Способ определения параметров глубоких уровней в полупроводниках и устройство для его осуществления

 

1. пособ определения параметров глубоких уровней в полупроводниках,: включающий подачу на образец на11ря жения смещения и импульса, напряжения, изменяющего напряжение смещения, и : / компенсацию изменения емкости образца после окончания импульса напряжения/ путем изменения напряжения смещения,, о .т л и ч а ю ад и и с я тем, что, с целью повьшения чувствительности,: перед подачей напряжения смещения образец помещают в koлeбaтeльньш контур, подают напряжение смещения, определяю частоту собственных колебаний .бательного контура с образцом. подают импульс напряжения, сравнивают фазу час,тоты собственных колебаний колебательного контура с образцом с фазой опорной частоты и изменяют напряжение смещения на образце до обеспечения равенства частоты собственных; колебаний колебательного контура с образцом и опорной частоты. 2. Устройство для определения параметров глубоких урЪвней в полупроводниках , содержащее генератор высокой частоты, усилитель обратной связи, выход которого ;соединен с входом двойного импульсного интегратора , источник напряжения смещения, выход которого соединен с первь1М входом сумматора, выход которого (Л соединен с первой клеммой для подключения полупроводника, вторую и третью клеммы для подьслючения полу ,проводника и генератор импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено автогенератором, фазовым детектором и аналоговым ключом, причём вторая и третья клеммы для подключения полупроводника соединены с первым и вторым входами автогенератора соответственно, выход автогене00 ратора соединен с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой 00 частоты, а выход - с входом усилителя обратной связи, выход которого соединен с первым входом аналогового ключа, выход которого соединен с; вторым входом сумматора, третий ;Вход которого соединен с вторым входом :аналогового ключа и выходом генератора ;импульсов.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ м, а. импульсов.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

f10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

flPf4 rWHT СССР

1 (21) 3567069/24-21 (22) 22,03.83 (46) 23.10,89, Бюл. N - 39 (7 1) Физико-технический институт им А.Ф,Иоффе и Северо-Кавказский горно-металлургический институт (72) А.А.Гринсон,. А.А.Гуткин и С.Г.Метревели (53) 621.382.2(088.8) (56) Принц В.Я., Булатецкий К.Г. Спектроскопия глубоких примесных уровней компенсационным методом. — "Приборы и техника эксперимента", % 4, 1974, с. 255-258.

Johnson N.H. Neasurement of semiconductorinsalator interfàñå states

Ъу. constant capacitance deep level

:transient spektroscopy", Journal of

Vacuum Science and ТесЪпо1ogy. V+21, 0- 2, July/Àuf,. 1982, рр.303-314.

1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУНЕСТВЛЕНИЯ(57) 1.,Способ. определения параметров глубоких уровней в полупроводниках, включающий подачу на образец напря- жения смещения и импульса напряжения, изменяющего. напряжение смещения, и компенсацию изменения емкости образца после окончания импульса напряжения. путем изменения напряжения смещения, отличающийся тем, что, с целью повьппения чувствительности, перед подачей напряжения смещения об-. разец помещают B Колебательный контур, подают напряжение смещения, определяют частоту собственных колебаний, солерательного контура с образцом, дд 4 G 01 R 31/26, H 01 L 21/66

2° подают импульс напряжения, сравнивают фазу частоты собственных колебаний колебательного контура с образцом с фазой опорной частоты и изменяют напряжение смещения на образце до обеспечения равенства частоты собственных колебаний колебательного контура с образцом и опорной частоты.

