СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

Описание патента на изобретение RU2431216C1

Изобретение относится к области электронной техники, микро- и наноэлектроники и может быть использовано для исследования энергетического спектра электронных состояний, исследования дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых материалах и барьерных структурах.

Известен способ исследования энергетического спектра электронных состояний и дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых барьерных структурах методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ), основанный на изучении температурной зависимости релаксации электрического тока, заряда или емкости барьерной структуры [1-4].

Недостатками данного способа являются:

1. Энергию ионизации глубоких уровней определяют по наклону графика Аррениуса, который строится при различных температурах в допущении, что сечение захвата (σ) не зависит от температуры. На самом деле σ может зависеть от температуры, что вносит дополнительную погрешность в определение энергии ионизации.

2. В ряде случаев для построения графика Аррениуса необходимо проводить температурное сканирование образца несколько раз, что увеличивает время проведения измерений.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является метод Лэнга [1], заключающийся в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V1, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), с помощью устройства селекции по времени релаксации (DLTS-спектрометра) и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS (Тмакс). Недостатком данного способа является обязательное в ряде случаев многократное температурное сканирование, так как энергию ионизации глубоких уровней в методе DLTS традиционно определяют по графику Аррениуса [1]. Устройства для реализации метода Лэнга, известные в англоязычной аббревиатуре как DLTS-спектрометры, выпускаются за рубежом. Отечественная промышленность такие устройства не выпускает.

Предлагаемый способ позволяет определять энергию ионизации глубоких уровней в результате одного температурного сканирования и без построения прямой Аррениуса и устранить недостаток прототипа.

Суть способа определения энергии ионизации глубоких уровней заключается в следующем. В известный метод Лэнга [1], заключающийся в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V1, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), с помощью устройства селекции по времени релаксации (DLTS-спектрометра) и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS, вводят дополнительный импульс напряжения обратного смещения с амплитудой V2>V1, причем |V2-V1|>>k Тмакс/е. На исследуемую полупроводниковую структуру поочередно подают импульсы напряжения обратного смещения V1 и V2 (фиг.1а). После каждого импульса получают токовый релаксационный процесс (фиг.1б). Сигнал, пропорциональный этим процессам, умножают на опорный сигнал F1(t) (фиг.1в) и F2(t) (фиг.1г). В результате производят селекцию по времени релаксации и определяют два значения амплитуды пиков спектра DLTS ΔU1 и ΔU2, соответствующих одной и той же постоянной времени релаксации и различной амплитуде импульсов напряжения обратного смещения V1 и V2.

Определение концентрации дефектов с глубокими уровнями (глубоких центров) в случае токового варианта метода DLTS производится по амплитуде пика ΔU спектра глубоких уровней (ГУ), используя соотношение [7]:

где b - множитель, зависящий от величины напряжения обратного смещения на образце [4];

m - коэффициент передачи сквозного тракта спектрометра DLTS;

S - площадь барьерного контакта Шоттки;

d - толщина ОПЗ;

θ - множитель, учитывающий эффект смещения границы ОПЗ в процессе релаксации тока [7];

λ - толщина слоя неполной ионизации глубокого уровня, определяется по формуле

Запишем формулу (1) для двух случаев амплитуды напряжения импульсов обратного смещений V1 и V2 при b=1 и θ=1:

При условии однородного распределения объемного заряда глубоких и мелких центров в ОПЗ:

откуда после преобразований имеем:

где d1 и d2 - толщины ОПЗ соответственно для амплитуды напряжения импульсов обратного смещения V1 и V2.

Заменяем в формуле (2) EF-Et=(EC-Et)-(EC-EF)=ΔE-(EC-EF) (3)

Используем известное из литературы соотношение для расчета уровня Ферми [2]:

Из формул (2), (3), (4) с учетом того, что n0=N∂м, получаем:

При расчете ΔЕ по формуле (5), вместо T используем величину Tmax, которую определяем по местоположению пика на спектре DLTS. При наличии в образце нескольких глубоких уровней всю информацию об энергии ионизации получаем в результате одного температурного сканирования. Для расчета плотности состояний в зоне проводимости (валентной зоне) NC(V) применяем стандартную методику. Так, для кремния .

Величины d1, d2 и Nдм могут быть легко найдены из соответствующих C-V - зависимостей.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна", т.к. в известных источниках не обнаружен предложенный способ определения энергии ионизации глубоких уровней. Следовательно, последовательность операций при исследовании энергетического спектра электронных состояний отличается от существующих, а предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Данный способ предлагается для реализации научным лабораториям, предприятиям и организациям, занимающимся исследованиями в области микро- и наноэлектроники.

