Способ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-п-перехода Советский патент 1992 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может найти применение при определении параметров структур с p-n-переходами любых полупроводниковых материалов.

Концентрация носителей в базовой области p-n-перехода является одной из основных характеристик полупроводниковых приборов, так как она определяет коэффициент усиления транзисторов, КПД светоди- одов. Знание п необходимо при проектировании и разработке большинства активных полупроводниковых приборов.

Известен способ определения концентрации носителей заряда в базовой области p-n-перехода, основанный на эффекте Холла (1). Эффектом Холла обусловлено возникновение в полупроводнике под действием магнитного поля поперечной ЭДС при протекании через него электрического тока. Величина этой ЭДС будет пропорциональна концентрации носителей заряда п. Данный метод не может быть применим для исследования готовых p-n-переходов, поэтому измерение концентрации носителей заряда в базовой области должно проводиться до создания p-n-перехода. Однако в процессе получения области полупроводника с другим типом проводимости происходит некой- тролированное легирование базовой области и. следовательно изменение величины п. Поэтому данный метод неточен и может использоваться лишь для приблизительной оценки.

4j

N

OJ Ю vj

Известен также способ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-л-перехода (2), выбранный автором как прототип. Данный метод основан на обратно пропорциональной зависимости величины барьерной емкости от приложенного напряжения. Метод включает подачу прямоугольных импульсов обратного напряжения U, равного (3-5)ик. где UK - контактная разность потенциалов р-п-пере- хода, измерения барьерной емкости п-р-пе- рехода, измерения зависимости С f(U) и определения из нее расчетным путем искомого параметра. Однако при расчете полагают, что концентрация носителей заряда в базовой области равна концентрации нескомпенсированной мелкой примеси:

Nd-Na n.(1)

Но условие (1) выполняется только для указанных полупроводников (Ge, Si), основ- ные легирующие примеси которых имеют малые значения энергий активации и при комнатной температуре полностью ионизованы В то же время в широкозонных полупроводниках, где энергии активации мелких доноров и акцепторов велики, в рабочем для полупроводниковых приборов диапазоне температур полной ионизации примеси не наступает, но условие (1) нарушается (n Nd - -Na) и определение концентрации носите- лей заряда в базовой области р-п-перехода данным методом будет невозможно.

Цель изобретения - расширение класса исследуемых полупроводниковых материалов за счет обеспечения возможности опре- деления концентрации носителей заряда в базовой области p-n-переходов на основе широкозонных полупроводников.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе определения концент- рации носителей заряда в базовой области p-n-перехода путем подачи на р-п-переход прямоугольных импульсов обратного напряжения амплитудой U, равной (3-5) UK, определения величины барьерной емкости p-n-перехода и определения расчетным путем искомого параметра, на р-п-переход подают импульс прямого напряжения амплитудой Ui UK с длительностью ti, большей постоянной времени перезарядки барьерной емкости т0 p-n-перехода, импульс обратного напряжения с постоянной времени задержки гзад , равной нулю, с длительностью га, т0 ти Q . где Q - постоянная времени перезарядки глубоких центров, измеряют величину барьерной емкости p-n-перехода C(ti) в момент времени ti, т0 ti ги, величину емкости p-n-перехода C(t2) в момент времени t2 ti t2 ги. величину А С C(ti) - C(t2) Д См, где Л См - максимальное значение Д С при гэад, равной нулю, повторяют подачу прямого и обратных импульсов, изменяя время задержки обратного импульса, фиксируя величину времени задержки гэад1, при которой величина ДС начинает уменьшаться, и гэад2 , при которой Д С становится равной нулю, и искомую величину определяют из соотношения п1

(Тзэд2 - ГЭад1) VT Op(n)

где п - концентрация носителей заряда в базовой области p-n-перехода, VT - тепловая скорость носителей заряда, сгр(п) - сечение захвата дырок (электронов) на глубокий центр, UK - контактная разность потенциалов р-п-перехода.

Сущность изобретения заключается в следующем. Концентрация носителей заряда в базовой области определяют постоянную времени перезарядки глубоких центров г.