2.:Устройство для определения параметров глубоких ур0вней в полупроводниках, содержащее генератор высокой частоты, усилитель обратной связи, выход которого соединен с входом двойного импульсного интегратора, источник напряжения. смещения, выход которого соединен с первым входом. сумматора, выход которого соединен с первой клеммой для подключения полупроводника, вторую и третью клеммы для подключения полу,проводника и генератор импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно

:снабжено автогенератором, фазовым детектором и аналоговым ключом, причем вторая и третья клеммы для подключения полупроводника соединены с первым и вторым входами автогенера- . тора соответственно, выход автогенератора соединен с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с BblzopoM reHepaTopa BblcoKDA частоты, а выход — с входом усилителя обратной связи, выход которого соединен с первым входом аналогового ключа, выход которого соединен с вторым входом сумматора, третий .вход которого соединен с вторым входо аналогового ключа и выходом генератор

))4)869

Изобретение относится к способам определения параметров полупроводникового материала и касается такого метода исследования полупроводников, 5 как нестационарная спектроскопия глубоких уровней (НСГУ), который широко используется для определения концентрации и параметров глубоких уровней в полупроводниковом материале.

Известен способ определения параметров глубоких уровней методом НСГУ в режиме постоянной емкости.

В нем компенсация изменения емкости)5 после выключения заполняющего импульса осуществляется путем добавления к постоянному напряжению величины

ЬБ .м(), закон изменения которой от см времени принимается экспоненциальным

Ф

ЬБ (t) "-0 е где постоянная времени ь„ задается, а амплитуда U вырабатывается из разности. о

25 между амплитудами падения внешнего высокочастотного напряжения на исследуемом образце и эталонной цепи.

Способ реализуется с помощью устройства, состоящего иэ генератора .высокой частоты, соединенного с емко- З0 стным мостом, в .который включен исследуемый образец, сумматора, выход которого через емкостный мост соединен с образцом, один из входов с генера" тором прямоугольных импульсов, а дру- 35 гой — с формирователем экспонент, к которому подключен блок обратной связи.

Часто в случаях неэкспоненциальной релаксации емкости и изменения активной проводимости образца при переза- "0 рядке глубоких уровней этот способ и устройство для его осуществления вносят дополнительно погрешности в определяемые величины параметров и концентрацию глубоких уровней.

Наиболее близким к изобретению яв.-: ляется способ определения параметров глубоких уровней в полупроводнике методом НСГУ в режиме постоянной емкости.,Этот способ включает подачу 5{} на образец напряжения смещения и импульса напряжения, изменяющего напряжение смещения, и компенсацию изменения емкости образца после окончания импульса напряжения путем изменения 55 напряжения смещения на исследуемом,. образце в процессе изменения плотнос-; ти объемного заряда при перезарядке глубоких уровней на величину 11Ц (t.) которая вырабатывается путем. сравнения только реактивных составляющих амплитуд падения внешнего высокочастотного напряжения на исследуемом образце и на эталонной цепи.

Устройство, осуществляющее этот способ, состоит из двойного импульсного интегратора, усилителя обратной связи, сумматора, генератора высокой частоты, широкополосного усилителя рассогласования, фильтра, высокочастотного смесителя, двух регулируемых фазовращателей и аттенюатора. Высокочастотный генератор соединен с эталонной цепью, представляющей собой регулируемый фазовращатель и аттенюатор, соединенные последовательно.

Параллельно эталонной цепи включен исследуемый образец. Другой вывод эталонной цепи и образца подключен к широкополосному усилителю рассогласо.-. вания, выход которого через фильтр подключен к одному из входов высокочастотногО смесителя. Второй вход смесителя через регулируемый фазовращатель соединен с образцом. Второй вход сумматора подключен к источнику постоянного напряжения смещения. К выходу усилителя обратной связи подключен также двойной импульсный интегратор.

Способ и устройство для его осуществления обладают следующими недостатками, В прототипе чувствительность не превышает 10 от концентрации мелких уровней. Это объясняется тем, что при точности поддержания емкости

IX и амплитуде высокочастотного напряжения на образце U ч = 0,1 В на--пряжение на входе усилителя рассогласования составляет 0,1 мкВ. Получение такой чувствительности усилителя рассогласования при обеспечении приемлемого отношения сигнал/шум и устойчивости усиления. в широкой полосе частот представляет собой сложную техническую задачу. Дальнейшее увеличение точности поддержания емкости, а следовательно, . и чувствительности без увеличения

IJ8ö ограничено тем, что увеличить чувствительность усилителя без резкого ухудшения быстродействия принципиально невозможно.

