Устройство для определения параметров глубоких центров в полупроводниковых структурах Советский патент 1990 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых матзриалов, используемых в барьерных стр ктурах, таких как диоды Шоттки, р-п- пергходы, МДП-структуры, на основе опре- деж ния энергии ионизации и концентрации глуеюких центров (ГЦ) и полупроводниках.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем повышения чув(|твительности следящей системы.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. имп

2 - функциональная схема источника /льсного возбуждения; на фиг. 3 - функциональная схема регулятора амплитуды;

на фиг, 4 - функциональная схема измерителя тока и емкости; на фиг. 5 - функциональная схема второго запоминающего устройства; н а фиг. 6 - функциональная схема арифметического устройства; на фиг. 7 - функциональная схема блока управления; на фиг. 8 - эпюры напряжения, поя-сняющие работу формирователя импульсов записи; на фиг. 9 - зависимость выходного сигнала устройства детектирования от величины управляющего сигнала (периода импульсов задающего генератора), исследуемый полупроводниковый прибор представляет собой МДП-структуру на Si п-типа с удельным объемным сопротивлением 4,5 Ом-см; на фиг, 10 - изменение выходного сигнала

О

о

00

ел ел

триггера при работе следящей системы; на фиг. 11 - схема образования дискримина- торной (управляющей) характеристики следящей системы; на фиг. 13 - зависимость постоянной времени релаксации от величины амплитуды, импульсов возбуждения (полевая зависимость); на фиг. 13-зависимости постоянной времени релаксации для двух ГЦ от температуры (кривые Аррениуса).

Устройство содержит криостат 1, в котором размещена исследуемая полупроводниковая структура, блок 2 измерения и регулирования температуры, соединенный с криостатом 1, источник 3 импульсного возбуждения , выход которого соединен с полупроводниковой структурой, регулятор.4 амплитуды, выход которого соединен с источником 3 импульсного возбуждения, измеритель 5 тока и емкости, йход которого соединен с криостатом с полупроводниковой структурой, устройство 6 детектирования, входы которого подключены к выходу измерителя 5 тока и емкости и выходу формирователя 7 опорного сигнала, задающий генератор 8, синхронизирующий вход которого соединен с синхронизирующим выходом источника 3 импульсного возбуждения, а выход - с входом формирователя 7 опорного сигнала, формирователь 9 импульсов записи, вход которого подключен к выходу .формирователя 7 опорного сигнала, а выходы - к входу стробирования компаратора 10, входам записи первого 11 и второго 12 запоминающих устройств и входу остановки задающего генератора 8. Вход первого запоминающего устройства 11 соединен с выходом устройства 6 детектирования, а выход - с одним из информационных входов компаратора 10. Второй информационный вход компаратора 10 соединен с выходом устройства 6 детектирования. Вход управления задающего генератора 8 соединен с выходом второго запоминающего устройства 12, вход которого подключен к арифметическому устройству 13. Информационный вход последнего соединен с выходом второго запоминающего устройства 12, а вход управления - с выходом триггера 14. Входы управления регулятора 4 амплитуды, блока 2 измерения м регулирования температуры, измерителя 5 тока, второго запоминающего устройства 12, а также вход установки триггера 14 соединены с соответствующими выходами блока 15 управления. Входы блока 16 регистрации соединены с выходами коммутатора 17, управление последним осуществляется через блок 15 управления. Информационные входы коммутатора 17 подключены к выходу регулятора 4 амплитуды, выходу блока 2 змерения и регулирования температуры, выходу устройства 6 детектирования и выходу логарифмического усилителя 18, вход которого соединен с выходом второго запоминающего устройства 12, компаратор 10 соединен с входом триггера 14.

Источник 3 импульсного возбуждения состоит (фиг. 2) из генератора 19, выход которого подключен к усилителю 20. Коэффи0 циент усиления усилителя 20 управляется напряжением по входу управления от регулятора 4 амплитуды. Генератор 19 имеет синхронизирующий выход. Выход усилителя 20 является выходом источника импульс5 ного возбуждения.

Регулятор 4 амплитуды содержит (фиг. 3) первый источник 21 опорного напряжения, выход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя 22,

0 выход которого подключен к нормально замкнутому контакту переключателя 23, второй источник 24 опорного напряжения подключен к входу второго дифференциального усилителя 25, выход которого через

5 переменное сопротивление R подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя 23, выход которого подключен к входу интегратора 26, выход которого соединен с входом первого дифференциального усили0 теля 22, входом второго дифференциального усилителя 25 и является выходом регулятора амплитуды. Управление пере-, ключателем 23 осуществляется с блока 15 управления.

