СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к технике контроля параметров полупроводников. Наиболее целесообразно использовать предлагаемое изобретение для локального контроля параметров глубоких центров.

Известен ряд способов определения параметров полупроводников. Спектрофотометрический способ основан на регистрации поглощения квантов света при стимуляции переходов примесь-зона [1] Этот способ является бесконтактным и позволяет определить основные параметры примеси. Недостатком способа является относительно низкая чувствительность (10¹⁶-10¹⁷ см^-3), малая разрешающая способность (0,2 эВ) и малая локальность (1 мм).

Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ определения параметров полупроводниковых пластин, имеющих барьерный переход, основанный на релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) [2] При использовании этого способа на полупроводниковый барьерный переход подается импульс напряжения той или иной полярности. В результате воздействия неравновесной разности потенциалов происходит изменение распределения потенциала в барьерном переходе, захват или выброс носителей заряда с глубоких уровней, изменение ширины и емкости барьерного перехода. Процесс релаксации к стационарному состоянию, т.е. процесс захвата или выброса носителей заряда регистрируется по изменению емкости барьерного перехода. Измерения проводятся в диапазоне температур. При этом при помощи устройства селекции сигнала по времени релаксации выделяется сигнал с определенной постоянной времени и определяется зависимость этого сигнала от температуры. Затем устройство селекции настраивается на другое значение времени релаксации и процедура повторяется. Положение максимумов этих зависимостей, а также их ширина определяют все основные параметры глубокого уровня.

Достоинством метода РСГУ является то, что он позволяет определить все основные параметры глубоких уровней. Метод обладает высокой чувствительностью (до 10⁸-10⁹ см^-3) и высоким разрешением (лучше 10^-2 эВ). Недостатком способа является то, что он является разрушающим, так как требует создания на поверхности полупроводника барьерного и омического контактов, а также низкая локальность, связанная с необходимостью создания контакта диаметром около 1 мм.

Целью изобретения является прежде всего обеспечение неразрушающего контроля за счет устранения необратимых воздействий на полупроводник.

Цель достигается тем, что в известном способе определения электрофизических параметров полупроводников, включающем охлаждение и (или) нагрев полупроводниковой пластины, содержащей барьерный переход, в диапазоне температур, при которых постоянная времени релаксации глубоких уровней находится в пределах, позволяющих определить ее с достаточной точностью (обычно в диапазоне 90 450 K, создание и изменение неравновесной разности потенциала на полупроводниковом барьерном переходе, регистрацию процессов релаксации, происходящих в полупроводнике, определение зависимости параметров процессов релаксации от температуры полупроводника и расчет по этим зависимостям параметров глубоких примесных центров полупроводника, полупроводниковую пластину помещают между двумя проводящими параллельными плоскостями (обкладками), одна из которых прозрачна, параллельно этим плоскостям. Неравновесную разность потенциалов на барьерном переходе создают путем облучения полупроводниковой пластины через прозрачную обкладку электромагнитным излучением, энергия кванта которого выше порога генерации свободных носителей.

Изменение неравновесной разности потенциалов осуществляют путем периодического или импульсного изменения интенсивности излучения во времени. Регистрацию релаксационных процессов осуществляют путем определения амплитуды и формы напряжения, возникающего на обкладках, и последующего расчета значений параметров релаксационных процессов по амплитуде и форме напряжения на обкладках с учетом зависимости от времени интенсивности электромагнитного излучения.

Для обеспечения требуемой локальности измерений электромагнитное излучение фокусируют таким образом, чтобы фокальное пятно находилось на поверхности полупроводника и его диаметр не превышал требуемой локальности измерений.

В качестве полупроводникового барьерного перехода в ряде случаев (например, при контроле полуизолирующих полупроводниковых подложек) целесообразно использовать переход поверхность-внутренний объем полупроводника; для создания этого барьерного перехода не требуется каких-либо дополнительных технологических операций.

При реализации предлагаемого способа определения параметров полупроводников наиболее естественно облучать полупроводниковую пластину прямоугольными импульсами электромагнитного излучения фиксированной интенсивности, далее определять амплитуду и форму импульсов на проводящих обкладках, а значения параметров релаксационных процессов рассчитывать по значениям параметров импульсов напряжения на обкладках. При этом для обработки сигнала целесообразно использовать устройство селекции сигнала по времени релаксации, которое позволяет выделить сигнал с определенной постоянной времени релаксации.

