Способ определения параметров глубоких уровней в полупроводниках и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к способам определения параметров полупроводникового материала и касается такого метода исследования полупроводников, как нестационарная спектроскопия глубоких уровней (НСГУ), которьш широко используется для определения концентрации и параметров глубоких уровней в полупроводниковом материале. Известен способ определения парам ров глубоких уровней методом НСГУ в режиме постоянной емкости, В нем компенсация изменения емкос после выключения заполняющего импуль са осуществляется путем добавления к постоянному напряжению величины uUjy(t), закон изменения которой от времени принимается экспоненциальным AU,(t) -t3,e, где постоянная времениСц задается, а амплитуда 1 вЫра батывается из разцос между амплитудами падения внешнего высокочастотного напряжения на иссле дуемом образце и эталонной цепи. Способ реализуется с помощью устройства, состоящего из генератора высокой частоты, соединенного с емко стным мостом, в-который включен исследуемый образец, сумматора, выход (которого через емкостный мост соедин с образцом, один из входов с генератором прямоугольных импульсов, а дру гой - с формирователем экспонент, к которому подключен блок обратной связ Часто в случаях неэкспоненциально релаксации емкости и изменения акти ной проводимости образца при переза- рядке глубоких уровней этот способ и устройство для его осуществления вносят дополнительно погрешности в определяемые величины параметров и концентрацию глубоких уровней, Наиболее близким к изобретению яв ляется способ определения параметров глубоких уровней в полупроводнике методом НСГУ в режиме постоянной емкости.,Этот способ включает подачу на образец напряжения смещения и импульсанапряжения, изменяющего напря жение смещения, и компенсацию изменения емкости образца после окончани импульса напряжения путем изменения напряжения смещения на исследуемом образце в процессе изменения плотное ти объемного заряда при перезарядке глубоких уровней на величину ДО J,(t), которая вырабатывается путем-сравнения только реактивных составляющих амплитуд падения внешнего высокочастотного напряжения на исследуемом образде и на эталонной цепи. Устройство, осуществляющее этот способ, состоит из двойного импульсного интегратора, усилителя обратной связи, сумматора, генератора высокой частоты, широкополосного усилителя рассогласования, фильтра, высокочастотного смесителя, двух регулируемых фазовращателей и аттенюатора. Высокочастотный генератор соединен с эталонной цепью, представляющей собой регулируемый фазовращатель и аттенюатор, соединенные последовательно. Параллельно эталонной цепи включен исследуемый образец. Другой вывод эталонной цеПи и образца подключен к широкополосному усилителю рассогласования, выходкоторого через фильтр подключен к одному из входов высокочастотного смесителя. Второй вход смесителя через регулируемый фазовращатель соединен с образцом Второй вход сумматора подключен к источнику постоянного напряжения - смещения. К выходу усилителя обратной связи подключен также двойной импульсный интегратор. Способ и устройство для его осуществления обладают следующими недостатками, В прототипе чувствительность не превьш1ает 10 от концентрации мелких уровней. Это объясняется тем, что при точности поддержания емкости 1% и амплитуде высокочастотного напряжения на образце 0,1 В на-, пряжение на входе усилителя рассогласования составляет 0,1 мкВ. Получение такой чувствительности усилителя рассогласования при обеспечении приемлемого отношения сигнал/Шум и устойчивости усиления, в широкой полосе частот представляет собой сложную техническую задачу. Дальнейшее увеличение точности поддержания емкости, а следовательно, и чувствительности.без увеличения Ug ограничено тем, что увеличить чувствительность усилителя без резкого ухудшения быстродействия принципиально невозможно. Так как U не может быть меньше чем 0,1 В без потери чувствительности, отсюда следует, что UK - не может

быть выбрано меньше 10 В, где Vj контактная разность потенциалов в : исспедуемом.образцй. Следовательно, .прототип не позволяет без потери чувствительности исследовать глубоки уровни, сконцентрированные на расстояниях от границы раздела р- и п-областей в р-п-переходе иметалл-йолу- проводник в барьере Шоттки, меньше ширины слоя объемного заряда при . напряжении смещения 10 В.

