2014_velichko

риментальной зависимости C(VG ) и рассчитать спектр поверхностных состояний Nss по запрещенной зоне полупроводника, учитывая связь поверхностного потенциала s с положением уровня Ферми на по-

верхности.

Получить экспериментальную C–V-характеристику можно с помощью установки, блок-схема которой показана на рис. 1.17. С гене-

ратора G1 на последовательную цепочку CМДП и Rн поступает си-

нусоидальный сигнал малой амплитуды U = kT (25 мВ) и высокой частоты (f = 100 кГц). Сопротивление Rн выбирается так, что

Rн 1/ (2 fCМДП) , тогда падение напряжения на нагрузочном со-

противлении будет пропорционально исследуемой емкости. После усиления и детектирования сигнал поступает на самописец (ось Y).

CМДП

G1					G2

Cx

Ampl

D

XY

Rн

Рис. 1.17. Блок-схема установки для измерения ВВФХ:

G1 – генератор синусоидального напряжения высокой частоты; G2 – генератор низкой частоты, Ampl – усилитель; D – детектор; Cx – измеряемая емкость CМДП [7, 8]

Для калибровки оси C вместо CМДП подключают эталонные емкости Cэт (например, 100, 200 пФ и т. д.). Медленно меняющееся напряжение VG поступает с генератора G2 как на МДП-структуру, так и на ось X самописца. После получения экспериментальных данных про-

41

грамма позволяет рассчитать параметры исследуемой МДП-струк- туры:

емкость диэлектрика;

минимум емкости на C–V-характеристике;

толщина диэлектрика;

величина легирования подложки Nd ;

0 – положение уровня Ферми, отсчитанное от середины запрещенной зоны;

длина экранирования Дебая;

собственная концентрация ni ;

EG – ширина запрещенной зоны;

CFB – емкость МДП-структуры в том случае, когда энергетические зоны на зонной диаграмме в приповерхностной области полупро-

водника не изогнуты («емкость плоских зон»);

Cmg – емкость МДП-структуры при совмещении уровня Ферми

исередины запрещенной зоны.

Определение времени жизни неравновесных носителей заряда

Теоретическое введение

Свободные носители заряда, возникающие в результате термической генерации и находящиеся в тепловом равновесии с кристаллической решеткой, называются равновесными. Помимо тепловой генерации, имеются другие механизмы, приводящие к возникновению свободных носителей заряда. Например, при облучении полупроводника светом, за счет разрыва валентных связей в сильных электрических полях или в результате инжекции с помощью p–n-перехода.

Во всех этих случаях создается некоторая избыточная концентрация неравновесных свободных электронов n и дырок p , которые

могут иметь кинетическую энергию, значительно превышающую среднюю тепловую энергию равновесных частиц. Параллельно с процессом генерации идет процесс рекомбинации, в процессе которой концентрация неравновесных носителей убывает по экспоненциальному закону:

n n(0)e t/ ,

42

т. е. концентрация неравновесных носителей заряда после прекращения возбуждения уменьшается по экспоненциальному закону и за время число их в результате рекомбинации убывает в e раз.

Таким образом, время жизни неосновных неравновесных носителей заряда – это время, за которое концентрация неосновных неравновесных носителей заряда убывает в e раз. За время жизни носители заряда проходят расстояние, называемое диффузионной длиной L . Связь между и L выражается формулой

L D ,

где D – коэффициент диффузии неосновных неравновесных носителей заряда.

Рассмотрим теперь, как меняется время жизни носителей заряда при рекомбинации через центры захвата в полупроводнике с изменением температуры (рекомбинация Шокли–Рида). Это рассмотрение проведем на примере примесного полупроводника электронного типа. Пусть в таком полупроводнике при повышении температуры от абсолютного нуля наблюдаются все три области изменения концентрации носителей, как это показано на рис. 1.18, а.

Участок А – это область примесной проводимости, участок Б – область истощения, т. е. область полной ионизации примеси, характеризующаяся постоянством концентрации носителей, и участок В – область собственной проводимости.

В области А уровень Ферми, температурный ход которого показан на рис. 1.18, б, лежит между уровнем донорной примеси и зоной проводимости. С повышением температуры уровень Ферми понижается до положения уровня донорной примеси. В этой области А уровень Фер-

ми для всех температур лежит выше уровня энергии ловушек Et .

С дальнейшим повышением температуры при переходе к области полной ионизации донорной примеси уровень Ферми EF понижается

и сначала достигает уровня ловушек Et , а затем опускается ниже энер-

гетического уровня ловушек.