Предлагаемый способ определения электрофизических параметров полупроводников является одним из вариантов метода РСГУ, который основан на изучении процессов эмиссии носителей заряда с глубоких уровней, расположенных в слое объемного заряда (СОЗ) (или захвата носителей на эти уровни). Слой объемного заряда связан с каким-либо барьерным переходом (p-n переход, барьер Шоттки, МДП-структура). В равновесном состоянии на этом переходе имеется разность потенциалов, ширина СОЗ определяется этой разностью потенциалов. При подаче внешнего напряжения разность потенциалов на барьерном переходе изменяется, при этом изменяется ширина СОЗ и происходит эмиссия свободных носителей заряда с глубоких уровней, расположенных в СОЗ (или захват на эти уровни). В предлагаемом способе изменение равновесной барьерной разности потенциалов происходит за счет барьерной фотоЭДС, возникающей на барьерном переходе. Процессы, происходящие в СОЗ при возникновении и исчезновении фотоДЭС, аналогичны процессам, происходящим в СОЗ при подаче на него внешнего напряжения. Здесь также происходит изменение ширины СОЗ и перезарядка глубоких уровней. Амплитуда и форма напряжений на барьерном переходе зависят от амплитуды и зависимости от времени интенсивности электромагнитного излучения, которым облучается полупроводник, а также от величины барьерной разности потенциала (высоты барьера) и параметров релаксационных процессов в СОЗ. Напряжение с барьерного перехода подается на входные цепи измерительного усилителя посредством емкостной связи. При этом используются емкости, образованные поверхностями полупроводниковой пластины и проводящими обкладками, которые гальванически соединены с измерительным усилителем. Таким образом контролируемая полупроводниковая пластина не имеет какого-либо гальванического контакта со входом измерительного усилителя; механический контакт также может быть исключен. Какие-либо необратимые воздействия на полупроводник исключены.

Согласно второму варианту изобретения используется сфокусированное электромагнитное излучение, например, инфракрасного диапазона, которое фокусируется в пятно диаметром несколько микрон, что обеспечивает высокую локальность контроля.

Согласно третьему варианту изобретения в качестве полупроводникового барьерного перехода используется переход поверхность внутренний объем полупроводника и соответственно приповерхностный СОЗ. Это существенно расширяет область использования метода, т.к. появляется возможность контролировать однородные полупроводники, в частности полуизолирующие подложки из арсенида галлия.

Согласно четвертому варианту изобретения полупроводник облучают прямоугольными импульсами электромагнитного излучения фиксированной интенсивности, а значения параметров релаксационных процессов рассчитывают по значениям параметров импульсов напряжения на проводящих обкладках. Возбуждение полупроводника такими импульсами излучения позволяет использовать методические наработки и аппаратурные решения традиционной РСГУ. В частности, в этом случае для обработки сигнала целесообразно использовать устройство селекции сигнала по времени релаксации, которое позволяет выделить сигнал с определенной постоянной времени релаксации.

Объединение четырех технических решений в одну заявку связано с тем, что все четыре решения решают одну задачу определение электрофизических параметров полупроводников, более конкретно параметры глубоких центров, при этом второе техническое решение обеспечивает высокую локальность контроля, третье решение конкретизирует тип контролируемых полупроводников дает возможность контролировать однородные полупроводники, а четвертое - конкретизирует параметры используемого электромагнитного излучения.

На фиг. 1 приведена функциональная блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ: на фиг. 2 эквивалентная схема измерений: на фиг. 3 - график напряжения на входе измерительного усилителя.

Устройство, реализующее предлагаемой способ определения электрофизических параметров полупроводниковой пластины 1, состоит из двух проводящих плоскостей (обкладок) 2 и 3, одна из которых (2) прозрачна для используемого электромагнитного излучения. Полупроводниковая пластина 1 расположена между этими обкладками и облучается через световод 4 светодиодом 5. Светодиод 5 запитывается от генератора прямоугольных импульсов 6. Сигнал с обкладок поступает на вход усилителя 7 и далее на устройство селекции сигнала по времени релаксации 8. Пластина и обкладки помещаются в термостат 9 с термопарой 10. На вход x самописца 11 подается сигнал с термопары 10. Выходной сигнал с устройства селекции 8 подается на вход y самописца 11. Система линз 12 фокусирует электромагнитное излучение.

На фиг. 2 ε фотоЭДС, генерируемая световым импульсом, R_пп - сопротивление полупроводника, C емкости между верхней и нижней поверхностями полупроводниковой пластины 1 и верхней 2 и нижней 3 обкладками, R_вх - входное сопротивление усилителя 7.

На фиг. 3,а приведен график светового импульса интенсивностью I_o и длительностью T_o. На фиг. 3,б- график зависимости напряжения U_вх на сопротивлении R_вх от времени; t₁ длительность переходного процесса возникновения фотоЭДС без учета глубоких центров; τ_o длительность релаксационных процессов перезарядки глубоких центров при возникновении фотоЭДС; τ₂ длительность переходного процесса спада фотоЭДС без учета глубоких центров; τ₃ длительность релаксационных процессов при исчезновении фотоЭДС; ε₁ величина фтоЭДС без учета глубоких центров; ε₂ -величина фотоЭДС с учетом глубоких центров; ε₂-u₃ спад напряжения на входе усилителя за счет разряда емкостей C с постоянной времени R_вх•C/2.