Так как U зц не может быть меньше чем 0 1 В без потери чувствительности, отсюда следует, что U„ — 0см не может

69 6 усилителя обратной связи, выход кото рого соединен с первым входом аналогового ключа,- выход которого соединен ,с вторым входом сумматора, третий вход которого соединен с вторым входом аналогового ключа и выходом генератора импульсов. . На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления данного способа, Она содержит генератор высокой частоты 1,. усилитель обратной связи. 2, источник напряжения смещения 3, сумматор 4, первую клемму 5 для подключения полупроводника, вторую клемму 6 для подключения полупроводника, третью клемму 7 для подключения полупроводника, автогенератор 8, фазовый детектор 9, аналоговый ключ 10, двойной импульсный интегратор 11, генератор импульсов 12. Выход генератора высокой частоты 1 соединен с вторым входом фазового детектора 9, первый вход которого соединен с выходом автогенератора 8. Вйход .фазового детектора

9 соединен с входом усилителя обратной связи 2, .выход которого соединен . с первым входом аналогового ключа 10 и входом двойного импульсного интегратора 11, выход ключа .10 соединен с вторым входом сумматора 4. Выход. генератора импульсов 12 соединен с третьим входом сумматора 4 и вторым входом аналогового ключа 10. Первый вход, сумматора 4 соединен с выходом источника напряжения смещения 3. Выход сумматора 4 соединен с первой клеммой для подключения полупроводника. Вторая 6 и третья 7 клеммы для. подключения полупроводника соединены с первым и вторым входами автогенератора 8.

Метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней в режиме постоянной емкости основан на том, что на исследуемый образец (р-п-переход, барьер металл-полупроводник, структура металл-диэлектрик-полупроводник), на который подано обратное напряжение

U, на короткое время с подается заполняющий. импульс напряжения, уменьшающего П или создающего поло-. жительное смещение. При этом емкость образца не поддерживается постоянной и глубокие уровни в слое объемного заряда захватывают носители тока.

По окончании действия этого импульса захваченные носители вследствие тер5 11418 быть выбрано меньше 1 0 В, где 11„. контактная разность потенциалов в исследуемом. образце. Следовательно, прототип.не позволяет без потери

5 чувствительности исследовать глубокие уровни, сконцентрированные на расстояниях от границы раздела р-. и и-областей в p-n-переходе и металл-полупроводник в барьере Шоттки, меньше 10 ширины слоя объемного заряда при напряжении смещения 10 В.

Цель изобретения — повышение чув,ствительности.

:!

Поставленная цель достигается тем, 15

4то в способе определения параметров глубоких уровней в полупроводниках» включающем подачу на образец напряже ния смещения и импульса напряжения, изменяющего напряжение смещения, и 20 компенсацию изменения емкости образца после окончания импульса напряжения путем изменения напряжения -смещения, Перед подачей напряжения смещения образец помещают в колебательный контур, подают напряжение смещения, определяют частоту собственных колебаний колебательного контура с об-. разцом, подают импульс напряжения, сравнивают фазу частоты собственных-..30 колебаний:колебательного контура с образцом с фазой опорной частоты и изменяют напряжение смещения на образце таким образом, чтобы обеспечить равенст -. во частоты собственных колебаний колеба-35:тельного контура и опорной частотой а. устройство для ойределения параметров глубоких уровней в полуйроводниках, содержащее генератор высокойчастоты, усилитель обратной . связи, 40 выход которого соединен с входом . двойного импульсного интегратора, источник напряжения смещения, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен . 15 с первой клеммой для подключения полупроводника, вторую и третью клеммы для подключения полупровод,ника, и генератор импульсов, дополнительно снабжено автогенератором, 50 фазовым детектором и аналоговым ключом, причем вторая и третья клеммы для подключения полупроводника соединены с первым и вторым входами автоге.нератора соответственно, выход авто- 55 генератора соединен с первым входом фазового детектора, второй вход кото- рого .соединен с выходом генератора высокой частоты, а выход — с входомU зз ьц м (3) вых

