Способ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-п-перехода
Сущность изобретения: Подают на р-ппереход 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
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)з Н 01 1 21/66
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
"". :-".,30, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1"
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4
4 фь. (21) 4849740/25 (22) 18.07.90 (46) 07.11.92. Бюл. ¹ 41 (71) Физико-технический институт им.
А.Ф. Иоффе (72) А,А.Лебедев (56) 1. Берман Л.С. и др, Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках, М.: Наука, 1981,.с.16 — 26.
2. Павлов Л,П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов, М.:
Высшая школа, 1987, с.172 — 182. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В БАЗОВОЙ
ОБЛАСТИ р-и-ПЕРЕХОДА (57) Сущность изобретения: Подают на р-ипереход импульс прямого напряжения с амплитудой, большей контактной разности потенциалов р-и-перехода V< длительностью, большей времени перезарядки г<, Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может найти применение при определении параметров структур с р-и-переходами любых полупроводниковых материалов.
Концентрация носителей в базовой области р-и-перехода является одной из основных характеристик полупроводниковых приборов, так как она определяет коэффициент усиления транзисторов, КПД светодиодов, Знание и необходимо при проектировании и разработке большинства активных полупроводниковых приборов.
Известен способ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-п-перехода, основанный на эффекте Холла (1). Эффектом Холла обусловлено возник„„Я3 „„1774397 А1 барьерной емкости р-и-перехода. Через время задержки гзад подают прямоугольный импульс обратного напряжения амплитудой, равной (3-5) U<<, длительностью ц<, где т, ат„ Q (Q — постоянная времени перезарядки глубоких центров за счет термической ионизации). Измеряют величины барьерной емкости р-и-перехода c(t>) и с(т ) во время подачи импульса обратного напряжения в фиксированные моменты времени т1 и t2, (t> < tz), определяют величину Л С =
=С(Т ) — С(Т2). Повторяют операции способа, изменяя время задержки между подачей прямого и обратного импульса. Определяют время задержки, при котором Л с начинает уменьшаться, и время задержки, при котором h,c становится равно нулю. Искомую величину определяют из математической зависимости. новение в полупроводнике под действием магнитного поля поперечной ЭДС при протекании через него электрического тока. Величина этой ЭДС будет пропорциональна концентрации носителей заряда и. Данный . метод не может быть применим для исследования готовых р-п-переходов, поэтому измерение концентрации носителей заряда в базовой области должно проводиться до создания р-и-перехода. Однако в процессе получения области полупроводника с другим типом проводимости происходит неконтролированное легирование базовой области и, следовательно изменение величины и. Поэтому данный метод неточен и может использоваться лишь для приблизительной оценки.
1774397
40
Известен также способ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-п-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)Uк, где Ук— контактная разность потенциалов р-и-перехода, измерения барьерной емкости и-р-пе— г 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 — NB = n. (1)
Но условие (1) выполняется только для указанных полупроводников (Ge, Si), основные 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 экцепторов велики, в рабочем для полупроводниковых приборов диапазоне температур полной ионизэции примеси не наступает, но условие (1) нарушается (n < Nd— — Naj и определение концентрации носителей заряда в базовой области р-и-перехода данным методом будет невозможно, Цель изобретения — расширение класса исследуемых полупроводниковых материалов за счет обеспечения возможности определения концентрации носителей заряда в базовой области р-и-переходов на основе широкозонных полупроводников.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе определения концентрации носителей заряда в базовой области р-и-перехода путем подачи на р-и-переход прямоугольных импульсов обратного напряжения амплитудой U, равной (3 — 5) U<, определения величины барьерной емкости р-и-перехода и определения расчетным путем искомого параметра, на р-и-переход подают импульс прямого напряжения амплитудой U» U» с длительностью t>, большей постоянной времени перезарядки барьерной емкости т„ р-п-перехода, импульс обратного напряжения с постоянной времени задержки г„д, равной нулю, с длительностью ta, т, 5 z> < Q . где Q — постоянная времени перезарядки глубоких центров, измеряют величину барьерной емкости р-и-перехода С() в момент времени
О1, т0 ti r, величину емкости р-и-перехода C(t2) в момент времени t2 t1 < tz т„, величину Л С = C(tt) — C(tz) = Л См, где ACM— максимальное значение Ь С при т„д, равной нулю, повторяют подачу прямого и обратных импульсов. изменяя время задержки обратного. импульса, фиксируя величину времени задержки гз д, при которой величина h,C начинает уменьшаться. и +aa+2, и ри которой
Л С становится равной нулю. и искомую величину определяют из соотношения
1 ив (эад2 тэад1) чт гор(п) где и — концентрация носителей заряда в базовой области р-п-перехода, VT — тепловая скорость носителей заряда, oð(ä) — сечение захвата дырок {электронов) на глубокий центр, U — контактная разность потенциалов р-п-перехода.
Сущность изобретения заключается в следующем, Концентрация носителей заряда в базовой области определяют постоянную времени перезарядки глубоких центров
z: (2)
n ° Чт %(р)
Таким образом. задача сводится к определению т. Емкость р-и-структуры определяется койцентрацией мелких и глубоких электрических активных центров в области р-п-перехода, После подачи на р-и-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-структура 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 tt и tz после окончания импульса инжекции
С е11/О М е 2/О = М (е- 1/Π— е 2 О) =ЛСм, (3) где М вЂ” полная емкость р-п-перехода, обусловленная ГЦ.
Если между окончанием импульса прямого напряжения и началом импульса обратного прошло время т„д, 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
1774397 базе р-и-структурыы равно нулю, захватом носителей из зоны с погтоянной времени т.
