают импульсы напряжения с последовательно возрастающей амплитудой, измеряют при постоянной температуре зависимость времени релаксации емкооти от напряжения смешения, измеряют максюлальное или установившееся время релаксации емкости и вычисляют энергию нонизации глубокого уровня по формуле3 1где 1 - максимальное или установив-,шееся время релаксации емкости;Г - время максвелловской релакмсации попупроводйика;ДЕ - энергия йонизащщ глубокого уровня;- температура при которойпроизводятся измерения.На фиг. 1 приведена диаграмма уровней энергии, на фиг. 2 - зависимостилогарифма времени релаксации от обратного напряжения смещения на кремниевой МДП-структуре при различных температурах; на фиг. 3 - кривые+с =для устано-вившихся значений с,Сущность способа состоит в следующем.Согласно существующим теориямвремя релаксации может быть выражьно какс = юехр ье 1 кт, М гщ; Й 4 Х- максвелловское времмя релаксации,) - удельное объемноесопротивление;2.Г - время сквозного дреймфа электронов черезобласть пространс ьвенНого заряда.Ьарьерный слой является макрорелаксатором, к которому применена формула (1 ) .После тепловой генерации электронов с поверхностных состояний полупроводника И -типа они дрейфуют в поле инверсного и, обедненного слоя за время 2.м . Уровень Ферми на поверхноо ти полупроводника находится на наибольшей глубине, поэтому наиболее вероят на темновая генеращя электронов с глубоких центров Е (см. фиг. 1) в то время как в области пространственного заряда (ОПЗ) тепловая генерация менее вероятна. При достаточно большом смещении. реализуется сквозной дрейф электронов через барьерный слой, что приводит к изменению его емкости.Следовательно, в результате прибщ- жения уровня Ферми ( Еьн уровням глубоких центров . на поверхйббти полупроводника прй наложении обратно го напряжения достаточно большой величины наблюдается интенсивная тепловая005221 4 Таким образом, после включенияобратного напряжения на МДП-структуру наблюдается релаксация по ( 1 ), Эф причем величину ," можно найти каквремявсего переходного процесса,в течение которого изменяется емкостьМДП-структуры. Переходной процессзаканчивается через вполне определен 40ное время 1 С, которое можно зафиксировать с погрешностью не более 10%,поскольку с помощью запоминающего, осциллографа легко сделать отсчетвизуально. На фиг, 2 приведены кривые 4 1 г как функции обратного смещенияна кремниевой МДП-структуре при различных температуры. Наблюдаетсяувеличениес ростом обраатного напряжения до некоторого установившегося ф (максимального) значения. Последнееи соответствуетпо ( 1), Поскольку= Д ЕХр Ь Е /КТстроят зависимость 3 1 =ф 7 и находят Ь: для различных значений обратного напряжения и, в часъ- Я ности, для установившегося (максимального) 1, Отсюда определяют ЬЕ исравнивают + с 1," при расчете поформуле( 1) . Как показал эксперимент,б 10 15 20 2 30 генерация электронов с центров Г, и их,последующий сквозной дрейф через слой ОПЗ. В связи с этим поверхносч- ные доноры заряжаются положительно, изгиб зон уменьшается, так что уменьшается и толцзна слоя ОПЗ, а следовательно, его емкость возрастает . Темп процесса опреДьляется по формуле (1), Процесс завершается, когда глубокие центры- доноры оказываются ионизированными.Аналогичная картина наблюдается и в полупроводнике р-типа при включении обратного смешения на МОП- структуру. Зоны изгибаются вниз и уровень (квазиуровень) Ферми на по верхности полупроводника приближается к высоколежащим поверхностным состояниям - акцепторам. Тогда за счет тепловой генерации электронов из валентной зоны указанные акцепторы заряжаются отрицательно, а в валентной зоне генерируются дырки, последние дрейфуют сквозь барьерный слой, Так что по формуле (1) будет определяться энергия ионизации глубоких поверхностных центров - акцепторовь,Е=Е , и величина 2 Г,есть время сквозт 1ного дрейфа дырок. Изменение емкосги барьерного слоя оценивается аналогично.5 1005установившееся значение 6 можно при-,равнятьпо (1) .Следовательно, приравнивая установившееся (макснмальное) значение Спо формеле (1) можно рассчитать 6,%.есля известны Й, КТ .,П р н м е р, На фиг. 3 приведеныкривыеа 1=Цтдля установигшихся значений Ьс, и по наклону этой линейнойзависымостн ЬЕ = 0,74 + 0,02 эВ; 1 ОПоскольку здесь Д = 50 Ом см приКГ 0,026 эВ,Юц = 5 10 с. Поформуле (1) ф = 18 с. Экспериментальное значение 6 о= 17 с, следовательно ЬСТ.Необходимо подчеркнуть, что дажепрн значительном изменениивеличина дЕ меняется немного, посколькузависимость экспонентциальная. Например, прн измененияхв два раза (при 20заданных значениях ЬЕ 0,7 эВ) величина ДЕ изменяется лишь примерно наодну сотую электровольт. Т.е. способимеет высокую чувствительность и точность, 25Предлагаемый способ отличается высокой точностью, поскольку величина.сэкспериментально определяется с погрешностью порядка 10%, что может отразиться лишь на третьем знаке послезапятой в АЕ, т.е. на тысячных допяхэлектронвопьт, Способ отличается простотой, экспрессностью, не требует специального сложного оборудования.(в частности, не нужен дискриминатор илиНСГУ спектрометр), в связи с этим33обладает более высокой технико-эконоьам. ческой эффективностью по сравнению сиспользуемыми ранее.формула изобретенияСпособ определения энергии ионнзащв глубоких уровней в полупроводни 221 4ках, основанный на подаче на МДП-структуру нрямоугольных импульсов напряжения смешения обратной полярности и измерении времени релаксации емкооти, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения и снижения трудоемкости, на МЙП-структуру подают импуль сы напряжения с последовательно возрастающей амплитудой измеряют при постоянной температуре зависимость времени релаксации емкости от напряжения смеще ния, измеряют максимальное время ре лаксации емкости н вычисляют энергию ионизация глубокого уровня а по формулейьЕ:кТ 6 и" Мгде Х - максимальное или установившееся время релаксации емкости;- время максвелловской репаксацин полупровоцникафИ - энергия ионизации глубокогоуровня;К - постоянная Больцмана;Т - температура, прн которойпроизводятся измерения.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Андроник И. Е, и др. Положениеглубоких энергетических уровней в кристаллах теллурида пинка. Сб. Совещание по глубоким центрам в полупроводниках. 1972 ф, Одесса, 1972, с. 13.2. Гольдберг Ю. А., Седов В. Е.Определение параметров примесных атомов в Со Ьр-и переходах методомрелаксации емкости. "физика и техникаполупроводннковф. Т. б, 1972, М 7,с, 1383-1385.