1 где К, - коэффициент усиления усилителя обратной связи 2. С другой стороны, согласно (1) при малых Ь ф (4)

Сдвиг фаз., обусловленный изменением емкости, находят по формуле

5lf - =ffht (5) где 6 Š— разность частот автогенераторов 8 и опорного генератора 1, вызванная изменением емкости; Ь t7 . 114186 мической эмиссии выбрасываются с глу, боких уровней за времена, определяемые параметрами уровня и температурой. образца. Вследствие этого заряд на глубоких уровнях меняется и емкость х образца при неизменном U должна см меняться. Однако можно, плавно меняя

U< во времени t на величичу ЬП (t)» поддерживать емкость постоянной. РегйстРиРУЯ ДП м(й) в моменты вРемени

t „ и t, отсчитываемые от момента окончания заполняющего импульса, и

Ределяя S gUñì(t„) 5 Uàì(t<) пр различных температурах Т, получают зависимость S(T) (спектр НСГУ)» по величине и положению пиков которого при различных наборах t< и t< определяют концентрацию и параметры уровней. Это же можно сделать по форме и амплитуде единичного пика

S = Б(Т) при одном наборе t< и

Кроме того, по форме пика можно судить о некоторых закономерностях процессов термической ионизации центра. 25

Рассмотрим работу предлагаемого устройства.

Лвтогенератор 8 представляет собой усилитель высокой частоты с положительной обратной связью и вклю- 3р ченным на входе колебательным контуром, емкость которого определяется. емкостью исследуемого образца. При амплитуде колебаний в контуре, а следовательно, и на образце порядка нескольких милливольт амплитуда колебаний на выходе усилителя автоге-, нератора порядка 1 В. Этот сигнал подается на фазовый детектор 9, где сравнивается с сигналом внешнего 40 опорного генератора. 1. На выходе фазового детектора появляется напряжение, величина которого зависит от соотношения фаз колебаний автогенератора 8 и опорного генератора 1, а 45 также амплитуды колебаний автогенератора:

Палых КПвх з -и Ьц » (1) где К вЂ” коэффициент передачи фазового

50 детектора;

U — амплитуда колебаний, поступавх ющих на вход фазового детектора;

Ь< - разность фаз колебании.

При отклонении емкости от стацио55 нарного значения С изменится частота

1 колебаний в контуре, разность фаз начнет увеличиваться, соответственно

9 8 начнет изменяться и U х ° Это напряжение усиливается усилителей обратной связи 2 до величины Ь Б м. Через аналоговый ключ 10 Дц,м подается на сумматор 4, где складывается с постоянным напряжением смещения, и далее на образец, изменяя его емкость. Изменение разности фаз, а следовательно, и

6Б м будет продолжаться до тех пор, пока за счет изменения дП „ (и соответственно емкости образца) частота собственных колебаний автогенератора

8 не станет опять равной опорной частоте, однако разность фаз Ьср между колебаниями опорной частоты и колебаниями в контуре автогенератора 8 изменится. То есть для выработки определенного Ь Ь,, компенсирующего изменение емкости ЬС, требуется наличие только определенной разности фаз между колебаниями, что возможно лишь при точном равенстве частоты колебаний в контуре автогенератора 8 частоте опорных колебаний генератора 1. Нарушение этого условия возможно только на короткое время д, за которое происходит накопление разности. фаз при резком изменении емкости. Это время определяется следующим. При малом от.клонении емкости ЬС от стационарного значения С изменение напряжения смещения, необходимое для поддержания емхости постоянной, определяется выражением (2)

Се где U — постоянное напряжение смесм щения. Ь U + подается на образец с выхода усилителя обратной связи 2 °

