Способ контроля глубоких уровней в полупроводниках и устройство для его осуществления

ОП ИСАЙ ИЕ ИЗОБРЕТЕ Н ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сова Советских(45) Дата опубликования описания 30.03.8 сударстеанный комитет СССР 53) УДК 621.382(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ2 20 Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля электрофизических свойств полупроводниковых материалов.Известен способ контроля глубоких уровней в полупроводниках Ц, основанный на приложении к р-и-переходу напряжения обратного смещения, наложении на напряжение смещения импульса, измерении сигнала пропорционального высокочастотной емкости р-и-перехода в течение первого интервала времени после прекращения действия импульса, измерении второго сигнала, пропорционального высокочастотной емкости р-и-перехода в течение второго интервала времени после окончания импульса, измерении третьего сигнала, пропорционального разности между первым и вторым сигналами, В этом способе о параметрах глубоких уровней судят по зависимости третьего сигнала от температуры.Недостатком этого способа является отсутствие автоматизации измерений, низкая экспрессность и точность, а также узкий диапазон функциональных возможностей.Известен также способ контроля глубоких уровней в полупроводниках 21, основанный на приложении к диоду в прямом направлении постоянного смещения, а в обратном - импульсов напряжения прямоугольной формы и синхронно с ними импульсов напряжения экспоненциальной формы с постоянной времени экспоненты т равной длительности прямоугольных импульсов.Недостатком этого способа является низкая экспрессность способа, связанная с невозможностью его автоматизирования.Другим недостатком является низкая точность и узкий диапазон применимости способа.Целью изобретения является автоматизация измерений, повышение экспрессности, точности и расширение функциональных возможностей способа,Поставленная цель достигается тем, что при реализации способа контроля глубоких уровней в полупроводниках, основанном на приложении к диоду в прямом направлении. постоянного смещения, а в обратном - импульсов напряжения прямоугольной формы и синхронно с ними импульсов напряжения, экспоненциальной формы с постоянной времени экспоненты тэ, равной длительности прямоугольных импульсов, определяют постоянную времени теплового выброса носителей заряда с исследуемого уровня при фиксированной температуре, устанавливают постоянную времени экспоненты т равной найденной постоянной времени теплового5 10 15 20 Я 5 Зо 35 40 45 50 55 65 выброса носителей,затем плавно изменяют . температуру диода, при этом в моменты времени 1, и 1, отсчитанные от начала действия каждого суммарного импульса обратного смещения и связанные с постоянной времени экспоненты зависимостями 1 = ать, 1 = рс, (где а(1, а)0) поддерживают высокочастотную емкость диода постоянной путем автоматического управления амплитудами импульсов прямоугольной и экспоненциальной формы, непрерывно регулируют постоянную времени экспоненты, обеспечивая компенсацию отклонений высокочастотной емкости диода от постоянной величины и внутри интервала времени от 1, до 1, регистрируют зависимость постоянной времени экспоненты от температуры, а также тем, что определение постоянной времени теплового выброса носителей заряда с уровней при фиксированной температуре осуществляют непрерывно, изменяя постоянную времени экспоненты от минимальной до максимальной рабочей величины, при этом в моменты времени 4 = ат, и 1 = фт, поддерживают высокочастотную емкость диода, равной постоянной величине, путем автоматического управления амплитудами импульсов прямоугольной и экспоненциальной формы, регистрируют зависимость амплитуды импульсов экспоненциальной формы от постоянной времени экспоненты, определяют постоянные времени экспоненты, при которых достигают максимума амплитуды импульсов экспоненциальной формы, по которым судят о постоянных времени теплового выброса носителей с исследуемых уровней.Такой способ может быть осуществлен устройством, содержащим источник постоянного смещения и генератор тока высокой частоты, соединенные через сумматор с исследуемым образцом, генератор прямоугольных импульсов, соединенный через ЯС-цепь с модулятором экспоненциальных импульсов, пиковый детектор.