СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Российский патент 2012 года по МПК G01N21/17 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения параметров полупроводниковых материалов, а именно для определения времени жизни неравновесных носителей заряда.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при исследовании как полупроводниковых материалов, так и полупроводниковых приборов, создаваемых на их основе. В частности, целесообразно применять данное изобретение в тех случаях, когда возможно изготовить на основе исследуемого полупроводника МДП-структуру и контакты к ней, а также в процессе производства полупроводниковых приборов, в состав которых входят уже изготовленные МДП-структуры.

Известны способы определения времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках, основанные на зондировании полупроводника длинноволновым инфракрасным излучением (с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника), при его одновременном облучении коротковолновым светом (с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны полупроводника) [1, 2, 3, 4].

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа является метод измерения времени жизни носителей заряда в полупроводниках [2]. Этот способ заключается в пропускании через полупроводниковый образец зондирующего излучения с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника. При этом концентрация неравновесных носителей заряда модулируется освещением светом оптического инжектора с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны полупроводника. Зондирующее излучение, прошедшее через полупроводниковый образец, или отраженное им, регистрируется и по его параметрам расчетным путем определяют искомую величину времени жизни. Однако вышеописанный метод измерений имеет недостатки. Этот метод не позволяет определять время жизни неравновесных носителей заряда при высоких уровнях инжекции - выше 10¹⁸ см^-3 [5]. Вместе с тем, существует необходимость измерения времени жизни при высоких уровнях инжекции, вплоть до 10²⁰ см^-3, для оценки работы некоторых приборов, например мощных тиристоров, а также в научных исследованиях. Для создания в полупроводнике высоких концентраций носителей вплоть до 10²⁰ см^-3 необходимо использовать инжектирующее излучение очень большой оптической мощности (более 10 Вт). При этом высокие концентрации свободных носителей заряда создаются в слое полупроводника толщиной, равной диффузионной длине (обычно это несколько микрон). Так как величина поглощения зондирующего луча определяется произведением коэффициента поглощения на толщину поглощающего слоя, а коэффициент поглощения пропорционален концентрации носителей заряда, то это приводит к высокому уровню поглощения в нем зондирующего луча и, по сути, к невозможности использования интерференционного метода [5]. В современной электронной промышленности большое значение имеет измерение параметров реальных полупроводниковых структур, например интегральных микросхем. Интерес представляет измерение времени жизни носителей заряда не только в полупроводниковых материалах, но и в готовых полупроводниковых приборах. А в прототипе и в аналогичных изобретениях [1, 3, 4] измерения времени жизни неравновесных носителей заряда полупроводника производят только в полупроводниковых материалах, из которых изготавливают измерительные образцы в виде плоскопараллельных полированных пластин. Также современные полупроводниковые приборы очень часто являются тонкопленочными структурами с несколькими слоями из полупроводников, различающихся по свойствам. Для таких приборов также важно знать параметры материалов, из которых они изготовлены, для случая, когда полупроводниковый слой имеет небольшую толщину. В связи с этим представляет интерес измерение времени жизни неравновесных носителей заряда в тонких полупроводниковых слоях.

Цель изобретения - расширение области применения прототипа за счет возможности измерения времени жизни неравновесных носителей заряда при их высоких концентрациях, а также за счет возможности измерения времени жизни неравновесных носителей заряда не только в полупроводниковых материалах, но и в готовых полупроводниковых структурах, и обеспечение возможности измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в тонких полупроводниковых слоях.

Сущность изобретения: создание неравновесных носителей заряда в приповерхностном слое полупроводникового материала с помощью поперечного электрического поля в структуре металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) на основе исследуемого полупроводникового материала. Зондирование полученной МДП-структуры инфракрасным лазерным излучением (оптическим зондом). Измерение коэффициента модуляции пропущенного через полупроводниковый образец с МДП-структурой (или отраженного им) инфракрасного лазерного излучения, по параметрам которого рассчитывается время жизни неравновесных носителей заряда.

В предлагаемом изобретении определение времени жизни неравновесных носителей заряда происходит за счет измерения интенсивности пропускаемого через МДП-структуру (фиг.1), изготовленную на основе исследуемого полупроводникового материала (или отраженного ею) зондирующего инфракрасного лазерного излучения.

На фиг.1: 1 - полупроводник, 2 - слой диэлектрика, 3 - слой металла, 4 - электрический контакт.

Энергия фотонов этого излучения меньше ширины запрещенной зоны полупроводника. При подаче напряжения на слой металла 3 МДП-структуры в области полупроводника 1, граничащей с диэлектриком 2, образуются избыточные носители заряда. Они локализуются в тонком слое, порядка 100 нм, и их концентрация может легко достигать значения 10²⁰ см^-3 [6]. Эти носители меняют показатели преломления и поглощения полупроводника, что приводит к изменению пропускания МДП-структуры. Поглощение зондирующего излучения избыточными носителями будет не очень большим вследствие небольшой толщины слоя их локализации, что делает возможным наблюдение интерференции в МДП-структуре и проведение измерений. При отключении напряжения на МДП-структуре носители заряда становятся неравновесными и начинают рекомбинировать. Темп их рекомбинации определяется временем жизни. При этом начинает меняться и интенсивность излучения оптического зонда, прошедшего через образец (или отраженного им), по спаду которой можно определить время жизни неравновесных носителей заряда.

