Устройство для определения параметров глубоких уровней в поверхностно-барьерных структурах Советский патент 1985 года по МПК H01L21/66 

00 00

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫХ.СТРУКТУРАХ, содержащее криостат, источник постоянного смещения, источник импульсного смещения, измеритель емкости, соединенные с помещенной в криостат структурой, блок регулировки температуры, двухкоординатньй самописец, соединенный со стробоскопическим интегратором, содержащим генератор синхронизации, соединенный с источником импульсного смещения, и импульсный интегратор, выполненный на базе дифференциального интегратора и устройства выборки и хранения, соединенный с измерителем емкости, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и обеспечения автоматизации измерений, устройство дополнительно содержит цифроанапоговый преобразователь, соединенный с двухкоординатньм (Л С самописцем и стробоскопическим йнтегратором:, который дополнительно содержит блок управления, а блок регулировки температуры и источник импульсного смещения соединены со стробоскопическим интегратором.

,(f,;

tMz(Afg)tMfia i)

а также регистр сдвига, соединенные с блоком регулировки температуры и и источником импульсного смещения, а импульсный интегратор дополнительно содержит два п&следовательНо соединенных ключа, включенных между устройством выборки и хранения и дифференциальным интегратором.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы сигналов, в первом и 250-м циклах измерений (фиг. 1,а) и усредненный разностный релаксационный емкостной сигнал с выхода строб-интегратора для этих же серий измерений; на фиг.2: а - напряжение на исследуемой МДП-структуре;, б - зонная диаграмма МДП-структуры в режимах заполнения глубоких уровней и эмиссии носителей с глубоких уровней; в изменение емкости структуры; г - вре-20 менное положение строб-импульсов, задающих моменты выборки значений релаксационного емкостного сигнала; д - выходной сигнал строб-интегратора; на фиг. 3 - схема устройства для определения параметров глубоких уровней в поверхностно-барьерных структурах; на фиг. 4 - выходные сигналы блоков устройства: а - измерителя емкости; б - стробы устройства выборки-хранения; в - устройства выборки-хранения, г - первого клю ча, д - интегратора; на фиг. 5 диаграммы сигналов блоков устройства В состав устройства входят: источник постоянного смещения 1; генератор импульсов смещения 2j являющийся источником импульсов смещения; измеритель емкости 3; блок регулиров ки температуры 4; двухкоординатный самописец 55 стробоскопический интегратор 6; цифроаналоговый преобразователь 7; исследуемая структура 8; криостат 9; генератор синхронизации 10; устройство выборки ихранения 11; ключи 12, 13; дифференциальный интегратор 14; блок управления 15; схема И 16; вычитающий счетчик 17; регистр сдвига 18; суммирующий счетчик 19.. . Устройство работает следующим образом.. Источник 1, 2 смещения и измеритель 3 емкости подключены к исследуе мой структуре В, помещенной в криостат 9. Стробоскопический интегратрр 6 выполнен на генераторе 10 синхронизадии, устройстве п выборки-хранения, двух аналоговых ключах 12. 13. дифференциальном интеграторе 14 и блоке 15 управления, содержащем схему 16 И, вычитающий счетчик 17, регистр 18 сдвига и суммирующий счетчик 19.

Приложение к структуре 8 постоянного смещения д от источника постоянного смещения 1 вызывает заполнение глубоких уровней носителями-обогагающий режим. Под действием приложенного к структуре 8 от генератора , импульсов смещения 2 напряжения происходит вывод основных носителей из

области локализации глубоких уровней - режим обеднения. При этом меняются электрофизические характеристики структуры, в том числе и емкость. После начала действия импульса импульсного напряжения происходит прос релаксации электрофизических актеристик структуры от неравноных значений к равновесным за т эмиссии носителей с заполненных боких уровней в обедненнойобласвыше уровня Ферми в зону проводити или в валентную зону в зависити от типа глубоких уровней,фиг,2. Релаксация емкости структуры сывается функцией c lN3tN(. ад-5 2() А - площадь структуры; - диэлектрическая проницаемость полупроводника; заряд электрона; Vj - диффузионный потен:&;иал; V(j - смещение на структуре; V - глубина обедненной области; N(j - концентрация мелких примесей; ( концентрация заполненных глубоких уровней в дачный момент времени ntbK, (2) Н-j- полная концентрация глубоких уровней данного типа; .I- - характерная постоянная времени релаксационного процесса. бозначим ()) Тогда при Ц- « N j выражение (1) примет вид

..p

--11 .