Время жизни τ увеличивается с ростом температуры вплоть до Т, при которой наступает собственная проводимость. Рост τ в этой области температур происходит потому, что с увеличением температуры имеет место интенсивная эмиссия электронов из ловушек [5].

43

а

б

в

Рис. 1.18. Температурные зависимости:

а– концентрации основных носителей заряда; б – уровня Ферми;

в– времени жизни [5]

Для определения зависимости τ(Т) обычно применяют метод модуляции проводимости. Этот метод использует явление модуляции распределенного сопротивления точечного контакта металла с полупроводником при введении неосновных носителей, для чего применяется

импульс тока. Спустя некоторое время tз (время задержки), в течение

которого происходит рекомбинация и диффузия носителей, введенных первым импульсом, подается второй импульс.

На рис. 1.19 показана пара импульсов тока, приложенных к образцу со временем задержки tз. Уменьшение сопротивления, происходящее

при введении неосновных носителей, приводит к снижению падения напряжения на точечном контакте.

Так как в импульсе ток остается постоянным, импульс напряжения имеет спад, обусловленный возрастанием концентрации носителей. После прекращения первого импульса тока концентрация неосновных

44

носителей уменьшается в результате рекомбинации, вследствие чего сопротивление контакта начинает возрастать со временем, возвращаяськисходнойвеличине.

На рис. 1.20 видно, как с увеличением времени задержки уменьшается разница между первым и вторым импульсом. Когда время задержки становится больше времени жизни, второй импульс сравнивается с первым. Огибающая импульсов описывается экспоненциальной функцией времени, как и концентрация неосновных дополнительных носителей:

U2 U1 e t/ ,

где U1 – высота первого импульса; U2 – второго импульса.

U

Рис. 1.19. Пара импульсов тока (вверху) и напряжения (внизу) поданных

со временем задержки tз [5]

U1

U21

U22

tз1

t

tз2

Рис. 1.20. Зависимость амплитуды импульсов от времени задержки [5]

45

Соответственно время жизни

	t3			ctg ( ).
	ln (U U	2	)
	1

Описанная методика измерения имеет большие преимущества, основное из которых – возможность измерять τ в образце произвольной формы и размеров. Образец укрепляется на базовом электроде, и к нему подводится единственный точечный электрод.

Блок-схема экспериментальной установки для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике методом модуляции проводимости не приводится, поскольку в настоящее время имеется очень много вариантов автоматизированных установок для измерения C–V-характеристик.

Метод измерения времени жизни по релаксации фотопроводимости на СВЧ

В последнее время все большее признание получают способы измерения времени жизни с помощью неразрушающих методов, один из которых рассмотрен ниже.

СВЧ-установка, блок-схема которой показана на рис. 1.21, предназначена для бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках и полупроводниковых структурах. Может использоваться для неразрушающего экспресс-контроля полупроводниковых материалов в производстве полупроводниковых приборов [11, 12].

За основу установки взят СВЧ-измеритель времени жизни носителей заряда в полупроводниках ТАУРИС-01. В установке используется СВЧ-метод измерения фотопроводимости при импульсном освещении образца. Время жизни носителей заряда определяется по осцилло-

грамме сигнала на выходе СВЧ детектора и составляет от 2·10–8 до

10–5с, при существующих детекторе СВЧ отраженного сигнала и пред-

варительном широкополосном усилителе.

СВЧ-генератор 1 на основе диода Ганна типа АА727А/Б с частотой излучения 39,0 ГГц возбуждает в серийном прямоугольном вол-

новоде 2 сечением 3,4 7,2 мм 2 колебания типа Н10. СВЧ-волна через

ферритовый циркулятор 3, аттенюатор 5, ферритовый циркулятор 7 и волновод 9 поступает в измерительный короткозамкнутый волновод 11.

46

На широкой стенке измерительного волновода 11 расположены два запредельных отверстия на расстоянии, кратном половине длины волны СВЧ-генератора от замкнутого конца. Через эти отверстия лазерное излучение подается на образец, а также СВЧ-излучение взаимодействует с образцом. Отраженная от образца СВЧ-волна по волноводу 9 через циркулятор 7 поступает на СВЧ-детектор 10. После детектирования сигнал подается на предварительный широкополосный усилитель 14. Усиленный широкополосным усилителем сигнал поступает на скоростной осциллограф 15 и далее через KОМ-порт на ЭВМ 16 для обработки и возможности переноса на бумажный носитель.