5Измеритель 5 тока и емкости состоит

(фиг. 4) из преобразователя 27 ток - напряжение, выход которого подключен к нормально замкнутому контакту переключателя 28; и преобразователя 29 емкость - напряже0 ния, выход которого подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя 28. Входы преобразователей объединены и являются входом из герителя 5 тока и емкости, а выходом измерителя 5 является

5 выход переключателя 28. Управление переключателем 28 осуществляется с блока 15 управления.

Второе запоминающее устройство 12 содержит (фиг. 5) источник 30 опорного напря0 жения, выход которого подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя 31, выход которого соединен с входом дифференциального усилителя 32. выход которого подключен к входу элект5 ронного ключа 33, выход последнего соединен с накопительной емкостью 34 и входом дифференциального усилителя 35, выход последнего соединен с выходом дифференциального усилителя 32 и является выходом второго запоминающего устройства 12. а

BxohoM последнего является нормально замснутый контакт переключателя 31. Уп- 1ение переключателем 31 осуществляет- блока 15 управления, а электронным 33 - с формирователя 9 импульсов Первое запоминающее устройство налогично второму, только в нем отсут- переключатель и источник опорного )яжения.

Арифметическое устройство 13 (фиг. 6) сод4ржит усилитель 36 с переменным коэф- leHTOM усиления, выход которого через |тель напряжения на резисторах 37 и 38, :лючен к входу сумматора 39, второй которого подключен к входу усилителя i является информационным входом )метического устройства. Коэффициент усил|ёния усилителя 36 может принимать значения: +1 и -1, управление коэффи- том усиления осуществляется триггера в, ся с ключом записи 11 а ств ют нап

два

циеь

ром

14.

CTpyi

ре ГУ/

ся

ис

уголь

туды

зада(тся

этом

реги

сти).

мене

детек

ным (

ется Е

форм

ва деокон

(фиг.

риодс

рый

приче

импу/

ния) 1

ной

устрой

тройс

произ

УСТРОЙСТВО управления состоит из переключателей 40-44, выходы которых сое с формирователем 45 сигналов управления, который формирует сигналы управляющие работой всего устройства.

стройство работает следующим образом.

Помещают в криостат 1 исследуемую -туру. С помощью блока 2 измерения и ирования температуры поддерживает- необходимый температурный режим. На

иссл(;дуемую структуру подаются прямо- ные импульсы обратного смещения с ника 3 возбуждения. Величина ампли- импульсов и характер ее изменения регулятором 4. Возникающее при изменение тока (емкости) структуры

регис|трируется измерителем 5 тока (емко- ;игнал, пропорциональный этому из- нию, поступает на устройство 6

детек1тирования, где перемножается с опор- ;игналом формирователя 7 и усредня- течение его действия. Таким образом, 1рование выходного сигнала устройст- -ектирования заканчивается в момент

окончания действия опорного сигнала Ui ), длительность которого задается пе- м (частотой) импульсов задающего генератЬра 8. В это же время запускается

формирователь 9 импульсов записи, кото- вырабатывает два импульса Ua и Уз, и импульс УЗ формируется по спаду ьсов U2. Импульс U2 осуществляет

стробпрование компаратора (схема сравне- ) и проходит на его выход, если выход- ;игнал первого запоминающего ства 11 больше выходного сигнала ус- 88 б детектирования. Импульсом Us юдятся запись выходного сигнала ус

10

15

20

25

30

35

40

5

0

5

тройства 6 детектирования в первое запоминающее устройство 11 и остановка задающего генератора 8. Запуск последнего производит импульс синхронизации источника 3 возбуждения. Таким образом, опорный сигнал вырабатывается один раз за период импульсов возбуждения и только в течение времени переходного процесса, приводящего его к установлению стационарного состояния. Управление периодом импульсов задающего генерато ра осуществляется выходным сигналом второго запоминающего устройства 12. Закон изменения управляющего сигнала определяется выражением Ап Ап-1±Ао, (1) где An - значение управляющего сигнала:

Ап-1 - предыдущее значение управляющего сигнала;

АО - коэффициент, определяющий чувствительность устройства.