Отличие устройства, позволяющее осуществить предлагаемый способ, состоит в том, что между выходом пикового детектора импульсов и генератором прямоугольнь 1 х импульсов включен детектор амплитуды конца огибающей, между пиковым детектором импульсов и РС-цепью включен интегратор огибающей, а между пиковым детектором импульсов и модулятором амплитуды экспоненциальных импульсов включен детектор амплитуды огибающей в начале измерений.На фиг. 1 проиллюстрировано построение спектра скоростей эмиссии и температурной зависимости скорости эмиссии носителей с уровня в случае, когда в полупроводнике имеется только один уровень, который перезаряжается при температуре Т, с постоянной времени то, где пунктирной линией показана форма напряжения, которая обеспечивает поддержание емкости диода постоянной во времени; на фиг. 2 приведены зависимости постоянной экспоненты от температуры диода и также амплитуды экспоненциальных импульсов от постоянной времени экспоненты при постоянной времени экспоненты при постоянной температуре; на фиг. 3 - схема устройства для реализации способа.Сущность способа состоит в настрое измерительной системы на один из примесных уровней и осуществлении автоматической записи скоростей эмиссии носителей заряда с данного уровня, а также в поиске постоянной времени теплового выброса носителей с уровней.Описанный способ дает по существу спектр относительнь.х скоростей тепловой эмиссии носителей заряда с уровней при фиксированной температуре. Поскольку существует связь между относительной скоростью тепловой эмиссии носителей с уровня еи постоянной времени экспоненты напряжения, необходимого для поддержания высокочастотной емкости постоянной во время перезарядки глубокого уровня (е, = г в ), достаточно найти спектр постоянных времени экспонент. Каждой экспоненте с нужной постоянной времени отвечает пик на зависимости амплитуды экспонент от постоянной времени экспонент при осуществлении операций способа. Полученный при этом спектр дает спектр уровней, поскольку при данной температуре каждой скорости тепловой эмиссии соответствует уровень, причем чем меньше скорость, тем глубже залегает уровень. Способ построения спектра скоростей эмиссии и температурной зависимости скорости эмиссии носителей с уровня иллюстрируется на фиг. 1 для случая, когда в полупроводнике имеется один уровень, который перезаряжается при данной температуре (То) с постоянной времени то, На фиг. 1 пунктирными зависимостями показана форма напряжения, подача которого на диод из данного полупроводника обеспечивает поддержание высокочастотной емкости диода постоянной во времени, Это напряжение имеет постоянную и переменную У составляющую, Переменная составляющая, как следует из решенияуровня Пуассона, изменяется экспоненциально во времени с постоянной то (постоянная времени перезарядки)/У(Ц = Уо 1 - ехР --l Поскольку заранее не известна ни постоянная времени экспоненты, ни амплитуда напряжения, то по предлагаемому способу ведется автоматический поиск данных параметров.На фиг. 1 показано, что происходит, если вместо импульса напряжения экспоненциальной формы с постоянной времени то на диод подаются импульсы напряжения экспоненциальной формы, однако с постоянной времени тизменяющейся от величины болыпей, чем то, до величины меньшей, чем то, Если при этом автоматически регулируется амплитуда экспонент и амплитуда прямоугольных импульсов так, чтобы в моменты времени от, и рт, емкость была равна заданной постоянной величине, то и напряжение на диоде в данные моменты времени будет совпадать с напряжением, осуществляющем поддержание емкости, равной заданной постоянной величине, на протяжении всего импульса (пунктирная зависимость на фиг. 1), Зависимость амплитуды экспонент от постоянной времени экспонент будет иметь максимум в точке т, = то. При наличии в полупроводнике нескольких уровней, постоянные времени перезарядки которых различаются более, чем в 8 раз, на подобной зависимости выявляются два четких пика.Сравнивая напряжения, которые подаются на диод в интервале времени а, - т с напряжением, которое необходимо подать для поддержания в этом интервале емкости, равной заданной постоянной величине (см. фиг. 1), можно заметить что если постоянная времени подаваемой на диод экспдненты больше необходимой, то в интервале ат, - 1 рт, (заштрихованный интервал) подаваемое напряжение будет больше, чем необходимое, а значит в этом интервале высокочастотная емкость будет меньше заданной постоянной величины. Если же постоянная времени подаваемой, экспоненты меньше необходимой, то в интервале ат, - т, прикладываемое к диоду напряжение будет меньше необходимого, что вызовет отклонение емкости в сторону больших величин. Следовательноимеется сигнал, которым можно управлять постоянной времени экспоненты так, чтобы она бы-, ла равна то - постоянной времени перезарядки уровня. Вводя такое управление можно при плавном изменении температуры записывать температурную зависимость постоянной времени перезарядки уровня (скорости тепловой эмиссии носителей).