Способ определения параметров пограничных состояний на границе раздела твердых тел Советский патент 1981 года по МПК H01L21/66 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНЫХ СОСТОЯНИЙ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ТВЕРДЫХ

Изобретение ОТНОСИТСЯ к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения электронных характеристик границ раздела твердых тел, в частности границ раздела полупроводник-полупроводник, полупроводник-диэлектрик , металл-полупроводник .

Известен способ измерения параметров пограничных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик основанный на измерении термостимулированных токов.

Недостатком этого способа является низкая чувствительность и малая разрешающая способность.

Известен также способ определения параметров пограничных состояний на границе раздела твердых тел, основанный на измерении электропроводности 2.

В этом способе для определения параметров пограничных состояний измеряют активную и реактивную составляющие проводимости на малом переменном сигнале в широком диапазоне частот как функцию напряжения смещения.

Недостатком этого способа является низкая чувствительность и разреТЕЛ

шающая способность, ограниченность по типу объектов исследования.

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение функциональных возможностей способа.

Поставленная цель достигается тем, что перед измерениями образец охлаждают до температуры

т . А1.

10

где iE - энергетическое разрешение;

t - постоянная Больцмана, измеряют статическую вольтамперную

15 характеристику контакта твердых тел, подают на контакт прямоугольные ступеньки напряжения величиной равной напряжению квазинасыщения, регистрируют релаксацию тока, по полученным

20 результатам расчетным путем определяют зависимость заполнения от уровня ФеЕ)Ми и энергетический спектр пограни чных состояний.

На фиг. 1 изображена зонная диаграмма контакта при отсутствии (о ) к при наличииCtf)внешнего напряжения. Здесь Eg - дно зоны проводимости, А - А - плоскость контакта; Р - уровень Ферми на границе раздела, отсчн30 танный от дна зоны проводимости}

Е - энергия пограничного состояния, отсчитанная от дна зоны проводимости 1 - энергия .Ферми.в объеме 4- заряд электрона О- приложенное напряжение Ф-барьер для прямого тока.

На фиг. представлена вольт-амперная характеристика исследуемого контакта, на фиг. 2б - кривая релаксациитока при подаче на образец прямоугольной ступеньки напряжения/ на фиг. 3 показана схема устройства для реализации способа , где 1 - источник наЛряжелия, 2-измеритель напряжения;3 антизапорный контакт; 4 - контактирующие полупроводники; 5 плоскость контакта; б - электрометр; 7 - самописец; на фиг. приведена ВАК контакта, снятая при Т 117 К/ на фиг. 4,cf- зависимость F(U); на фиг. 5 дан спектр пограничных состояний.

Сущность способа заключается в следующем.

При приложении к контакту напряжения высота барьера уменьшается и концентрация электронов на его BepujHHe увеличивается, что сопровождается увеличением пограничных состояний, вызывающем возрастание высоты бз.рьер, поскольку последняя квадратично зависит от концентрации заполненных пограничных состояний, в результате В;области напряжений, в которой происходит интенсивное дозаполнение пограничных состояний высота барьера для прямого тока (Ф, фиг. Irf) слабо зависит от напряжения, а поэтому на ВАХ контакта будет наблюдаться область квазинасЬацения, обусловленная дозаполнением пограничных состояний.

Если при некотором напряжении (J пограничные .состояния из данного энергетического интервала будут полностью заполнены, то при изменит свой характер на экспоненциальный, к ток 1 будет пропорционгшен Е . Если при дальнейшем росте напряжения уровень Ферми попадает в область пограничных состояний из другой, более мелкой энергетической группы, то на ВАХ может возникнуть анг1логичная область квазинасыщения и т.д.

Существенно, что в областях квазинасыщения ВАХ, обусловленного рассмотренным физическим механизмом, проявляются медленные релаксации тока, с характерньа ш временами, значительно превышающими максвеловское время образца. Последнее объясняется тем, что в этих условиях процесс захвата является самотормозящимся вследствие увеличения высоты барьера по jvippe дозапблнения пограничных состояний. Это означает, что мгновенное значение постоянной времени релаксаций увеличивается в процессе набл вдения.

ВАХ контакта двух однотипных полу,проводников h- типа определяется

фаженмем выражением

. eWiWicT/VeVl r. /Vd 1 Г / N,4

. (1)

r((-4a)l,

где S - площадь контакта ,

М- подвижность электронов;

М - концентрация доноров в обьеме;

ц

е кт

47CQ,iN 6 - диэлектрическая проницаемость

. :,. 2 KTN

Ис- дозаполнение пограничных состояний

Решая уравнение (1) относительно Ис Я- ряда экспериментальных значений I и и , определяем зависимость hg от и. Подставляя эту зависимость в выражение для концентрации электронов Не; на вершине барьера

, (1

)(u 7)e

N Л

te V

4V9/

-F/KT

и учитывая, чтоЬо н е

где F энергия Ферми на границе раздела.(отсчет от дна зоны проводимости), а N эффеКтивная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника, приравниваем эту функцию Hol,U) , полученной из уравнения (2) и получаем уравнение для определения -F как функции. По определению энергетический спектр пограничных состояний ) выражается как

:

dkl

6i)

dF le-FCU)

аи

Подставляя в формулу (3) соответствующие проиь1Врдные от определенных ранее зависимостей ) и FvU) , находим искомый энергетический спектр пограничных СОСТОЯНИЙ,

Пример, определялся спектр пограничных состояний контакта &f-5i (кремний -типа КЭФ с р 100 мм, см.), обнаруживающим специфические области кзазИнасьйцения.и характерные релаксации тока. Снимались ФАХ при нарастании и уменьшении напряжения с одинаковой скоростью изменения напряжения - 0,2 мВ/с и эти характеристики совпадают. Результаты численного расчета ). я F(tl) приведены на фиг. 4о( и (f, Спектр пограничных состояний при веден на фиг. 5. Чувствительностьуказанного способа Ю . Разрешение указанного способа определяется температурой и в данном случае ЛЕаг9,9 мэВ. Формула изобретения Способ определения параметров пог раничных состояний на границе раздел твердых тел, основанный на измерении электропроводности, отличающ и и с я тем, что, с целью повьииения чувствительности и расширения функциональных возможностей способа, перед измерениями образец охлаждают до температуры й оМГ где А.6 - энергетическое разрешение, К. - постоянная Ббльцмана, измеряют статическую характеристику контакта твердых тел, подают на контакт прямоугольные ступеньки напряжения величиной, равной напряжению квазинасыцення, регистрируют р елаксацию тока, по полученньм результатам расчетным путем определяют зависимость заполнения от уровня Ферми и энергетический спектр пограничных состояний. Источники информации, принятые во внш «ание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке 2410010, кл. G 01 N 13/00, 05.10.76. 2.Nicallian Е.Н., Goetrberger А. Bel System Technical Journal 46, 1055 a967) .

&