выброса носителей,затем плавно изменяют температуру диода, при этом в моменты времени i и tz, отсчитанные от начала действия каждого суммарного импульса обратного смещения и связанные с постоянной времени экспоненты зависимостями /I «Тэ, 2 Ртэ (где , ) поддерживают высокочастотную емкость диода постоянной путем автоматического управления амплитудами импульсов прямоугольной и экспоненциальной формы, непрерывно регулируют постоянную времени экспоненты, обеспечивая компенсацию отклонений высокочастотной емкости диода от постоянной величины и внутри интервала времени от /j до t {зегистрируют зависимость постоянной времени экспоненты от температуры, а также тем, что определение постоянной времени теплового выброса носителей заряда с уровней при фиксированной температуре осуществляют непрерывно, изменяя постоянную времени экспоненты от минимальной до максимальной рабочей величины, при этом в моменты времени ./1 атэ Ртэ поддерживают высокочастотную емкость диода, равной постоянной величине, путем автоматического управления амплитудами импульсов прямоугольной и экспоненциальной формы, регистрируют зависимость амплитуды импульсов экспоненциальной формы от постоянной времени экспоненты, определяют постоянные времени экспоненты, при которых достигают максимума амплитуды импульсов экспоненциальной формы, по которым судят о постоянных времени теплового выброса носителей с исследуемых уровней.
Такой способ может быть осуществлен устройством, содержащим источник постоянного смещения и генератор тока высокой частоты, соединенные через сумматор с исследуемым образцом, генератор прямоугольных импульсов, соединенный через С-цепь с модулятором экспоненциальных импульсов, пиковый детектор.
Отличие устройства, позволяющее осуществить предлагаемый способ, состоит в том, что между выходом пикового детектора импульсов и генератором прямоугольHbtx импульсов включен детектор амплитуды конца огибающей, между пиковым детектором импульсов и / С-цепью включен интегратор огибающей, а между пиковым детектором импульсов и модулятором амплитуды экспоненциальных импульсов включен детектор амплитуды огибающей в начале измерений.
На фиг. 1 проиллюстрировано построение спектра скоростей эмиссии и температурной зависимости скорости эмиссии носителей с уровня в случае, когда в полупроводнике имеется только один уровень, который перезаряжается при температуре То с постоянной времени TO, где пунктирной
линией показана форма напряжения, которая обеспечивает поддержание емкости диода постоянной во времени; на фиг. 2 приведены зависимости постоянной экспоненты от температуры диода и также амплитуды экспоненциальных импульсов от постоянной времени экспоненты при постоянной времени экспоненты при постоянной температуре; на фиг. 3 - схема устройства для реализации способа.
Сущность способа состоит в настрое измерительной системы на один из примесных уровней и осуществлении автоматической записи скоростей эмиссии носителей заряда
с данного уровня, а также в поиске постоянной времени теплового выброса носителей с уровней.
Описанный способ дает по существу спектр относительных скоростей тепловой
эмиссии носителей заряда с уровней при фиксированной температуре. Поскольку существует связь между относительной скоростью тепловой эмиссии носителей с уровня бп и постоянной времени экспоненты напряжения, необходимого для поддержания высокочастотной емкости постоянной во время перезарядки глубокого уровня (п ), достаточно найти спектр постоянных времени экспонент. Каждой экспоненте с нужной постоянной времени отвечает пик на зависимости амплитуды экспонент от постоянной времени экспонент при осуществлении операций способа. Полученный при этом спектр дает спектр уровней,
поскольку при данной температуре каждой скорости тепловой эмиссии соответствует уровень, причем чем меньще скорость, тем глубже залегает уровень.