Такая запись возможна внутри диапазона температур, в котором постоянная времени перезарядки уровня не выходит за диапазон постоянных времени экспонент (обычнс 1 10 в- 10 вс).Постоянная величина емкости диода,которую поддерживает устройство, задается в зависимости от того, на какую глубину полупроводника желательно зондирование уровней. Это связано с тем, что при известной площади диода емкость диода за дает толщину области пространственногозаряда, только в которой и наблюдаютсяпроцессы перезарядки.=ели процессы перезарядки уровней не 5 экспоненциальны во времени, то для нихтакже возможно получение спектра скоростей теплового выброса и,температурной зависимости скорости теплового выброса,однако в данном случае из наклона1 д-,- ) можно получить только эффек;1 )тивную энергиюа ктивации уровня. В остальном способ также применим,П р и м ер, Исследуются уровни оста.точных примесей в нелегированной эпитаксиальной пленке и = баАз, выращеннойгазотранспортной эпитаксией на и+-подложке. Пленка имеет концентрацию свободных электронов, равную 2 10" см - . С помощью диффузии Хп готовят р+-и-диодына поверхности пленки. Площадь диодов0,5 мм, начальная емкость 80 пФ. Измерения спектра глубоких уровней и темпера 2турных зависимостей постоянных времениперезарядки на ручной установке показывают наличие в пленках двух доминирующих по концентрации уровней Н 1 и НКонцентрация этих уровней составляет ве 30личину =2 104 см- з.На установке получают спектры глубоких уровней по способам, описанным в аналоге и прототипе.Данные спектры записаны призь 1 13 10 - ,65. 10 - 481 10 - ; 122,1 10 4 с;1245 10 -с;127 10 -с; 40 что соответствует фильтрации релаксацийс постоянными времени т = - - - , -- рав 10 1 2ными соответственно 9,8 10 - , 2 10 - ,3,05 10 "с. По температурному положе 45 нию максимумов на записи найдены температуры, при которых постоянная времени теплового выброса с уровней составляет величину 9,8 10- 2 10- 3,05.10 - с,50Знание температуры и постоянной времени теплового выброса определяет место/ 03положение точек на зависимости)д-).т)55 На фиг. 2 показаны полученные в результате этих операций точки в коордиоа(031тах 1 р. По наклону прямых, вводяпоправку на Т 2, определяют энергию акти 60 вации уровней 0,44 и 0,60 эВ, Затем проводят измерения по предлагаемому способу. Измерения выполняют на макете автоматической установки; р,азработанной вИФП СО АН СССР. К диоду прикладыб 5 вают прямое смещение 1,5 В. В обратномнаправлении прикладываются импульсы напряжения прямоугольной формы с амплитудой 10 В. Одновременно с прямоугольным импульсом напряжения на образец подается экспоненциальный импульс, Формирователь экспоненциальных и прямоугольных импульсов представляет генератор импульсов с времязадающими РС-цепями. При изменении длительности импульсов от 10- 10- с сохраняется постоянство амплитуды импульсов,При изменении длительности импульсов сохраняется постоянство соотношения длительности прямоугольных импульсов и постоянной времени экспоненциальных импульсов. Устройство обеспечивает измерение высокочастотной емкости диода на частоте 7 МГц. Продетектированный сигнал, пропорциональный обратной величине емкости, сравнивается с постоянным сигналом, соответствующим емкости 30 пф. Разница данных сигналов измеряется в трех блоках. В первом измеряется амплитуда данного сигнала на расстоянии от начала действия импульса, равном ,1 ст длительности прямоугольното импульса, во втором .на расстоянии 0,9 от длительности прямоугольного импульса. Строб имеет длительность - 1 мкс. Длительность импульсоь изменяется от 10- до 10 " с. Время накопления сигнала на выходе устройств составляет - 1 с. В третьем блоке измеряется интегральная величина разностного сигнала в интервале времени от 0,3 до 0,9 от длительности импульса. Сигнал, полученный в первом блоке, управляет модулятором амплитуды прямоугольных импульсов. Входной сигнал со второго блока управляет модулятором амплитуды экспоненциальных импульсов. В результате этого амплитуда разностного сигнала стремится к 0 в эти моменты времени.