Данный закон реализуется при помощи арифметического устройства 13. Запись нового значе.ния управляющего сигнала во второе запоминающее устройство производится импульсом из (фиг. 8), который вырабатывается формирователем 9 импульсов записи в момант окончания опорного сигнала Ui. Следовательно, во время формирования опорного сигнала величина управляющего сигнала и соответственно период импульсов задающего генератора 8 остаются неизменными. Период импульсов задающего генератора 8 строго пропорционален величине управляющего сигнала, поэтому управляющий сигнал можно использовать в качестве величины, характеризующей период задающего генератора и характеризующей постоянную времени релаксации.

Выбор арифметической операции (сложение или вычитание) осуществляется триггером 14. Высокий уровень сигнала на выходе триггера соответствует операции сложения, низкий уровень - операции вычитания. Триггер 14 имеет счетный вход и вход установки. Если управление осуществляется по входу установки, то счетный вход блокируется. Управление- по счетному входу осуществляет компаратор 10, а по входу установки - блок 15 управления.

В устройстве реализовано несколько режимов работы. Выбор необходимого режима осуществляется через блок управления, при этом на блок 16 регистрации через коммутатор 17 подаются сигналы, характеризующие выбранный режим работы..

Устанавливаем режим работы, при котором температура в криостате 1 и амплитуда импульсов обратного смещения поддерживаются постоянными, Х-вход блока 16 регистрации подключается к выходу устройства 6 детектирования, а Y-вход - к выходу логарифмического усилителя 18. Триггер 14 переводится в режим управлений по входу установки, арифметическому устройству 13 задается операция сложения (вычитания). Величина управляющего сигнала An начинает изменяться. Закон изменения задается выражением (1). Зависимость величины выходного сигнала устройства детектирования от величины управляющего сигнала имеет вид пика (фиг. 9). Положение максимума пика на оси г соответствует постоянной времени переходного процесса, а амплитуда пика несет информацию о концентрации ГЦ. Если в исследуемом образце имеется несколько ГЦ, то каждый из них характеризуется своей постоянной времени релаксации, и, следовательнй, каждому ГЦ на оси т соответствует свой пик.

Переводим второе запоминающее устройство 12 в режим ручного управления, при этом выходной сигнал второго запоминающего устройства 12 соответствует величине сигнала источника 30 опорного напряжения (фиг. 5). Устанавливаем величину управляющего сигнала (выходной сигнал второго запоминающего устройства 12) такой, чтобы она приблизительно соответствовала положению максимума пика. Отключаем ручное управление. При этом вход второго запоминающего устройства 12 соединяем с выходом арифметического устройства 13. Переводим триггер в режим управления по счетному входу. Замыкается обратная связь, и элементы 6-14 устройства образуют следящую систему. Работа следящей системы иллюстрируется на фиг. 9.

Предположим, что в момент включения следящей системы величина управляющего сигнала AI, а в первом запоминающем устройстве 11 записан сигнал В2, соответ ст- вующий управляющему сигналу Да. А2 больше AI, следовательно, арифметическому устройству 13 задана операция вычитания, т.е. на выходе триггера 14 имеем низкий уровень.

С приходом синхронизирующего импульса запускается задающий генератор 8, формируется опорный сигнал, по окончанию которого на выходеустройства 6 детектирования Устанавливается сигнал Bi, соответствующий величине управляющего сигнала AI. Сигнал Bi меньше сигнала В2, записанного в первом запоминающем устройстве 11, следовательно, стробирующий импульс U2 (фиг. 8) проходит на выход компаратора 10, срабатывает триггер 14 и на его выходе устанавливается высокий уровень. Арифметическое устройство 13 переводится в режим сложения и на его выходе формируется сигнал А2 Ai+ АО, который записывается во второе запоминающее устройство 12. В первое запоминающее устройство 11 записывается выходной сигнал устройства детектирования Bi.

С приходом следующего синхроимпульса цикл измерения повторяется. При этом

0 на выходе устройства 6 детектирования формируется сигнал В2, соответствующий величине управляющего сигнала А2. Так как В2 больше BI, стробирующий импульс не проходит на выход компаратора 10 и вариф5 метическом устройстве 13 сохраняется режим сложения. К концу второго цикла в первом запоминающем устройстве 11 записан сигнал В2, во втором запоминающем устройстве 12 - сигнал Аз А2 + АО. В треть0 ем цикле выходной сигнал триггера 14 не изменяется, так как Вз больше В2. В первое запоминающее устройство 11 записывается сигнал Вз, а во второе запоминающее устройство 12 - сигнал А4 Аз + АО.