После окончаниЯ 7зэд и начала импУльса обратного напряжения электрическое, поле выталкивает свободные носители в квазинейтральную область р-п-перехода, и второй процесс прекращается. Следовательно, КОГДа 7зэд <0 ВЫРажЕНИЕ(3) МОЖНО ПЕРЕПИсать:
ЛС=Ме " 6" "— М .е2 =
/ = M ее11/. (e 1 е12 } = й4См, (4) когДа 7»д ((7. ЛС =ЛС когда 7„д > ) 7, Л С = О, Таким образом, как видно из (4) и (5), измеРЯЯ зависимость ЛС = f (7зэд) и фиксируя величины 7»д, когда ЛС начнет уменьШатЬСЯ (7зэд1) И СтаНЕт РаВНОй НУЛЮ (7»д2) можно найти искомую величину
1 и= (б) (7зэд2 7зад1} U ОГ(П)
Данным методом можно измерять концентраци1о носителей заряда в базовой области р-и-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 ) Us и длительностью 71, большей
7р, обусловленной необходимостью перезарядки ГЦ в базовой области р-и-перехода для появления релаксации барьерной емкости (7р = RC — постоянная времени переходных процессов, где R — сопротивление базовой области р-и-перехода и контактов, С вЂ” полная емкость р-п-перехода), Существенным признаком является измерение емкости в моменты времени t1 и 12, 7р (tl (7и И t1 (t2 < 7>.
Существенным признаком данного способа является повторное измерение С(11) и
C(t2) ПРИ РаЗЛИЧНЫХ ВЕЛИЧИНаХ 7зэд. ЭтО ПОзволяет расчетным путем найти искомую величину n:
1 и (7зад2 7зад1) Ч ГГр(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 отра5
55 жены в публикациях . Однако, находясь в другой совокупности признаков, отличной от заявляемой, в известных решениях достигается отличный от данного случая положительный эффект. Так, в (4) иэ измерений амплитуд релаксации емкости определялась концентрация перезаряжающихся ГЦ.
Только вся совокупность заявляемых признаков в результате их взаимовлияния позволяет выявить новую функциональную зависимость концентрации перезаряжающихся ГЦ от длительности задержки между импульсами прямого и обратного напряжения, что дает возможность измерять KQM центрацию носителей заряда в базовой области р-и-перехода на основе как узкозонных, так и широкозонных полупроводников.
Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию "существенное отличие".
Предлагаемый способ был реализован при определении концентрации носителей заряда в базовой области р-и-перехода на основе карбида кремния политипа 6Н, Эти структуры были выбраны. так как SiC является широкозонным полупроводником (UJvlрина запрещенной зоны для 6Н вЂ” SiC npu
300 К составляет 3,02 эВ), Исследовавшаяся р-n -структура была получена эпитаксиальным наращиванием рслоя, легированного в процессе роста Al, на исходную подложку из SiC и-типа проводимости. Контактная разность потенциалов полученного р-и-перехода составляла 2,4 эВ. Постоянная времени перезарядки ГЦ
Q = 50 мс, тепловая скорость носителей Чт =
=10 см/с, сечение захвата электронов на
7 уровень 10 см, Постоянная времени пе-11 реходных процессов 7р - 10 с. На р-и-переход подавали импульсы прямой полярности амплитудой 3 В и длительностью 30 мкс. Затем со временем задержки
7зад = О бЫЛ ПадаН ИМПУЛЬС ОбратНОГО НаПряжения амплитудой 8 В и длительностью 40 мс. B момент времени t1 = 10 мс была измерена емкость р-и-перехода С(т1) = 156,4 пФ, а в момент времени t2 = 30 мс — емкость р-и-перехода C(t2) = 147 пФ. Величина C(t1)—
-C(t2) = 156,4 — 147,3 = 7,1 п Ф. После повторения измерения при различных г»д было обнаружено, что величина Л С начинает
УменьшатьсЯ пРи 7зэд1 = 180 мкс и становилась Равной нУлю и Ри 7зад2 = 17 мс, ИскомаЯ величина была определена из соотношения п (1,7 10, — 18 10 ) 10 3 10
= 1,96 10 см
1774397
Составитель А.Лебедев
Техред М.Моргентал Корректор П.Гереши
Редактор Б.Федотов
Заказ 3930 Тираж Подписное
8НИИПИ Государственного комитета по.изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101
Таким образом, концентрация носителей заряда в базовой области р-и-перехода составила2 101 см . Как видноиэпримера конкретной реализации, по сравнению с прототипом заявляемый способ обеспечивает измерение концентрации носителей заряда в базовой области р-и-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-про тотип. . Формула изобретения
Способ определения концентрации носителей заряда в базовой области р-и-перехода, включающий подачу на р-п-переход прямоугольных импульсов обратного напряжения амплитудой U, равной (3-5)U», измерение барьерной емкости р-и-перехода и определение искомого параметра расчетным путем, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых материалов в область широкозонных полупроводников, предварительно на р-и-переход подают импульс прямого напряжения амплитудой U» О» длительностью х, большей времени перезарядки то барьерной емкости р-п-перехода, длительность прямоугольного импульса обратного напряжения задают равной t>, где т, <
10 -C(t2) от времени задержки гззд между импульсами прямого и обратного напряжений при изменении гззд от нуля до величины, при которой ЬС становится равной нулю, а искомую величину определяют по формуле
15 1 (Тзад2 Тззд1) Чт (Tp(fl) где n — концентрация носителей заряда в базовой области р-и-перехода:
Фззд — величина времени задержки, при
20 которой величина Ь С начинает уменьшаться;
tsagp — величина времени задержки, при которой Ь С становится равной нулю;
v> — тепловая скорость носителей заряда;
Оя(п) — сечение захвата дырок (электронов) на глубокий центр;
0» — контактная разность потенциалов
30 р n-nepe®ода