При отсчете t от момента подачи импульсного напряжения

C(t1.CohtbC(o1exp(4)

5 ЛС(о) - максимальное отклонени неравновесног.о значени емкости от равновесног значения, имеющее мест в момент подачи импуль ного напряжения. Емкость структуры непрерывно изм ряется измерителем емкости 3, однак выборку значений релаксационного сигнала производят для двух моментов времени {;, , ig течение каждог релаксационного процесса устройство выборки-хранения 11, причем интерва между моментами измерения последова тельно меняют or цикла к циклу пери одическими .релаксационных процессов Стробоскопический интегратор 6 формирует усредненный за в.се повторяющиеся релаксационные процессы в цикле разностньй сигнал емкости структуры . iAnUta j exp(-|- cjt&5м-:.,-С t,U - e4|y-. где ц - порядковый номер цикла; ig- длительность выборки. Положение моментов времени ,i, выборки значений релаксационного сигнала в каждом .цикле будет 4 . -::-: ъ-гч ь-1 - отношение временного полож ния выборок, которое целесообразно сохранять постоя ным в каждом цикле. 4;ft - интервал времени, на кратгные значения которого изменяются временные положения моментов выборки 4 и ig и интервал времени между ними от цикла к циклу. С учетом этих выражений усредненный разностный

релаксационный емкостной сигнал от исследуемой структуры в ;h/-M цикле, приобретает вид:

;- S-oi: c.

,hK- l

ntu

){-р(-Ф)