5 В четвертом цикле на выходе компаратора 10 появляется стробирующий импульс, так как B/j меньше Вз. Триггер 10 устанавливается в низкий уровень (вычитание). В первое запоминающее устройство записы0 вается В, а во второе запоминающее устройство 12 - АЗ А4 - АО. Таким образом, следящая система вновь возвращается к ве- личине управляющего сигнала Аз, соответствующей Максимальному значению

5 выходного сигнала устройства 6 детектирования. Если продолжить рассмотрение работы следящей системы, то окажется, что она совершает колебания относительно величины АЗ в ту и другую сторону на величину

0 АО. При этом выходной сигнал триггера 14 изменяется так, как показано на фиг. 9.

Величина АО выбирается следующим образом. Предположим, что имеетс,я два уровня, отличающиеся один от другого на

5 величину 0,001 эВ. Постоянные времени

То ехр-

составляют

Т1

К

72 TO ехр

Ec-(Et-fO,OOf )

0

5

найдем отношение

Т1 Г2

300

ехр

0,001 К

1,05

при температуре 300 К, тогда

TI 1,05 Г2 или Т1 Г2 -1-0,05 Г2 . (3)

Постоянная времени релаксации пропорциональна периоду импульсов задающего генератора, который пропорционален величине управляющего сигнала. Следовательно, если управляющий сигнал изменяется аналогично (3), то обеспечивается

реш что

ающая способность 0,001 эВ. Учитывая, для уверенного слежения расстояние между пиками должно составлять не менее (юрмулу (2) можно записать как

Ап Ап-1± 0,025 Ап-1 , Дискриминаторная (управляющая) ха- следящей системы определя- как разность двух, сдвинутых одна отнс|сительно другой на величину АО зависи- ей выходного сигнала устройства де- тект рования от величины управляющего (фиг. 11). Вид дискриминаторной ктеристики зависит от коэффициента ;ния каскада сравнения компаратора, небольших коэффициентах усиления диск|риминаторная характеристика (фиг. 11) :ит от величины выходного сигнала ус- тва детектирования. Компаратор, на- 521 СА 3, имеет коэффициент гния 10 , поэтому Дискриминаторная :теристика (фиг. 11) практически оста- неизменной при изменении выходного устройства детектирования на три

АО,

рактеристика етср

сигнала хар ус и л При

за ей

трои

приг|1ер

усил

хара

ется

сигнала

поряцка

После включения следящей системы ус- тана|зливается при помощи регулятора 3 итуды начальное и конечное значения ины амплитуды импульсов возбуждена регистрирующий блок 16 через ком- ор 17 подается текущее значение ины амплитуды импульсов возбужде- регистрируемая величина постоянной ни релаксации с логарифмического теля 18. Включается режим развертки 1туды импульсов возбуждения, т.е. полевая зависимость (фиг. 12). величину удельного объемного сопро- исследуемой структуры, можно найти энергию ионизации сого центра из полевой зависимости 2). В случав, если величина удельного ного сопротивления неизвестна, при- :я температурное сканирование. При используя полевую зависимость (фиг. устанавливается амплитуда импульсов , соответствующая максималь- ительности переходного процесса, и режим развертки температуры. блока 16 регистрации подается «ение, пропорциональное 1/Т, с бло мерения и регулирования температу- У-вход - сигнал с логарифмического еля 18, характеризующий текущее величины постоянной времени ре- , По наклону полученной кривой 3) определяется энергия ионизации мерение параметров выбранного ГЦ в любое время прекратить и, перево- слейящую систему на другой ГЦ, начать змерение его параметров. Тем самым соампл

вели

ния.

мута

вели1

ния и

врем

усил и

ампл

снимается

Зная

тивле|ния

непос|редственно

глубо

(фиг.

бъем

водит

том,

2),

озбуждения,

ой д;

ключается

а Xапря

а 2 ис

ы, а

сили

начейие

аксаьии

иг.

Ц. Из

ожно

Я

на

45

50

55

10

кращается время определения параметров всех ГЦ. Определяя значение энергии ионизации ГЦ, можно найти величину удельного объемного сопротивления.

Для реализации метода релаксационной спектроскопии в устройстве требуется перевести второе запоминающее устройство 12 в режим ручного управления, установить необходимый период импульсов задающего генератора. Затем на .Х-вход блока 16 регистрации подается сигнал с выхода устройства б детектирования, на У--ВХОД - сигнал с блока 2 измерения и регулирования температуры, включается режим раз15 вертки(изменения)температуры и снимается спектр.