T n-VT-oh(p) (2)

Таким образом, задача сводится к определению т. Емкость p-n-структуры определяется концентрацией мелких и глубоких электрических активных центров в области p-n-перехода. После подачи на р-п-переход импульсов прямой полярности происходят инжекция неосновных носителей тока и захват их на глубокие центры (ГЦ). Это приводит к изменению емкости р-п-перехода. После окончания импульса прямой полярности происходит перезарядка ГЦ, вызывающая релаксацию емкости. Если после окончания импульса инжекции р-п-структу- ра была переключена к обратному напряжению, перезарядка ГЦ идет за счет термической ионизации захваченных носителей с постоянной времени Q, где Q определяется параметрами ГЦ. Тогда разность между двумя значениями емкости в моменты времени ti и ta после окончания импульса инжекции

ДС ё 1/0-Ме-e-t2/a} ДСм)

,-t2/Q M(e-ti/Q

(3)

где М - полная емкость p-n-перехода, обусловленная ГЦ.

Если между окончанием импульса прямого напряжения и началом импульса обратного прошло время гзад . при котором напряжение на структуре равно нулю, перезарядка ГЦ будет определяться двумя процессами:

во-первых, термической ионизацией, во-вторых, во время гзад , когда напряжение и, следовательно,электрическое поле в

(5)

базе p-n-структурыы равно нулю, захватом носителей из зоны с постоянной времени г. После окончания г1Эд и начала импульса обратного напряжения электрическое -поле выталкивает свободные носители в квазинейтральную область p-n-перехода, и второй процесс прекращается. Следовательно, когда Тзад выражение (3) можно переписать1

AC M et1/Q-Metw et2/Q М (et1/Q - e-t2/0) . (4)

КОГДа Гзад Т. Д С Д См , КОГДа Тзад Т, Д С 0 .

Таким образом, как видно из (4) и (5), измеряя зависимость ДС f (тзад) и фиксируя величины Гзад, когда ДС начнет уменьшаться (Гзадт) и станет равной нулю (тЗЯЯ2 можно найти искомую величину

р |ГрЛ

(Т3ад2 - Гзад0 U Op(n)V

Данным методом можно измерять концентрацию носителей заряда в базовой области p-n-переходов во всех полупроводниковых материалах Точность измерения, определяемая точностью измерения амплитуды релаксации емкости, составляет 1- 3%.

Существенным признаком данного изобретения является подача на р-п-переход импульсов прямого напряжения амплитудой U Uk и длительностью ri , большей Г0 , обусловленной необходимостью перезарядки ГЦ в базовой области р-п-перехода для появления релаксации барьерной емкости (т0 RC - постоянная времени переходных процессов, где R - сопротивление базовой области p-n-перехода и контактов, С - полная емкость р-п-перехода).

Существенным признаком является измерение емкости в моменты времени ti и t2, TO ti тии ti 12 т„.

Существенным признаком данного способа является повторное измерение C(ti) и C(t2) при различных величинах г3ад Это позволяет расчетным путем найти искомую величину п:

п 1

(Тзад2 - Тзад0 - V 7р(п)

Таким образом, каждый из признаков необходим, а все вместе они достаточны для достижения цели

Покажем, что совокупность существенных признаков, отраженных в формуле изобретения, нова по сравнению с решениями, известными в науке и технике

Заявляемая совокупность признаков из знания мирового уровня техники автором неизвестна, хотя некоторые признаки отра

жены в публикациях4 Однако, находясь в другой совокупности признаков, отличной от заявляемой, в известных решениях достигается отличный от данного случая поло5 жительный эффект Так, в (4) из измерений амплитуд релаксации емкости определялась концентрация перезаряжающихся ГЦ. Только вся совокупность заявляемых признаков в результате их взаимовлияния

10 позволяет выявить новую функциональную зависимость концентрации перезаряжающихся ГЦ от длительности задержки между импульсами прямого и обратного напряжения, что дает возможность измерять кон15 центрацию носителей заряда в базовой области p-n-переходз на основе как узкозонных, так и широкозонных полупроводников.

Таким образом, данное техническое ре20 шение соответствует критерию существенное отличие.