Для осуществления способа предлагается устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов сложной формы, измерительную ячейку с возможностью изменения температуры исследуемого образца и DLTS - спектрометр.

Прототипом DLTS - спектрометра может служить, например, спектрометр фирмы "Sula Technologies", США [6].

Сущность изобретения и возможные варианты реализации предложенного способа поясняются следующими чертежами:

фиг.1 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства;

фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ.

Импульсное напряжение сложной формы (фиг.1а) поступает из блока 1 в блок 2 измерительной ячейки. Прототипом измерительной ячейки может служить криостат фирмы JANIS [5]. Далее сигнал релаксации электрического тока, емкости или заряда из блока 2 поступает в блок 3, в котором осуществляется анализ и определение амплитуд пиков спектра DLTS при различных значениях обедняющих импульсов напряжения. Генератор прямоугольных импульсов (1) содержит дополнительный формирователь последовательности прямоугольных импульсов V2 с возможностью раздельной регулировки их амплитуды и длительности, а в устройстве релаксационной спектроскопии глубоких уровней (3) выход селектора постоянной времени соединен с двумя фильтрами низкой частоты (ФНЧ) через коммутатор, управляемый генератором прямоугольных импульсов (1).

Технико-экономический результат заключается в сокращении времени измерения и повышении достоверности информации о параметрах глубоких центров в полупроводниковых барьерных структурах и материалах.

Литература

[1] Lang D.V. Deep level transient spectroscopy: a new method to characterize traps in semiconductors // J Appl. Phys. 1974. V.45. P.3023-3032.

[2] Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука, 1981, 176 с.

[3] Денисов А.А., Лактюшкин В.Н., Садофьев Ю.Г. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней // Обзоры по электронной технике. 1985. Сер.7. Вып.15 (1141), 52 с.

[4] ASTM standard F 978-02 Standard test method for characterizing semiconductor deep levels by transient capacitance techniques.

[5] www.janis.com.

[6] www.sulatech.com.

[7] Зубков М.В. Определение концентрации глубоких центров с учетом полевой зависимости времени релаксации тока // Электронная техника. Сер.10. Микроэлектронные устройства. Вып.6 (78), 1989. - С.42-45.

Похожие патенты RU2431216C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2009
  • Вишняков Николай Владимирович
  • Литвинов Владимир Георгиевич
  • Милованова Оксана Александровна
  • Рыбин Николай Борисович
RU2415389C1
Способ определения энергии ионизации глубоких уровней в полупроводниках 1981
  • Орешкин Павел Тимофеевич
  • Перелыгин Александр Иванович
  • Гармаш Юрий Владимирович
SU1005221A1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 1994
  • Русаков Н.В.
  • Кравченко Л.Н.
  • Подшивалов В.Н.
RU2080611C1
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ В КРИСТАЛЛАХ СИЛЛЕНИТОВ 2014
  • Ильинский Александр Валентинович
  • Кастро Арата Рене Алехандро
  • Набиуллина Лилия Ансафовна
  • Пашкевич Марина Эрнстовна
  • Шадрин Евгений Борисович
RU2575134C1
Способ определения энергии ионизации глубоких уровней в полупроводниках 1986
  • Орешкин Павел Тимофеевич
  • Рожков Сергей Владимирович
SU1408474A1
Устройство для определения параметров глубоких центров в полупроводниковых структурах 1988
  • Орешкин Павел Тимофеевич
  • Лузан Виктор Михайлович
SU1608551A1
Способ определения параметров глубоких уровней в полупроводниках и устройство для его осуществления 1983
  • Гринсон А.А.
  • Гуткин А.А.
  • Метревели С.Г.
SU1141869A1
СПОСОБ АНАЛИЗА ПРИМЕСЕЙ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ ПРИ ИХ НАПУСКЕ В ВИДЕ ВНЕОСЕВОГО СВЕРХЗВУКОВОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА ЧЕРЕЗ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОННОЙ ИОНИЗАЦИИ И РАДИОЧАСТОТНЫЙ КВАДРУПОЛЬ С ПОСЛЕДУЮЩИМ ВЫВОДОМ ИОНОВ В МАСС-АНАЛИЗАТОР 2014
  • Разников Валерий Владиславович
  • Зеленов Владислав Валерьевич
  • Чудинов Алексей Владимирович
  • Сулименков Илья Вячеславович
  • Пихтелев Александр Робертович
  • Разникова Марина Олеговна
  • Савенков Геннадий Николаевич
RU2576673C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 2005
  • Подшивалов Владимир Николаевич
  • Макеев Виктор Владимирович
RU2330300C2
СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ 2007
  • Капустин Владимир Иванович
RU2354963C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 431 216 C1