Способ реализуется следующим образом. Для конкретности рассмотрим случай, когда однородная полупроводниковая пластина n типа облучается импульсами электромагнитного излучения длительности T_o и интенсивности I_o: потенциал поверхности выше потенциала объема полупроводника. (В случае p-n перехода или барьера Шоттки физические процессы аналогичны). Обозначим через v_б разность потенциалов между поверхностью и объемом полупроводника. Толщина приповерхностного СОЗ равна [4]
h = [2ε_дε_ov_б/e(n+N_i)]^1/2, (1)
где ε_o диэлектрическая постоянная
ε_д диэлектрическая проницаемость решетки полупроводника,
e заряд электрона,
n концентрация мелких доноров,
N₁ концентрация ионизированных глубоких центров.

При облучении одной из поверхностей полупроводника свет поглощается на расстоянии l = 1/α, где α коэффициент поглощения. При 1 ≅ h в СОЗ генерируются пары электрон дырка, причем электроны увлекаются в объем полупроводника, а дырки на поверхность. Между освещенной и неосвещенной поверхностями полупроводника возникает барьерная фотоЭДС, равная [5]

где k постоянная Больцмана,
T температура полупроводинка,
j₁=eg,
g темп генерации пар электрон дырка,
j_s плотность тока насыщения при обратном включении барьерного перехода поверхность объем, определяемая соотношением [5]
j_s=AT²exp(-e v_б/kT), (3)
где A постоянная Ричардсона. Из (2), (3)

Рассмотрим переходные процессы при включении освещения (см. фиг. 21). Будем считать, что ε ≪ v_б Постоянная времени τ₁ определяется длительностью дрейфовых процессов при возникновении фотоЭДС. Будем считать, что τ₁≪ τ₂ Зависимость v_б(t) при t ≥ τ₁ может быть представлена в виде
v_б= v_бо+Δv(t). (5)
Здесь v_бо барьерная разность потенциалов, обусловленная наличием мелких доноров, а Δv барьерная разность потенциалов, обусловленная перезарядкой глубоких центров. Подставив (5) в (4) получим при t ≥ τ₁

где ε₁= (kg/AT)exp(ev_бо/KT). В свою очередь
Δv(t) = Δv_к[1-exp(-t/τ₂)],)](7)
где постоянная времени релаксационного процесса перезарядки глубокого уровня E_ti, a Δv_к, согласно [4] определяется соотношением

где N_дг концентрация глубоких уровней, U разность между потенциалом глубокого уровня и потенциалом Ферми в объеме полупроводника. Таким образом

При t< R_вх•C ε равно напряжению на входе усилителя 7; при t ≈R_вх•C необходимо учитывать влияние разряда емкостей C. При n > N_дг соотношение (9) упрощается

Отметим что при включении освещения происходит заполнение глубокого уровня.

При t > τ_2/ спад вершины импульса определяется разрядом емкостей C через сопротивления R_вх и R_пп. Постоянная времени этого спада равна 0,5(R_вх+R_пп)•C.

При выключении источника излучения (при t > T_o) спад напряжения определяется теми же процессами, что и при выключении прямого смещения на несимметричном p-n переходе. В соответствии с этим τ₂ равно половине времени жизни неосновных носителей, а τ₃ = τ_o определяется релаксационными процессами перезарядки глубоких центров (при выключении освещения происходит опустошение глубоких центров).

Постоянная времени τ_o связана с параметрами глубокого уровня E_ti соотношением [2, 3, 4]

где σ_i сечение захвата носителей заряда,
<v_n >- средняя тепловая скорость электронов,
N_o эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника,
g_i коэффициент вырождения глубокого уровня.

E_ti энергия ионизации глубокого уровня.

Для определения E_ti необходимо провести измерения в диапазоне температур при настройке устройства селекции сигнала по времени релаксации на два значения постоянной времени сигнала τ₀₁ и τ₀₂ Значение E_ti, согласно (10), определяется соотношением
E_ti= [ln(τ₀₁)-ln(τ₀₂)]/[1/kT_m1-1/kT_m2], (11)
где T_m1 и T_m2 значение температуры, при которых выходной сигнал с устройства селекции максимален при настройке его на времена τ₀₁ и τ₀₂ соответственно. Сечение захвата σ_i может быть вычисленно из (10) по известным значениям N_o, E_ti, <v_n >.