Способ построения спектра скоростей эмиссии и температурной зависимости скорости эмиссии носителей с уровня иллюстрируется на фиг. 1 для случая, когда в полупроводнике имеется один уровень, который перезаряжается при данной температуре (То) с постоянной времени TO. На фиг. 1 пунктирными зависимостями показана форма напряжения, подача которого на диод из данного полупроводника обеспечивает поддержание высокочастотной емкости диода постоянной во времени. Это напряжение имеет постоянную и переменную V(t) составляющую. Переменная составляющая, как следует из решения уровня Пуассона, изменяется экспоненциально во времени с постоянной TO (постоянная времени перезарядки)
(4)1
V(f) V, 1- вхр --Поскольку заранее не известна ии постоянная времени экспоненты, ни амплиту65 да напряжения, то по предлагаемому способу ведется автом атический поиск данных параметров. На фиг. 1 показано, что происходит, если вместо импульса напряжения экспоненциальной формы с постоянной времени то на диод подаются импульсы напряжения экспоненциальной формы, однако с постоянной времени Та, изменяющейся от величины большей, чем TO, до величины меньшей, чем То. Если при этом автоматически регулируется амплитуда экспонент и амплитуда прямоугольных импульсов так, чтобы в моменты времени отэ и |ртэ емкость была равна заданной постоянной величине, то и напряжение на диоде в данные моменты времени будет совпадать с напряжением, осуществляющем поддержание емкости, равной заданной постоянной величине, н,а протяжении всего импульса (пунктирная зависимость на фиг. 1). Зависимость 2 амплитуды экспонент от постоянной времени экспонент будет иметь максимум в точке тэ То. При наличии в полупроводнике нескольких уровней, постоянные времени перезарядки которых различаются более, чем в 8 раз, на подобной зависимости выявляются два четких пика. Сравнивая напряжения, которые подаются на диод в интервале времени а-Сэ -ртэ, с напряжением, которое необходимо подать для поддержания в этом интервале емкости, равной заданной постоянной величине (см. фиг. 1), можно заметить,, что если постоянная времени подаваемой на диод экспбненты больще необходимой, то в интервале ат, -(Ртэ (заштрихованный интервал) подаваемое напряжение будет больше, чем необходимое, а значит в- этом интервале высокочастотная емкость будет меньше заданной постоянной величины. Еели же постоянная времени подаваемой экспоненты меньше необходимой, то в интервале атэ-рТэ прикладываемое к диоду напряжение будет меньше необходимого, что вызовет отклонение емкости в сторону больших величин. Следовательно / имеется сигнал, которым можно управлять постоянной времени экспоненты так, чтобы она бы-, ла равна TO - постоянной времени перезарядки уровня. Вводя такое управление можно при плавном изменении температуры записывать температурную зависимость постоянной времени перезарядки уровня (скорости тепловой эмиссии носителей). Такая запись возможна внутри диапазона температур, в котором постоянная времени 1 . ll.lJ JiyLJj JO i. J .V1. jyilltlU/l и перезарядки уровня не выходит за диапазон постоянных времени экспонент (обычно 10-5- 10-1 с). Постоянная величина емкости диода, которую поддерживает устройство, задается в зависимости от того, на какую глубину полупроводника желательно зондирование уровней. Это связано с тем, что при известной площади диода емкость диода заает толщину области пространственного аряда, только в которой и наблюдаются роцессы перезарядки. Если процессы перезарядки уровней некепоненциальны во времени, то для них акже возможно получение спектра скоросей теплового выброса и.температурной заисимости «скорости теплового выброса, днако в данном случае из наклона .() можно получить только эффективную энергию/активации уровня. В остальном способ также применим. Пример. Исследуются уровни оста-точных примесей в нелегированной эпитаксиальной пленке п GaAs, выращенной газотранспортной эпитаксией на п+-подложке. Пленка имеет концентрацию свободных электронов, равную 2 10 см -. С помощью диффузии Zn готовят р+-п-диоды а поверхности пленки. Площадь диодов о,5 мм, начальная емкость 80 пФ. Измерения спектра глубоких уровней и температурных зависимостей постоянных времени „ерсзарядки на ручной установке показы33 наличие в пленках двух доминирующих по концентрации уровней Я и Н. Концентрация этих уровней составляет величину Ю см-з. На установке получают спектры глубоких уровней по способам, описанным в аналоге и прототипе. Данные спектры записаны при /1 3.10-5; 22,1 .40-4 с; 6,5 г24,5. 10- с; ti /27. 10-2 с; , соответствует фильтрации релаксации постоянными времени т - ---- равInij/Yjными соответственно 9,8. 10-, 2- 10-, 3,05. 10 с. По температурному положению максимумов на записи найдены температуры, при которых постоянная времени теплового выброса с уровней составляет величину 9,8.10-5; 2 10- 3,05- 10-2 с. Знание температуры и постоянной времени теплового выброса определяет место, /10П положение точек на зависимостиIgT I - . На фиг. 2 показаны полученные в результате этих операций точки в координа. . , ПО о наклону прямых, вводя 1 / поправку на Т, определяют энергию активации уровней 0,44 и 0,60 эВ. Затем про водят измерения по предлагаемому способу. Измерения выполняют на макете автоматической установки, разработанной п ИФП СО АН СССР. К Диоду прикладывают прямое смещение 1,5 В. В обратном
направлении прикладываются импульсы напряжения прямоугольной формы с амнлитудой 10 В. Одновременно с прямоугольным импульсом напряжения на образец подается экспоненциальный импульс. Формирователь экспоненциальных и прямоугольных импульсов представляет генератор импульсов с времяэадающими С-цепями. При изменении длительности импульсов от 10 1-10- с сохраняется постоянство амплитуды импульсов.