В предлагаемом устройстве сокращено количество прецизионных элементов (резисторов, конденсаторов, дифференциальных 20 усилителей), входящих в состав каждого устройства детектирования, упрощена настройка устройства. Кроме того, ошибка, возникающая в связи с температурным и временным дрейфом параметров элемен - тов, входящих в состав устройства детектирования, не сказывается на работе устройства.

5

30

35

40

45

0

5

Формула изобретения Устройство для определения параметров глубоких центров в полупроводниковых структурах, содержащее криостат с размещенной в нем полупроводниковой структурой, блок измеоения и регулирования температуры, первый выход которого соединен с криостатом. источник импульсного возбуждения, первый выход которого подключен к криостату, измеритель тока и емкости, вход которого соединен с выходом криостата, устройство детектирования, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу измерителя тока и емкости и к выходу формирователя опорного сигнала, задающий генератор, синхронизирующий вход соединен с вторым выходом источника импульсного возбуждения, а выход задающего генератора связан с входом формирователя опорного сигнала, блок ре- гистрации и логарифмический усилитель, отличающееся тем. что, с целью повышения точности измерений путем повышения чувствительности следящей системы, в него дополнительно введены первое запоминающее устройство, один вход которого соединен с выходом устройства детектирования, компаратор, первый и второй информационные входы которого подключены соответственно к выходу первого запоминающего устройства и к выходу устройства детектирования, а выход компаратора - к счетному входу триггера, выход которого соединен с входом управления арифметического устройства, второе запоминающее устройство, выход которого соединен с входом управления задающего генератора, с информационным входом арифметического устройства и с входом логарифмического усилителя, информационный вход запоминающего устройства связан с выходом арифметического устройства, блок формирования импульсов записи, вход которого подключен к выходу формирователя опорного сигнала первым и вторым выходами, блок формирования импульсов записи подсоединен к входам записи соответственно первого и второго запоминающих устройств и к входу остановки задающего генератора, а третьим выходом - к входу стробирования компаратора, регулятор ампл1 туды, выход

которого соединен с входом источника импульсного возбуждения, коммутатор, первый, второй, третий и четвертый информационные входы которого подключены к выходу устройства детектирования, к выходу блока измерения и регулирования температуры, к выходу логарифмического усилителя и выходу регулятора амплитуды соответственно, при этом выход коммутатора связан с входом устройства регистрации, блок управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно с входом блока измерения и регулирования температуры,

входом управления регулятора амплитуды, входом управления измерителя тока и емкости, входом управления коммутатора, входом управления второго запоминающего устройства и входом установки триггера.

с

&

Lf

Изобретение относится к полупроводниковой технике, к устройству для определения параметров глубоких центров в полупроводниковых структурах. Цель изобретения - повышение точности измерений путем повышения чувствительности следящей системы. Устройство содержит криостат с размещенной в нем полупроводниковой структурой, блок измерения и регулирования температуры, источник импульсного возбуждения, измеритель тока и емкости, устройство детектирования, устройство регистрации и логарифмический усилитель, дополнительно содержит первое запоминающее устройство, компаратор, блок формирования импульсов записи, регулятор амплитуды, коммутатор. Дополнительные блоки и новые взаимосвязи между ними позволяют образовать следящую систему, обладающую высокой разрешающей способностью, чувствительностью и точностью измерений. В устройстве устранена дискретность определения зависимости LGΤ(1/T), тем самым повышена экспрессность и точность определения параметров глубоких центров. Кроме того, при помощи устройства можно находить полевую зависимость LGΤ (V) и на ее основе определять параметры глубоких центров, находить удельное объемное сопротивление полупроводника, получать информацию о количестве глубоких центров и их концентрации. 13 ил.

If

Синкр.ЬыхBx.Ljnpab/i.

Фа2.2

Фиг. 5

21

8х.

Vi

29

Вх. упра&1.

1

31

н

J2

28

Вых.

/

Вх. упр.

Фиг.

3J

J5

дых. -

/Ч

J4

З/.запиа/

Фиг. 5

х. gnpQ&/.

и.

и.

Фае. 6

Фиг. 7

IL

Фиг. 8

AI AZ /1з At ю

CPl/2.9

3

(Риг. 10

Фи. 11

10

-/

r.t r

2J

иг.П

n

10

.0

y.B

40 w т