При этом, если при фиксированной температуре плавно изменяют постоянную времени экспоненциальных импульсов, а значит и длительность прямоугольных импульсов и выводят на двухкоординаторный самописец амплитуду экспоненциальных импульсов в зависимости от постоянной времени, то получают спектр релаксаций. На фиг. 2 показан такой спектр при изменении постоянной времени от 10-" до 10 вс. Данный спектр свидетельствует о наличии в образце двух уровней, перезаряжающихся при комнатной температуре за время 2 10 ви 5 10 в "с, Устанавливая постоянную времени равной одному из трех времен, подавая выходной сигнал с третьего блока на модулятор постоянной времени и изменяя температуру, записывают зависимость 1 дт от 10 ЧТ для данного уровня. Результаты такой записи приведены на фиг, 2 (сплошная линия). Температура измеряется с помощью арсенидо-галлиевого датчика, представляющего из себя эпи. таксиальную пленку, облученную быстрыми электронами. Сопротивление пленки в интервале от 330 до 200 К изменяется по 50,15закону р=Аехо ; - что позволяет при выКТводе на самописец величины, пропорциональной логарифму сопротивления, получать сигнал, пропорциональный 10/Т.10 Взаимосвязь элементов устройства изображенного на фпг, 3, следующая.Полупроводниковый образец 1 с р-и-переходом (или барьер Шоттки) соединен с источником 2 постоянного напряжения, ге нератором 3 прямоугольных импульсов,РС-цепью 4 и модулятором 5 амплитуды экспоненциально изменяющегося напряжения, генератором 6 высокочастотного тока через сумматор 7. Образец 1 соединен так же с входом детектора 8 огибающей высокочастотного сигнала, выделяющегося на образце, выход детектора огибающей соединен с входом пикового детектора 9, вычитающего из входного сигнала постояп ное значение заданного уровня Со, Междувыходом пикового детектора 9 и генератором 3 прямоугольных импульсов включен детектор 10 амплитуды конца огибающей, а между выходом пикового детектора 9 и 00 РС-цепью 4 включен интегратор 11 огибающей, а между выходом детектора 9 вершины импульсов и модуляторм 5 амплитуды экспоненциальных импульсов включен детектор 12 амплитуды начала 35 огибающей. Устройство включает в себяцепь 13 нагрева образца, термопару 14 и самописец 15, который соединен с ЯС-цепью, модулятором 5 амплитуды экспоненциальных импульсов и на который может 40 выводитьоя напряжение с термопары.На образец 1 с р-и-переходом черезсумматор 7 поступают суммы трех напряжений, управляющих толщиной слоя обеднения в диоде (высокочастотной емкостью 45 диода), и высокочастотное напряжение необходимое для измерения емкости диода, На сумматор подаются прямоугольные импульсы напряжения непосредственно от генератора 3 прямоугольных импульсов и 50 импульсы с экспоненциально изменяющимся напряжением от цепи, состоящей из генератора 3 прямоугольных импульсов, ЯС- цепи 4, которая дифференцирует поступающие на нее прямоугольные импульсы напряжения и перепадами уровней1 и 1/е управляет длительностью импульсов генератора 3, оставляя неизменным соотношение длительности прямоугольных импульсов и постоянной времени экспоненты и модуляторы 5 амплитуды импульсов экспоненциальной формы. Кроме того, от источника 2 подается постоянное смещение, которым осуществляется смещение диода в прямом направлении, вызывающее инжекцию неосновных носителей заряда в исследуемую область диода. Измерительный высокочастоткый сигнал поступает на сумматор с генератора 6 тока высокой частоты.Высокочастотный сигнал, возникающий на диоде, поступает на детектор 8 огибающей. Сигнал с детектора 8 подается на пиковый детектор, в котором из входного сигнала вычитается заданная постоянная величина напряжекия, соответствующая емкости С 0. С выхода детектора 9 огибающая .поступает на анализатор формы отклонения огибающей от установленного уровня, соответствующего емкости С 0. Анализатор отклонений состоит из трех устройств 10, 11, 12. Детектор 10 накапливает сигнал ошибки, пропорциональный амплитуде огибающей в конце импульса, и регулирует этим сигналом амплитуду прямоугольных импульсов генератора 3, сводя к минимуму отклонекия огибающей в конце импульса от уровня С 0. Интегратор 11 формирует сигнал ошибки, пропорцпональный площади огибающей поступающей с выхода детектора 9. С выхода интегратора регулирующий сигнаал поступает на электронную ЯС-цепь 4. Детектор 12 амплитуды формирует напряжение, пропорциональное амплитуде огибающей в начальной части импульса, и регулирует данным сигналом амплитуду экспоненциальных импульсов в модуляторе 5. Струбы управления детекторами 10, 12 н интегратором 11 формируются по уровням экспоненциального импульса ЯС-цепи 4, Затем достигается постоянное соотношение между постоянной времени экспонекты и временным расстоянием строба от начала действия импульса обратного смещения, Аналогично по уровням экспонен. циального импульса формируется длительность прямоугольного импульса обратного смещения, Описанных блоков достаточно для автоматического поиска амплитуды и формы импульса обратного смещения, подлерживающего емкость диода неизменной во время перезарядки глубокого уровня,На регистрирующее устройство (двух- .