При изменении длительности импульсов сохраняется постоянство соотношения длительности прямоугольных импульсов и постоянной времени экспоненциальных импульсов. Устройство обеспечивает измерение высокочастотной емкости диода на частоте 7 МГц. Продетектированный сигнал, пропорциональный обратной величине емкости, сравнивается с постоянным сигналом, соответствующим емкости 30 пФ. Разница данных сигналов измеряется в трех блоках. В первом измеряется амплитуда данного сигнала на расстоянии от начала действия импульса, равном .., от длительности прямоугольного импульса, во втором ла расстоянии 0,9 от длительности прямоугольного импульса. Строб имеет длительность - 1 МКС. Длительность импульсов изменяется от 10 до 10 с. Время накопления сигнала на выходе устройств составляет - 1 с. В третьем блоке измеряется интегральная величина разностного сигнала в интервале времени от 0,3 до 0,9 от длительности импульса. Сигнал, полученный в первом блоке, управляет модулятором амплитуды прямоугольных импульсов. Входной сигнал со второго блока управляет модулятором амплитуды экспоненциальных импульсов. В результате этого амплитуда разностного сигнала стремится к О в эти моменты времени.
При этом, если при фиксированной температуре плавно изменяют постоянную времени экспоненциальных импульсов, а значит и длительность прямоугольных импульсов и выводят на двухкоординаторный самописец амплитуду экспоненциальных импульсов в зависимости от постоянной времени, то получают спектр релаксаций. На фиг. 2 показан такой спектр при изменении постоянной времени от 10 до 10 с. Данный спектр свидетельствует о наличии в образце двух уровней, перезаряжающихся при комнатной температуре за время 2. и 5 10 -с. Устанавливая постоянную времени равной одному из трех времен, подавая выходной сигнал с третьего блока на «модулятор постоянной времени и изменяя температуру, записывают зависимость Igt от для данного уровня. Результаты такой записи приведены на фиг. 2 (сплощная линия). Температура измеряется с помощью арсенидо-галлиевого датчика, представляющего из себя эпитаксиальную пленку, облученную быстрыми электронами. Сопротивление пленки в интервале от 330 до 200°К изменяется по
.л 0,15
закону --.-,что позволяет при выводе на самописец величины, пропорциональной логарифму сопротивления, получать сигнал, пропорциональный .
10 Взаимосвязь элементов устройства изображенного на фиг. 3, следующая.
Полупроводниковый образец 1 с р-п-переходом (или барьер Шоттки) соединен с источником 2 постоянного напряжения, генератором 3 прямоугольных импульсов, С-цепью 4 и модулятором 5 амплитуды экспоненциально изменяющегося напряжения, генератором 6 высокочастотного тока через сумматор 7. Образец 1 соединен также с входом детектора 8 огибающей высокочастотного сигнала, выделяющегося на о бразце, выход детектора огибающей соединен с входом пикового детектора 9, вычитающего из входного сигнала постоянное значение заданного уровня Со. Между выходом пикового детектора 9 и генератором 3 прямоугольных нгйпульсов включен детектор 10 амплитуды конца огибающей, а между выходом пикового детектора 9 и
30 / С-цепью 4 включен интегратор 11 огибающей, а между выходом детектора 9 вершины импульсов и модуляторм 5 амплитуды экспоненциальных импульсов включен детектор 12 амплитуды начала
5 огибающей. Устройство включает в себя цепь 13 нагрева образца, термопару 14 и самописец 15, который соединен с КС-цепью, модулятором 5 амплитуды экспоненциальных импульсов и на который может
0 выводиться напряжение с термопары.
На образец 1 с р-л-перехоиом через сумматор 7 поступают суммы трех напряжений, управляющих толщиной слоя обеднения в диоде (высокочастотной емкостью
45 диода), и высокочастотное напряжение необходимое для измерения емкости диода. На сумматор подаются прямоугольные импульсы напряжения непосредственно от генератора 3 прямо}тольных импульсов и
50 импульсы с экспоненциально изменяющимся напряжением от цепи, состоящей из генератора 3 прямоугольных импульсов, RCцепи 4, которая дифференцирует поступающие на нее прямоугольные импульсы
5 напряжения и перепадами уровней I и 1/е управляет длительностью импульсов генератора 3, оставляя неизменным соотнощение длительности прямоугольных импульсов и постоянной времени экспоненты и
модуляторы 5 амплитуды импульсов экспоненциальной формы. Кроме того, от источника 2 подается постоянное смещение, которым осуществляется смещение диода в прямом направлении, вызывающее инжекцию неосновных носителей заряда в иссле-Дуемую область диода. Измерительный высокочастотный сигнал поступает на сумматор с генератора 6 тока высокой частоты.