ехр(vn .Усредненный разностный сигнал u5(j имеет максимум в момент времени и,в ПА« цикле, когда интервал выборки /а. (п) J In) ч V 2 1 порядка времени релаксации {, приходится на участок релаксационного сигнала с наибольшей крутизной. Положение максимума разностного .усредненного сигнала определяется из исследования выражения (6) и момент на экстремум времени, когда сигнал имеет максимум, равен / - / . « м1ис е„ь. Расписав характерное время релаксации , преобразуем выражение (7) в i I 1 .,,vrTrP b(8) сучение захвата носителя на данный глубокий уровень; Vnp - тепловая скорость носителей; - эффективная плотность состояний в зоне проводимости или валентной зоне полупроводника, куда происходит эмиссия носителей с глубокого уровня; ьЬ - энергетическое положение глубокого уровня; q - фактор вырождения. &n, Коэффициент С торый при эмиссии с глубоких уровней имеет зависимость от температзфы, чаще всего меняющуюся по степенному закону , T.K. и Nj. Из выражения (8) видно, что положение максимума усредненного разностного сигнала во времени определяется температурой Т , при которой изучают изотермический релаксационный процесс, и энергетическим положением глубоких уровней А Е- . Проведя серию измерений для двух (по меньшей мере) фиксированных темератур (фиг. 2) и определяя положение выбранного пика разностного релаксационного сигнала на оси времени, определяют энергетическое пол жение глубоких уровней, по наклону прямой зависимости Birb ил от -:j , при построении которой необходимо знать координаты как минимум двух точек. Аналитическое вьфажение для энер гетического положения глубокого уровня при проведении серий измере НИИ для двух фиксированных температур, как следует из выражения (7). имеет вид Дг д сЛм бпТип глубокого уровня определяют по знаку усредненного разностного сигнала Д6 , концентрацию глубоких уровней - по велине iC (о) - максимальному отклонению неравновесного значения емкости структуры от равновесного . В момент времени i О (момент подачи импульса смещения от генератора импульсов смещения 2) начинает ся процесс релаксации емкости струк туры 8. Одновременно на инвертирующем входе схемы И 16 появляется низкий потенциал, разрешающий передачу тактовых 1й1пульсов от гене ратора синхронизации 10 на счетный эход вь1чйтг1ющего.счетчика 17 с частотой i-j. (иПериодом t t ) Этот же потенциал закрьшает ключ 12. В первый полупериод If генератор синхронизации 10 выдает высокий потенциал на вход V управления режимом регистра сдвига 18 и на вход управления ключа 13 (ключ 13 замыкается) и короткий импульс синхронизации на вход С синхронизации регистра сдвига 18. При этим происходит запись информации из суммирующего счетчика 19 в регистр сдвига 18. В начальный момент в суммиру ийцем счетчике 19 записана, единица. В этот же полупериод от генерато ра синхронизации 10 на вход С синхронизации вычитающего счетчика 17 подается короткий импульс синхронизации, но которому осуществляется перезапись единицы из регистра сдви га 18 в вычитающий счетчик 17, Во в горой полупериод i по сигна лу от схемы И 16, .поступающему на счетный вход вычитающего счетчика 17. на выходе вычитахщего счетчика 888 17 появляется сигнал. Он поступает на вход управления устройством выборки-хранения 11. Происходит запись уровня напряжения из измерителя емкости 3 в устройство выборки - хранения 11. С окончанием импульса смещения генера.тора схема И 16 запрещает прохождение тактовых импульсов от генератора синхронизации 10 на счетный вход вычитающего счетчика 17. Одновременно подача высокого потенциала с генератора импульсов смещения 2 на управляющий вход ключа 12 замыкает ключ 12. Одновременно генератор синхронизации 10 изменяет потенциал на входе N регистра сдвига 18 с высокого на низкий. Этот же потенциал поступает на управляющий вход ключа 13. Ключ 13 подключает неинвертирующий вход дифференциального . интегратора 11 через замкнутый клю.ч 12 к выходу устройства выборки-хранения 11. Происходит интегрирование значения напряжения, пропорционального величине емкости структу ры 8, через 4:1- , после начала релаксационного процесса. Результат хранится в дифференциальном интеграторе 14 до прихода импульса выборки от генератора синхронизации 10 на управляющий вход интегратора 14. С началом второго импульса смещения от генератора импульсов смещения 2 генератор синхронизации 10 вьщает короткий импульс синхронизации на вход С рет истра сдвига 18, На входе V регистра сдвига 18 в это время низкий потенциал. Происходит сдвиг записанной в регистре сдвига 18 единицы на один разряд влево. Эта информация переписывается в вычитающий счетчик 17. Таким образом, в вычитающем счетчике 17 теперь запи- сана 2 и сигнал на выходе вычитающего счетчика 17 появится через два тактовых импульса, т.е. через время 2tf. Через время произойдет запись уровня напряжения из измерителя емкости 3 в устройство выборкихранения 11. Одновременно с генератора синхро- , низа1Ц1и 10 на управляющий вход ключа 13 н вход V регистра сдвига 18 посту пит высокий потенциал. По этому сигналу ключ 13 подключит инвертирующий вход дифференциального интегратора 14 к выходу ключа и во время паузы между импульсами смещения от генератора импульсов смещения 2 (когда ключ 1 замыкается) - к выход устройства выборки - хранения 11. Таким образом, во время паузы между импульсам1Г-смещения от генератора импульсов смещения 2 происходит интегрирование со знаком - выходного напряжения устройства вы борки-хранения 11, пропорционально величине емкости структуры через 2-t после начала релаксационного процесса. В результате к началу следующего импульса смещения на выходе дифференциального интегратора 14 формируется напряжение Чп Bb,x i McUTVU2Mlclt,(10) ...0 ... где г) - пауза между импульсами смещения; напряжение с выхода устройства 11 выборки-хранения. С началом следующего импульса смещения весь процесс повторяется. N раз и к концу цикла напряжение на выходе дифференциального интегра тора 14,.§удет Ueb.x f(4VVcl1iT).(11) В конце цикла от генератора синхронизации 10 на дифференциальный интегратор 14 поступает импульс выборки, по которому на выходе дифференциального интегратора 14 появляется сигнал (Jeyv). Ug(,, поступает на одну координату двухкоординатного самописца 5, на вторую координату которого поступае сигнал с цифроаналогового преобразователя 7. пропорциональный сигнал на выходе суммирующего счетчика 19 Число, записанное в суммирующем сче чике 19, определяет интервал между моментами измерения. В начале следующего цикла генера тор синхронизации 10 вьщает сигнал на счетный вход суммирующего счетчи ка 19. По этому сигналу содержимое суммирующего счетчика 19 увеличива ется на 1 и время между моментами измерения увеличивается на 2-tj. В каждом последующем цикле (всего ихПи- в пределах серии) содержим ИиКС11 ., счетчика увеличивается на 1 . В ре зультате в конце серии на двухкоординатном са1чописце фиксируется ряд. точек, отображающих зависимость UBb,x 4l c T Vcl2ni, (12) о где п 1, . .., ПмаксПо достижении содержимьсм суммирзющего счетчика 19 числа ,...+ 1 с выхода Р суммирующего счетчика 19 в блок регулировки температуры 4 поступает сигнал, разрешающий изменение температуры структуры 8. При этом из блока регулиров.ки температуры 4 поступает сигнал на вход установки в О суммирующего счетчика 19, запрещающий проведение измерений во время изменения температуры. После того как тепловой режим в криостате 9 установится, сигнал установки в О с суммирующего счетчика 19 снимается и проводится вторая серия аналогичных измерений при новой фиксированной температуре структуры 8. Изобретение позволяет повысить точность определения параметров глубоких уровней в поверхностнобарьерных структурах и экспрессность измерений. Так как процесс измереНИИ сводится к проведению нескольких серий измерений в установившихся тепловых режимах при разных фиксированных температурах из узкого диапазона температур с изменением интервала времени между моментами выборки значения релаксационного емкостного сигнала, устанавливаемых автоматически от цикла к циклу в серии, что позволяет исключить ошибки измерений, связанные с неустановившимся тепловым режимом, уменьшить неточность установки, временных положений моментов выборки значений релаксационного емкостного сигнала, а также точно соотнести измеренные параметры глубоких уровней с температурой. Использование в устройстве одного устройства выборки-хранения исключает некоррелированный дрейф между устройствами выборкихранения, присутствующий в устройстве-прототипе, что улучшает отношение сигнал/шум и в конечном итоге повьшает чувстйительность и точность. Провидение измерений при нескольких фиксированных температурах из узкого интервала температур исклю1чает .необходимое в прототипа осуществление многократных процессов нагревание - охлаждение в широком диапазоне температур (77 - 450 К) и повышает экспрессность измерений. 101,08812 Экспрессность измерений повышается также за счет автоматического перехода от одной температуры измерений к другой, осуществляемого устройством.

ATTir

C(t;)C(t)7 дМ,

Гг-Jr. .

«

Фиг.2

Фи&

Фиг. 5