Интенсивность зондирующего излучения пропорциональна изменению пропускания, которое можно представить в виде выражения через концентрацию неравновесных носителей заряда [5]:

,

где ΔТ - изменение пропускания образцом излучения оптического зонда;

Т'_ν - производная пропускания плоскопараллельным образцом зондирующего излучения по ν (ν - характеристика поглощения);

ν=ехр(-α_zl);

α_z - коэффициент поглощения зондирующего излучения;

l - толщина образца;

Т'_δ - производная пропускания плоскопараллельным образцом зондирующего излучения по δ {δ - фазовый угол этого излучения в образце);

;

n - показатель преломления полупроводника;

λ_z - длина волны оптического зонда;

ϕ₂ - угол преломления этого зондирующего излучения в образце;

σ - общее сечение поглощения зондирующего излучения электронами и дырками;

ΔN - концентрация неравновесных носителей заряда;

е - заряд электрона;

ε₀ - электрическая постоянная;

с - скорость света;

m^* - эффективная масса носителей заряда.

Концентрация неравновесных носителей заряда связана с их временем жизни:

где N_o - концентрация носителей заряда в момент отключения напряжения на МДП-структуре; τ - время жизни неравновесных носителей заряда; t - текущее время.

Интенсивность зондирующего излучения зависит от концентрации носителей заряда и спадает по аналогичному закону с законом спада концентрации неравновесных носителей заряда. Отсюда следует, что интенсивность зондирующего излучения спадает со временем по закону:

где I_o - интенсивность излучения оптического зонда в момент отключения напряжения на МДП-структуре.

Таким образом, по спаду интенсивности излучения оптического зонда, пропущенного через МДП-структуру (или отраженного ей), можно определить время жизни неравновесных носителей заряда.

В установке, схема которой изображена на фиг.2, свет оптического зонда пропускается через образец. На исследуемый образец 6 (МДП-структура) с генератора 10 подается электрический сигнал так, чтобы создать слой на поверхности полупроводника, обогащенный носителями заряда. Свет лазера 5, прошедший через исследуемый образец, регистрируется с помощью фотоприемника 7 усилителя 8 и регистрирующего прибора 9.

В установке, схема которой изображена на фиг.3, свет оптического зонда отражается от исследуемого образца. На исследуемый образец 6 (МДП-структура) с генератора 10 подается электрический сигнал так, чтобы создать слой на поверхности полупроводника, обогащенный носителями заряда. Свет лазера 5, отраженный исследуемым образцом, регистрируется с помощью фотоприемника 7, усилителя 8 и регистрирующего прибора 9.

Данное изобретение расширяет область применения прототипа и обладает важными отличительными преимуществами.

Во-первых, с помощью данного изобретения можно измерять время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках при высоких концентрациях неравновесных носителей.

Во-вторых, существует отличная возможность использования в промышленности по сравнению с прототипом рассматриваемого способа измерений. МДП-структуры часто используются в современных приборах планарной электроники, и они являются одними из основных элементов интегральных микросхем. Время жизни неравновесных носителей заряда является важной характеристикой полупроводникового материала, из которого изготовлен полупроводниковый прибор, и его необходимо контролировать при промышленном производстве приборов. На определенном этапе производства из полупроводниковых пластин изготавливают планарные приборы совместно с контрольными структурами на одном кристалле. Предлагаемый способ измерения можно осуществлять на контрольных МДП-структурах. Таким образом, данный способ можно применять для контроля параметров полупроводниковых приборов при их промышленном производстве.

В-третьих, данный способ можно использовать для измерения времени жизни в поверхностных слоях полупроводников, так как неравновесные носители локализуются электрическим полем в тонком слое полупроводника, граничащего с диэлектриком.

В-четвертых, данный способ измерений значительно удешевляет измерительную установку по сравнению с прототипом. В самом деле, в прототипе лазер с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны (инжектирующий лазер), должен обладать достаточно большой мощностью и при этом работать на определенной длине волны. Такой лазер является дефицитным прибором и имеет высокую стоимость. В аппаратуре, обеспечивающей измерение по данному изобретению, мы обошлись без инжектирующего лазера, а генератор 10, который мы используем здесь, имеет значительно более низкую стоимость.

Литература

1. D.L Polla., IEEE Electron. Dev. Lett., EDL-4, 1983, №6, p.185-187.

2. Л.Н.Курбатов. и др. Интерференционный метод измерения времени жизни носителей в полупроводниках. УФЖ, 1985, т.30, №6, с.920-924.

3. Патент №2006987 РФ кл. H01L 21/66, 1994.

4. А.с. №1473552 СССР кл. C01R 31/26, 1986.

5. А.Б.Федорцов. Лазерная интерферометрия электронных параметров полупроводников. СПб., Изд-во СЗТУ, 2010. - 133 с.: 46 ил.

6. Г.П.Пека. Физические явления на поверхности полупроводников. Киев. «Выща школа», 1984.

Использование: для измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках. Сущность: заключается в том, что осуществляют зондирование исследуемого образца излучением с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны, модуляцию концентрации неравновесных носителей заряда в полупроводнике, измерение параметров зондирующего излучения, пропущенного через образец или отраженного им, определение времени жизни неравновесных носителей заряда по измеренным параметрам зондирующего излучения, при этом исследуемый образец выполнен в виде структуры металл - диэлектрик - полупроводник, причем концентрацию неравновесных носителей заряда модулируют подачей напряжения между металлическим и полупроводниковым слоями данной структуры. Технический результат: обеспечение возможности измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в тонких полупроводниковых слоях. 3 ил.

Способ определения времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках, включающий зондирование исследуемого образца излучением с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны, модуляцию концентрации неравновесных носителей заряда в полупроводнике, измерение параметров зондирующего излучения, пропущенного через образец или отраженного им, определение времени жизни неравновесных носителей заряда по измеренным параметрам зондирующего излучения, отличающийся тем, что исследуемый образец выполнен в виде структуры металл-диэлектрик-полупроводник, причем концентрацию неравновесных носителей заряда модулируют подачей напряжения между металлическим и полупроводниковым слоями данной структуры.