Цель изобретения - повышение .чувствительности. Поставленная цель достигается тем, йто в способе определения параметров глубоких; уровней в полупроводнйках включающем подачу на образец напряжения смещения и импульса напряженияV измейяющего напряжение смещения, и компенсацию из ененйЯ емкости образца после окончания имп ульса напряясения путем изменения напряжения смещения Перед подачей напряжения смещения образец помещают в колебательный контур, подают напряжение смещения, определяют частоту собственных колебаний колебательного . контура с. об-. разцом, подают импульс нiaпpяжeния, сравнивают фазу частоты собст.венньйсколебаний колебательнрГр контура с . образцом с фазой опорной частоты и наменяют напряжение смещения на образце таким о бр аз ом, чтобы о бёспечиТь равеяст- во частоты собственных калебаиийкЬлеб4 тельного контура и опорной ч-астот6й а.устройство для определения параметров глубоких уровней в полупроводниках, содержащее генератор высокой. частоты, усилитель обратной связи,; ; выход которого соединен с входом двойного импульсного интегратора, источИик напряжения смещения, выход . которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен С Первой клеммой для подключения полупроводника, вторую и третью клеммы дпя подключения полупровод,ника, и генератор импульс.ов, дбполниг тельно снабжено автогенератором, фазовым детектором и аналоговым ключом причем вторая и третья клеммы для .подключения полупроводника соедине нЬ1 с первым и вторым входами авторе- ;нератора соответственно, выход генератора соединен с первым входом | фазового детектора, второй вход которого .соединен с выходом генератора : высокой, частоть, а выход - с входомусилителя обратной связи, выход которого соединен с первым входом аналогового ключа, выход которого соединен

,с вторым входом сумматора, третий вход которого соединен с вторым входом аналогового ключа и выходом генератора импульсов,

На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления данного: способа.

Она содержит генератор высокой частоты 1, усилитель обратной связи 2, источник напряжения смещения 3, сумматор 4, первую клемму 5 для подключения полупроводника, вторую клемму 6 дпя подключения полупроводника, третью клемму 7 для подключения полупроводника, а втогенератор 8 фазовьй детектор 9, аналоговый ключ 10, двойной импульсньй инт егратор 1 Г, генератор импульсов/ 12.Выход генератора высокой частоты 1 соединен с вторьм входом фазового детектора 9, первый вход которого соединен с выходом автогенератора 8. Выход фазового детектора 9 соединен с входом усилителя обратной связи 2, выход которого соединен с первым входом аналогового ключа 10 и входом двойного импульсного йнтеграт;ора 11, выход ключа 10 соединен с вторым входом сумматора 4. Выход генератора Импульсов 12 соединен с третьим входом сумматора 4 и вторым входом аналогового ключа 10. Первый вход сумма тора 4 со единен с в ыходо м источника напряжения смещения 3. Выход сумматора 4 соединен с первой клеммой для подключения полупроводника. Вторая 6 и треть 7 клеммы для подключения полупроводника соединены с первым и вторым входами автогенера- тора 8. . . .: . : Метод Нестационарной спектроскопии глубоких уровней в режиме постоянной емкости на том, что. на исследуемьш образец (р-п-переход, барьер металл-полупроводник, структура металл-диэлектрик-полупроводник), на который подано обратное напряжение и.., на короткое время подается заполняющий, импульс напряжения, уменьшающего или создающего пологжительное смещение. При этом емкость образца не поддерживается постоянной и глубокие уровни в слое объемного заряда захватывают носители тока. По окончании действия этого импульса захваченные носители вследствие термической змиссия выбрасываются с глу боких уровней за времена, определяемые параметрами уровня и температурой, образца. Вследствие этого заряд на глубоких уровнях, меняется и емкос образца при неизменном и.„ должна меняться. Однако 14ожно, плавно меняя во времени t на величину AUt./«(t) поддерживать емкость постоянной. Регистрируя &Ucm(t) в моменты времени t. и t 2, отсчитываемые от момента окончания заполняющего импульса, и определяя S Р различных температурах Т, получают зависимость S(T) (спектр НСГУ), по величине и положению пиков которого при различных наборах t и t определяют концентрацию и параметры уровней. Это же можно сделать по форме и амплитуде единичного пика S S(T) при одном наборе t;, и t. Кроме того, по форме пика можно суди о некоторых закономерностях процессо термической ионизации центра, Рассмотрим работу предлагаемого устройства;. Автогенератор 8 представляет собой усилитель высокой частоты с црложительной обратной связью и вкдю ченным на входе колебательным .контуром, емкость которого опреде-ляется. емкостью исследуемого образца. При амплитуде колебаний в контуре, а следовательно, и на образце порядка нескольких милливольт амплитуда колебаний на выходе усилителяавтоге нератора порядка I В. Этот сигнал подается на фазовьй детектор 9, где сравнивается с сигналом внешнего опорного генератора 1 , На выходе фазового детектора появляется напряж ние, величина которого зависит от соотношения фаз колебаний автогенера тора 8 и опорного генератора 1, а также амплитуды колебаний автогенер тора: бык KUe sinbq), где К - коэффициент передачи фазово детектора; . амплитуда колебаний, поступ ющих на вход фазового детек тора; разность фаз колебаний. При отклонении емкости от стацио нарного значения С изменится часто колебаний в контуре, разность фаз начнет увеличиваться, соответственн начнет изменяться и Ug Это напряжение усиливается усилителей обратной связи 2 до величины Uир. Через аналоговый ключ 10 &Uj. подается на сумматор 4, где складывается с постоянным напряжением смещения, и далее на образец, изменяя его емкость. Изменение разности фаз, а следовательно, и dU(., будет продолжаться до тех пор, пока за счет изменения Up, (и соответ |гвенно емкости образца) частота со&Етвенных колебаний автогенератора 8 не станет опять равной опорной частоте, однако разность фаз йЦ между колебаниями опорной частоты и колебаниями в контуре автогенератора 8 изменится; То есть для выработк определенного , Компенсирующего изменег ние емкости &С, требуется наличие только определенной разности фаз между колебаниями, что возможно Лишь при точном равенстве частоты колебаний в контуре автогенератора 8 частоте опорных колебаний генератора 1. Нарушение этого условия возможно только на короткое время it, за которое происходит накопление разности, фаз при резком изменении емко.сти. Это время определяется следующим. При малом от. клоиенйи емкости ЛС от стационарного значения С, изменение напряжения смещения, необходимое для поддержания емкости постоянной, определяется выражениемгде - постоянное напряжение смещения, uUpi, подается на образец с выхода усилителя обратной связи 2 Таким образом, на входе этого усилителя, который подключен к выходу фазового детектора 9, должно быть напряжегде К, - коэффициент усиления усилителя обратной связи 2, С другой стороны, согласно (J) при малых &Ч вМ Сдвиг фаз, обусловленный изменением емкости, находят по формуле ulf &fbt .(5) где if- разность частот автогенераторов 8 и опорного генератора 1, вызванная изменением емкости; Д t