						13
14						11
		10
				9
		8				12
				7
15
				6
				5
				3		2
16		4
						1

17

Рис. 1.21. Блок-схема СВЧ-установки для измерения времени жизни:

1 – СВЧ-генератор на диоде Ганна; 2, 6, 8, 9 – прямоугольный волновод; 3, 7 – ферритовые циркуляторы; 4 – короткозамкнутый отрезок волновода; 5 – аттенюатор на p–i–n-диодах; 10 – СВЧдетектор на основе диода Шоттки; 11 – измерительный короткозамкнутый волновод; 12 – импульсный полупроводниковый лазер; 13 – держатель пластины образца с координатным столиком; 14 – широкополосный предварительный усилитель; 15 – осцилло-

граф; 16 – ЭВМ; 17 – блок источников питания установки

47

	0,5
	0,0
	-0,5
ln(U/Uo)	-1,0
	-1,5
	-2,0
	-2,5
	-3,0
	-3,5
	0	2	4	6	8	10

t, ms

Рис. 1.22. Зависимость логарифма амплитуды измеренного сигнала от τ

На рис. 1.22 приведен пример измерения времени жизни на пластинах кремния. Видно, что на кривой имеется два участка с различным наклоном, соответствующих двум значениям времени жизни:

1 0,68 мкс, 2 3,53 мкс, общ 0,57 мкс.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Воробьев Ю.В. Методы исследования полупроводников / Воробьев Ю.В., Добровольский В.Н., Стриха В.И. – Киев: Выща школа, 1988. – 232 с.

2.Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых мате-

риалов / Л.П. Павлов. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 7–24.

3.Рембеза С.И. Методы измерения основных параметров полупроводников / С.И. Рембеза. – Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 1989. –

С. 10–31.

4.Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования / Е.В. Кучис. – М.: Радио и сязь, 1990. – 264 с.

5.Шалимова К.В. Физика полупроводников / Шалимова К.В. – М.: Энер-

гия, 1976.

6. Шалимова К.В. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам / Шалимова К.В. – М.: Высшая школа, 1968. – 464 с.

48

7.Берман Л.С. Емкостные методы исследования полупроводников / Л.С. Берман. – Л.: Наука, 1972.

8.Гуртов В.А. Основы физики структур металл-диэлектрик-

полупроводник / Гуртов В.А. – Петрозаводск, 1983. – 92 с.

9.Батавин В.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов

иструктур / В.В. Батавин, Ю.А. Концевой, Ю.В. Федорович. – М.: Радио и связь, 1985.

10.Киреев П.С. Физика полупроводников / П.С. Киреев. – М., 1975.

11.Бородовский П.А. Определение времени жизни неосновных носителей

заряда в слитках кремния по релаксации фотопроводимости, измеренной на сверхвысоких частотах / П.А. Бородовский, А.Ф. Булдыгин, А.С. Токарев // Физика и техника полупроводников. – 2004. – Т. 38. – Вып. 9.

12. Величко А.А. Система неразрушающих методов контроля полупроводниковых структур / А.А. Величко, Е.И. Уваров, А.А. Корнилович, А.Н. Селезнев // Сб. тр. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и промышленное применение высоких технологий в промышленности». 14–17 марта 2007 г., Санкт-Петербург, Россия. – С. 66–70.

49

ГЛАВА 2

АНАЛИЗ СТРУКТУРНОГО И ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА КРИСТАЛЛОВ МЕТОДАМИ ИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ

Общие сведения

В настоящее время поверхностные явления играют ключевую роль как в работе элементов интегральных схем, так и при проведении процессов планарной технологии. Действительно, приповерхностные области различных материалов и структур определяют их важнейшие физические, электронные, химические и механические свойства. При переходе от микро- к нанотехнологиям и от микроэлектроники к наноэлектронике роль поверхности наноструктур резче возрастает при создании новых материалов и приборов. Именно поэтому главное внимание сегодня уделяется исследованию структуры и составу приповерхностных слоев.

Для исследования состава и свойств поверхности твердого тела широко применяются электронные и ионные пучки электромагнитного излучения, в частности пучки быстрых и медленных ионов. Для аналитических целей используются как рассеяние ионов, так и вторичные процессы, происходящие при взаимодействии ионов с атомами исследуемого вещества: характеристическое рентгеновское излучение, ожеэлектроны, продукты ядерных реакций. Такие методы выполняют неразрушающий анализ элементного состава и структуры образца в приповерхностной области. Это делает их незаменимыми при решении ряда практических задач, связанных с модификацией свойств твердых тел в приповерхностной области, например, при исследовании профилей распределения примесей в полупроводниковых материалах, состава тонких пленок, а также для изучения структуры кристаллических материалов, включая наличие радиационных дефектов при ионном облучении.

50