Таким образом, на входе этого усилителя, который подключен к выходу фазового детектора 9, должно быть напряжение 1141869

10 время, прошедшее с момента изменения емкости на Ь С. При малом 5 C/С

is ния импульса., заполняющего глубокие. . ся дифференциальной емкостью образца уровни, который изменяет напряжение .- 3p dg

C(t). — и нестационарная спектросмещения. Если не. делать этого, то ЙЬ за счет работы обратной связи напряже- скопия глубоких уровней, основанная нне на образце останется неизменным. dg

В описываемом устройстве была dU на связи — .= С(й) с величиной заряда получена чувствительность, позволя- на глубоких уровнях, непрйменима. ющая обнаруживать глубокие центры Поскольку предлагаемое устройство

-5 концентрацией 10 от концентрации имеет U - "5 мВ рно позволяет провомелких примесеи. дить измерения при U „ †. U «» 0,5 В, Такая высокая чувствительность оп- не только при больших, но и при,малых ределяется высокой точностью поддер- 40. обратных, и даже при прямых смещениях, жания ностоянства емкости, которая . Это позволяет исследовать .образцы с обеспечивается предложенйым изобрете-. низким напряжением пробоя, т.е. имением. Как указывалось выше, емкость ющие высокую концентрацию мелких при- . поддерживается постоянной с точностью - месей. равной стабильности частоты опорного 5 Кроме того, поскольку ширина слоя сигнала генератора 1. При испольэо- объемного заряда в барьере Шоттки ванин в качестве последнего .генера- : или Резком р-и-переходе пропорциотора Г4-102, нестабильность частоты нальна U, изобретение позволяет которого за время порядка периода сле- беэ потери чувствительности по обнарудования заполняющих импульсов (т.е живаемой концентрации глубоких уров1-10 с) 10" от f „, точность по- ней исследовать глубокие уровни, »Ф -7 держания. емкости постоянной также сконцентрированные на малых расстоя«Ч составляет 10 от С, что принципн- ниях от границы раздела, равных шириальио недостижимо в устройствах, не слоя объемного заряда U — U см ° к смиспользующих для выработки 5U д раэ- - 0,5 В. ность амплитуд высокочастотных напря- жений. При всем этом напряжение на

l 6C, входе высокочастотного усилителя гене5 2 f „ s (6). Ратора Равно Ugq 5 мВ при коэффициб 5 енте усиления 200, а на входе

Тогда из (2} - (6) усилителя обратной связи напряжение ц зы„ « 10 мкВ при коэффициенте уси"

Ь <- †»f-.- ., (7) . ления 100 и полосе частот 1 ИГц, оп что позволяет использовать простые

Таким образом, при достаточно вы-, усилители, к которым .не предъявляются сокой частоте Ед„ легко добиться, высокие требования по чувствительчтобы время pt было достаточно малым, ности и уровню шумов. что определяет высокое быстродействие Иннимальное обратное напряжение, устройства. . 5. поДаваемое на образец, определяется

Напряжение 6 6,„; необходимое для амплитудой высокочастотного тестирувыработки напряжения ДБ .„; обеспечива- ющеГо. напряжения иа образце Б,ч . ется существованием только накоплен- Это вызвано тем, что U должно быть еч ной разности фаз, а не разностью значительно. меньше U - U „ U: < . см . -:ьч частот контура автогенератора 8 и,.: 0 . + 0 01(U — U . )„ .где U — контактде к контакт» частоты опорного генератора l. (откло». ная разность потенциалов в исследунеиием емкости исследуемого образца от емом образце. В противном слуЧае начальной). Это позволяет обеспечить . изменение толщины слоя объемного постояноство емкости с точностью, заряда под действием Ц сравйимо с

ЭЧ равйой стабильности частоты опорного, 25 его толщиной. В этом случае изменение генератора 1., : заряда (} в слое объемного заряда

Аналоговый ключ 10 размыкает исследуемого образца при подаче тестицепь обратной связи на время следова-. Рующего напряжения Орч не определяет