Амплитуда сигнала с устройства селекции пропорциональна концентрации носителей заряда, захваченных на глубокие уровни (или эмитируемых с этих уровней), т. е. концентрации глубоких уровней. Кроме того, на нее влияет ряд других факторов тип глубокого уровня, способ регистрации сигнала, величина постоянной времени, температура и т.д. В связи с этим возможны лишь относительные измерения концентрации глубоких уровней. Чувствительность по концентрации может быть оценена по соотношению

где (Δv)_min чувствительность определения изменения напряжения.

В качестве примера рассмотрим возможность контроля арсенидгаллиевых структур. Арсенид галлия n-типа имеет при комнатной температуре v_б≈0,75 B, α ≈ 5 мкм^-1 Условие 1/α < h выполняется при концентрации носителей заряда n ≅ 3•10¹⁶см^-3, т. е. имеется возможность контролировать арсенидгаллиевые структуры с меньшей концентрацией, в том числе и полуизолирующие подложки. В качестве источника излучения выберем полупроводниковый светодиод с импульсной мощностью P_o=100 мкВт и длиной волны 0,7 мкм. Значение квантового выхода примем равным q=0,1. Площадь полупроводника S_o=10 см². Темп генерации пар электрон-дырка равен

Примем величину входного сопротивления усилителя R_вх=100 МОм, а зазор обкладка полупроводник 0,1 мм. Тогда постоянная спада вершины импульса равна 10^-2 с; при этом имеется возможность фиксировать релаксационные процессы длительностью меньшей ≃ 10^-2 с, т.е. контролировать содержание в арсениде галлия большинства глубоких уровней. Электромагнитное излучение с длиной волны 0,7 мкм легко сфокусировать в пятно диаметром ≈2 мкм. Таким образом предлагаемый способ позволяет контролировать глубокие уровни и связанные с ними дефекты в арсенале галлия с локальностью несколько микрон без каких-либо контактов или необратимых воздействий. Предварительные экспериментальные исследования это подтвердили.

Использование: техника контроля полупроводников и может быть использовано для локального контроля параметров глубоких центров. Сущность изобретения: контролируемую полупроводниковую пластину помещают между двумя проводящими обкладками, одна из которых прозрачна, неравновесную разность потенциалов на барьерном переходе создают путем облучения полупроводниковой пластины через прозрачную обкладку электромагнитным излучением и генерации фотоЭДС. Информацию о релаксационных процессах снимают с использованием емкостной связи между обкладками и поверхностями полупроводниковой пластины. Для обеспечения требуемой локальности электромагнитное излучение фокусируют. В случае однородных по толщине полупроводниковых пластин (например, полуизолирующих подложек) в качестве барьерного перехода используют переход поверхность - объем полупроводника. При реализации предлагаемого способа наиболее естественно облучать полупроводниковую пластину прямоугольными импульсами электромагнитного излучения фиксированной интенсивности, далее определять амплитуду и форму импульсов на проводящих обкладках, а значения параметров релаксационных процессов рассчитывать по значениям параметров импульсов на обкладках. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения электрофизических параметров полупроводников, включающий охлаждение и(или) нагрев полупроводниковой пластины, содержащей барьерный переход, создание и изменение неравновесной разности потенциалов на полупроводниковом барьерном переходе, регистрацию релаксационных процессов, происходящих в полупроводнике определение зависимости параметров релаксационных процессов от температуры полупроводника и расчет по этим зависимостям параметров глубоких уровней, отличающийся тем, что полупроводниковую пластину помещают между двумя параллельными проводящими обкладками, одна из которых прозрачна, параллельно этим обкладкам, неравновесную разность потенциалов на барьерном переходе создают путем облучения через прозрачную обкладку полупроводниковой пластины электромагнитным облучением, энергия кванта которого выше энергетического порога генерации свободных носителей заряда в полупроводнике, изменение неравновесной разности потенциалов осуществляют путем периодического или импульсного изменения интенсивности излучения во времени, а регистрацию релаксационных процессов осуществляют путем определения амплитуды и формы напряжения, возникающего на проводящих обкладках, и последующего расчета значений параметров релаксационных процессов по амплитуде и форме этого напряжения с учетом зависимости от времени интенсивности электромагнитного излучения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используемое электромагнитное излучение фокусируют так, чтобы фокальное пятно находилось на поверхности полупроводниковой пластины и его диаметр не превышал требуемой локальности измерений. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового барьерного перехода используют переход поверхность - внутренний объем полупроводника. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что полупроводниковую пластину облучают прямоугольными импульсами электромагнитного излучения фиксированной интенсивности, определяют амплитуду и форму импульсов напряжения, возникающих на проводящих обкладках, а значения параметров релаксационных процессов рассчитывают по значениям параметров импульсов напряжения на этих обкладках.