1. пособ определения параметров глубоких уровней в полупроводниках,: включающий подачу на образец на11ря жения смещения и импульса, напряжения, изменяющего напряжение смещения, и : / компенсацию изменения емкости образца после окончания импульса напряжения/ путем изменения напряжения смещения,, о .т л и ч а ю ад и и с я тем, что, с целью повьшения чувствительности,: перед подачей напряжения смещения образец помещают в koлeбaтeльньш контур, подают напряжение смещения, определяю частоту собственных колебаний .бательного контура с образцом. подают импульс напряжения, сравнивают фазу час,тоты собственных колебаний колебательного контура с образцом с фазой опорной частоты и изменяют напряжение смещения на образце до обеспечения равенства частоты собственных; колебаний колебательного контура с образцом и опорной частоты. 2. Устройство для определения параметров глубоких урЪвней в полупроводниках, содержащее генератор высокой частоты, усилитель обратной связи, выход которого ;соединен с входом двойного импульсного интегратора, источник напряжения смещения, выход которого соединен с первь1М входом сумматора, выход которого (Л соединен с первой клеммой для подключения полупроводника, вторую и третью клеммы для подьслючения полу,проводника и генератор импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено автогенератором, фазовым детектором и аналоговым ключом, причём вторая и третья клеммы для подключения полупроводника соединены с первым и вторым входами автогенератора соответственно, выход автогене00 ратора соединен с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой 00 частоты, а выход - с входом усилителя обратной связи, выход которого соединен с первым входом аналогового ключа, выход которого соединен с; вторым входом сумматора, третий ;Вход которого соединен с вторым входом :аналогового ключа и выходом генератора ;импульсов.