Реферат патента 2011 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области электронной техники, микро- и наноэлектроники. Способ определения энергии ионизации глубоких уровней заключается в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V1, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), производят селекцию по времени релаксации и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS (Тмакс). Вводят дополнительный импульс напряжения обратного смещения с амплитудой V2>V1, причем |V2-V1|>>k·Тмакс/е, определяют два значения амплитуды пиков спектра DLTS ΔU1 и ΔU2, соответствующих одной и той же постоянной времени релаксации и различной амплитуде импульсов напряжения обратного смещения V1 и V2, производят определение энергии ионизации глубокого уровня (АЕ) по предложенной формуле. Устройство, реализующее способ, содержит генератор прямоугольных импульсов сложной формы, подсоединенный к устройству релаксационной спектроскопии глубоких уровней с возможностью изменения температуры исследуемого образца. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 431 216 C1

1. Способ определения энергии ионизации глубоких уровней, заключающийся в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V1, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), производят селекцию по времени релаксации и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS (Тмакс), отличающийся тем, что вводят дополнительный импульс напряжения обратного смещения с амплитудой V2>V1, причем |V2-V1|>>kТмакс/е, определяют два значения амплитуды пиков спектра DLTS ΔU1 и ΔU2, соответствующих одной и той же постоянной времени релаксации и различной амплитуде импульсов напряжения обратного смещения V1 и V2, производят определение энергии ионизации глубокого уровня (АЕ) по формуле:
,
где d1 и d2 - толщины ОПЗ соответственно для амплитуд напряжения импульсов обратного смещения V1 и V2,
е - заряд электрона,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника,
ε0 - диэлектрическая постоянная,
k - постоянная Больцмана,
Тмакс - температура пика спектра DLTS,
Nм - концентрация мелких центров в ОПЗ.

2. Устройство для осуществления способа определения энергии ионизации глубоких уровней, содержащее последовательно соединенные генератор прямоугольных импульсов напряжения обратного смещения, измерительную ячейку с возможностью изменения температуры исследуемого образца и устройство релаксационной спектроскопии глубоких уровней, отличающееся тем, что генератор прямоугольных импульсов содержит дополнительный формирователь последовательности прямоугольных импульсов V2 с возможностью раздельной регулировки их амплитуды и длительности, а в устройстве релаксационной спектроскопии глубоких уровней выход селектора времени релаксации соединен с двумя фильтрами низкой частоты (ФНЧ) через коммутатор, управляемый генератором прямоугольных импульсов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2011 года RU2431216C1

Lang D.V
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Phys
ПРИБОР ДЛЯ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗВУКОВ 1923
  • Андреев-Сальников В.А.
SU1974A1
Железобетонный фасонный камень для кладки стен 1920
  • Кутузов И.Н.
SU45A1
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ПЕРЕВОДА ИЗ ВАГОНА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ ПУТЕВОЙ СТРЕЛКИ 1925
  • Силич В.В.
SU3023A1
Способ определения энергии ионизации глубоких уровней в полупроводниках 1986
  • Орешкин Павел Тимофеевич
  • Рожков Сергей Владимирович
SU1408474A1
Способ определения энергии ионизации глубоких уровней в полупроводниках 1981
  • Орешкин Павел Тимофеевич
  • Перелыгин Александр Иванович
  • Гармаш Юрий Владимирович
SU1005221A1
Устройство для подогрева скрапа 1974
  • Гуревич Григорий Ильич
  • Бро Виталий Борисович
  • Мирошников Олег Нилович
  • Мельник Анатолий Михайлович
SU470692A1
Способ получения местного шлакового вяжущего 1958
  • Исакович Г.А.
  • Щепетов А.М.
SU117259A1

RU 2 431 216 C1

Авторы

Вишняков Николай Владимирович

Гудзев Валерий Владимирович

Зубков Михаил Владимирович

Литвинов Владимир Георгиевич

Даты

2011-10-10Публикация

2010-06-15Подача