Предлагаемый способ был реализован при определении концентрации носителей заряда в базовой области p-n-перехода на

25 основе карбида кремния политипа 6Н. Эти структуры были выбраны, так как SIC является широкозонным полупроводником (ширина запрещенной зоны для 6Н - SIC при 300 К составляет 3,02 эВ),

30 Исследовавшаяся p-n-структура была получена эпитаксиальным наращиванием р- слоя, легированного в процессе роста AI, на исходную подложку из SiC n-типа проводимости. Контактная разность потенциалов

35 полученного p-n-перехода составляла 2,4 эВ Постоянная времени перезарядки ГЦ Q 50 мс, тепловая скорость носителей VT 10 см/с, сечение захвата электронов на

уровень 10 см . Постоянная времени пе40 реходных процессов г0 10 с. На р-п-переход подавали импульсы прямой полярности амплитудой 3 В и длительностью 30 мкс. Затем со временем задержки Тзад 0 был подан импульс обратного напря45 жения амплитудой 8 В и длительностью 40 мс В момент времени ti 10 мс была измерена емкость p-n-перехода C(ti) 156,4 пФ, а в момент времени т.2 30 мс - емкость p-n-перехода C(t2) 147 пФ. Величина C(ti) 50 -C(t2) 156,4- 147,3 7,1 пФ. После повторения измерения при различных тзад было обнаружено, что величина Д С начинает уменьшаться при Т3ад1 180 мкс и становилась равной нулю при Т3ад2 17 мс, Искомая

55 величина была определена из соотношения

1

(1.7 ) 107 -3 10 1,96-1014--5

-20

СМ

Таким образом, концентрация носителей заряда в базовой области р-п-перехода составила 2 см . Как видно из примера конкретной реализации, по сравнению с прототипом заявляемый способ обеспечивает измерение концентрации носителей заряда в базовой области p-n-перехода на основе широкозонных полупроводников, что не обеспечивал прототип.

Заявляемый способ может найти значительно более широкое применение при создании и исследовании полупроводниковых приборов с р-п-переходом, чем способ-прототип.

формула изобретения

Способ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-п-перехода, включающий подачу на р-п-переход прямоугольных импульсов обратного напряжения амплитудой U. равной (3-5)11. измерение барьерной емкости p-n-перехода и определение искомого параметра расчетным путем,отличающийся тем,что,с целью расширения класса исследуемых материалов в область широкозонных полупроводников, предварительно на р-п-переход подают импульс прямого напряжения амплитудой Ui UK длительностью т, большей времени перезарядки т0 барьерной емкости p-n-перехода, длительность прямоугольногб импульса обратного напряжения задают равной ги , где Т0 Ј Ти Q. a Q - постоянная времени перезарядки глубоких центров за счет термической ионизации, измеряют величины барьерной емкости р-п- перёхода C(ti) и C(ta) во время подачи импульса обратного напряжения в фиксированные моменты времени ti и t2 (ti 12), измеряют зависимость величины А С C(ti) -C(t2J от времени задержки гзад между импульсами прямого и обратного напряжений при изменении гэад от нуля до величины, при которой АС становится равной нулю, а искомую величину определяют по формуле

1

(Гзад2 - tbafll) v °р(П) где п - концентрация носителей заряда в базовой области р-п-перехода;

Г3ад1 - величина времени задержки, при которой величина А С начинает уменьшаться;

Гэад2 величина времени задержки, при которой АС становится равной нулю;

VT - тепловая скорость носителей заряда;

Ор(п) - сечение захвата дырок (электронов) на глубокий центр;

UK - контактная разность потенциалов р-п-перехода.

Сущность изобретения: Подают на р-п- переход импульс прямого напряжения с амплитудой, большей контактной разности потенциалов p-n-перехода UK длительностью, большей времени перезарядки т0 барьерной емкости p-n-перехода. Через время задержки гэад подают прямоугольный импульс обратного напряжения амплитудой, равной (3-5) UK, длительностью т, где г0 ги Q (Q - постоянная времени перезарядки глубоких центров за счет термической ионизации). Измеряют величины барьерной емкости p-n-перехода c(ti) и cfe) во время подачи импульса обратного напряжения в фиксированные моменты времени ti и t2, (ti 12), определяют величину Д С C(ti) - C(t2). Повторяют операции способа, изменяя время задержки между подачей прямого и обратного импульса. Определяют время задержки, при котором Дс начинает уменьшаться, и время задержки, при котором Д с становится равно нулю. Искомую величину определяют из математической зависимости. сл С