Высокочастотный сигнал, возникающий на диоде, поступает на детектор 8 огибающей. Сигнал с детектора 8 подается на пиковый детектор, в котором из входного «сигнала вычитается заданная постоянная величина напряжения, соответствующая емкости Со. С выхода детектора 9 огибающая .поступает на анализатор формы отклонения огибающей от установленного уровня, соответствующего емкости Со. Анализатор отклонений состоит из трех устройств 10, 11, 12. Детектор 10 накапливает сигнал ошибки, пропорциональный амплитуде огибающей в конце импульса, и регулирует этим сигвалом амплитуду прямоугольных импульсов генератора 3, сводя к минимуму отклонения огибающей в конце импульса от уровня CD. Интегратор 11 формирует сигнал ошибки, пропорциональный площади огибающей поступающей с выхода детектора 9. С выхода интегратора регулирующий сигнал поступает на электронную КС-и.епь 4. Детектор 12 амплитуды формирует напряжение, пропорциональное амплитуде огибающей в начальной части импульса, и регулирует данным сигналом амплитуду экспоненциальных импульсов в модуляторе -5. Струбы управления детекторами 10, 12 и интегратором 11 формируются по уровням экспоненциального импульса У С-цепи 4. Затем достигается постоянное соотношение между постоянной времени экспоненты и временным расстоянием строба от начала действия импульса обратного смещения. Аналогично по уровням экспоненциальното импульса формируется длительность прямоугольного импульса обратного смещения. Описанных блоков достаточно для автоматического поиска амплитуды и формы импульса обратного смещения, поддерживающего емкость диода неизменной во время перезарядки глубокого уровня.
На регистрирующее устройство (двухкоординатный самописец) подаются сигналы с С-цепи 4, пропорциональные-постоянной времени, и сигналы пропорциональные температуре при записи температурной зависимости постоянных, времени перезарядки уровней или сигналы пропорционально амплитуде подаваемых на диод импульсов экспоненциальной формы при записи спектра скоростей эмиссии носителей заряда с уровней.
Предлагаемый способ позволяет экспресно осуществлять идентификацию уровней в полупроводниках. По предлагаемому способу можно также получать спектр скоростей тепловой эмиссии носителей заряда с уровней при фиксированных температурах, что позволяет исследовать при дан.ных температурах влияние внешних
воздействий (электрического поля, давления и т. д.) на скорости тепловой эмиссии с уровней.
Формула изобретения
1.Способ контроля глубоких уровней в полупроводниках, основанный на приложении к диоду в прямом направлении постоянного смещения, а в обратном - импульсов напряжения прямоугольной формы и синхронно с ними импульсов напряжения экспоненциальной формы с постоянной времени экспоненты т,, равной длительности прямоугольных импульсов, отличающийся тем, что, с целью автоматизации измерений, повышения экспрессности, точности и расширения функциональных возможностей способа, определяют постоянную времени теплового выброса носителей заряда с исследуемого уровня при фиксированной температуре, устанавливают постоянную времени экспоненты тэ, равной найденной постоянной времени теплового
выброса носителей, затем плавно изменяют температуру диода, при этом в моменты времени i и t2, отсчитанные от начала действия каждого суммарного импульса обратного смещения и связанные с постоянной времени экспоненты зависимостями ti атэ, /2 Ртз (где , ), поддерживают высокочастотную емкость диода постоянной путем автоматического управления амплитудами импульсов прямоугольной и экспоненциальной формы, непрерывно регулируют постоянную времени экспоненты, обеспечивая компенсацию отклонений высокочастотной емкости диода от постоянной величины и внутри интервала
времени от i до tz, регистрируют зависимость постоянной времени экспоненты от температуры.
2.Способ ПОП.1, отличающийся тем, что определение постоянной времени
теплового выброса носителей заряда с уровней при фиксированной температуре осуществляют непрерывно, изменяя постоянную времени экспоненты от минимальной до максимальной рабочей величины, при
этом в моменты времени ti атэ и 1 поддерживают высокочастотную емкость диода, равной постоянной величине, путем автоматического управления амплитудами импульсов прямоугольной и экспоненциальной формы, регистрируют зависимость амплитуды импульсов экспоненциальной формы от постоянной времени экспоненты, определяют постоянные времени экспоненты, при которых достигают максимума амплитуды импульсов экспоненциальной формы, по которым судят о постоянных времени теплового выброса носителей с исследуемых уровней.
3.Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее источник поетоянного смещения и генератор тока высокой частоты, соединенные через сумм,атор с исследуемым образцом, генератор прямоугольных импульсов, соединенный через С-цепь с модулятором экспоненциальных импульсов, пиковый детектор, отличающееся тем, что между выходом пикового детектора импульсов и генератором прямоугольных импульсов включен детектор амплитуды конца огибающей, между пиковым детектором импульсов и С-цепью включен интегратор огибающей. а между пиковым детектором импульсов и модулятором амплитуды экспоненциальных импульсов включен детектор амплитуды огибающей в начале измерений, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Патент США № 2859595, кл. G 01 R 31/26, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР № 573782, кл. G 0.1 R 31/26, 1977.
«а
-J
10