координатный самописец) подаются сигналы с ЯС-цепи 4, пропорциональные постоянной времени, и сигналы пропорциональные температуре при записи температурной зависимости постоянных времени перезарядки уровней или сигналы пропорциональко амплитуде подаваемых на диод импульсов экспоненциальной формы при записи спектра скоростей эмиссии носителей заряда с уровней.Предлагаемый способ позволяет экспресно осуществлять идентифииацию уровней в полупроводниках. По предлагаемому способу можно также получать спектр скоростей тепловой эмиссии носителей заряда с уровней при фиксированных температурах, что позволяет исследовать при .данных температурах влияние внешнихвоздействий (электрического поля, давления и т. д.) на скорости тепловой эмиссии с уровней. 5. Формула изобретения 1, Способ контроля глубоких уровней в полупроводниках, основанный на приложении к диоду в прямом направлении постоянного смещения, а в обратном - им. пульсов напряжения прямоугольной формы и синхронно с ними импульсов напряжения экспо ненциальной формы с постоянной времени экспоненты травкой длительности прямоугольных импульсов, о тли ч а ю 1 О 15 щи й с я тем, что, с целью автоматизации измерений, повышения экспрессности, точности и расширения функциональных возможностей способа, определяют постоян ную времени теплового выброса носителейзаряда с исследуемого уровня при фиксированной температуре, устанавливают постоянную времени экспоненты травной найденной постоянной времени теплового 25 выброса носителей, затем плавно изменяюттемпературу диода, при этом в моменты времени 1, и 1 отсчитанкые от начала действия каждого суммарного импульса обратного смещения и связанные с постоян- ЗО ной времени экспоненты зависимостями1 = ат 1 = Рт.(где а(1(1, а(0), поддерживают высокочастотную емкость диода постоянной путем автоматического управления амплитудами импульсов прямоукольЗ 5 ной и экспоненциалькой формы, непрерывно регулируют постоянную времени экспоненты, обеспечивая компенсацию отклонений высокочастотной емкости диода от постоянной величины и внутри интервала 4 О времени от 1, до 1, регистрируют зависимость постоянной времени экспоненты от температуры.2, Способ по п. 1, отличающийсятем, что определение постоянной времени 45 теплового выброса носителей заряда с уровней при фиксированной температуре осуществляют непрерывно, изменяя постоянную времени экспоненты от минимальной до максималькой рабочей величины, при этом в моменты времени 1 = ат, и поддерживают высокочастотную емкость диода, равной постоянной величине, путем автоматического управления амплитудами импульсов прямоугольной и экспоненциальной формы, регистрируют зависимость амплитуды импульсов экспоненциальной формы от постоянной времени экспоненты, определяют постоянные времени экспоненты, при которых достигают максимума ам О плитуды импульсов экспоненциальной формы, по которым судят о постоянных времени теплового выброса носителей с исследуемых уровней.3. Устройство для осуществления спо соба по п. 1, содержащее источник поетоянного смещения и генератор тока высокой частоты, соединенные через сумматор с исследуемым образцом, генератор прямоугольных импульсов, соединенный через РС-цепь с модулятором экспоненциальных импульсов, пиковый детектор, отл и ч а ю щ е е с я тем, что между выходом пикового детектора импульсов и генератором прямоугольных импульсов включен детектор амплитуды конца огибающей, между пиковым детектором импульсов и ЯС-цепью включен интегратор огибающей,а между пиковым детектором импульсов и модулятором амплитуды экспоненциальиых импульсов включен детектор амплитуды огибающей в начале измерений,5Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе:1. Патент США М 2859595, кл. б 01 К10 31/6 1975 2, Авторское свидетельство СССР М 573782, кл, б 0.1 К 31/26, 1977.843 б 42 Составитель Л. СмирновГорькова Техред И. Пенчко Корректор С. файн Рслак Заказ 251/164НПО сПоиск Гос. Харьк. фил. пред. Патент Я Изд,116рствеыного комитета СССР3035, Москва, Ж 35, Раушс Тирак 758 Подписное по делам изобретений и открытий ая наб., д. 4/5