Способ контроля потенциалов на границах раздела полупроводниковых гетероструктур

 

Использование: изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля энергетической диаграммы многослойных полупроводниковых структур. Сущность изобретения: при контроле высот барьеров на границах раздела гетероструктур, образец помещают в конденсаторную ячейку, освещают его импульсным светом и постоянной подсветкой определенного спектрального состава, измеряют суммарную фотоЭДС на двух барьерах каждого из гетерослоев и по люксвольтовой характеристике этой фотоЭДС определяют знак и величину барьера. 2 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля энергетической диаграммы слоистых полупроводниковых гетероструктур в процессе изготовления полупроводниковых приборов и микросхем.

Известен способ [1, 2] определения потенциалов (высот барьеров) на границах раздела слоистых полупроводниковых гетероструктур, основанный на измерениях релаксационных кривых фотоЭДС и определений потенциалов путем измерения фотоЭДС насыщения гетероструктур с нанесенными на них с двух сторон прозрачными контактами, через которые пропускается ток, при освещении импульсами света разного спектрального состава (ΔEg₁ <h ν<ΔE_g2, h ν>Δ Eg₂, где hν- энергия фотонов, ΔEg₁ и ΔEg₂- ширина запрещенной зоны материала в гетероструктуры). При каждом импульсе освещения измеряют временную зависимость фотоЭДС до ее насыщения, экстраполируют участки полученных зависимостей после каждого излома к моменту начала импульса освещения и по полученным данным определяют изгибы зон.

Однако этот способ обладает недостатками, ограничивающими область его применения, и в ряде случаев не обеспечивает получение достоверных результатов: 1) Применение его требует нанесения на полупроводниковую структуру с двух сторон токовых контактов, т. е. создания специальных тестовых ячеек, что усложняет технологию, увеличивает расход материалов и не позволяет проводить неразрушающий контроль однородности полупроводниковых структур по площади.

2) Способ не может быть использован для контроля структур, содержащих изолирующие слои (например, МДП-структур или структур, нанесенных на изолирующие подложки).

3) Недостоверность контроля потенциалов, приводящая к снижению точности контроля, проистекающая из-за неверности предпосылки, что в любом случае насыщение фотоЭДС в зависимости от интенсивности освещения связано со спрямлением барьеров.

Однако это справедливо только для одиночного барьера. В слоистых структурах при наличии барьеров, генерирующих фотоЭДС разного знака, насыщение фотоЭДС может наблюдаться при значительно более низких, чем требуется для спрямления барьеров, интенсивностях освещения после выхода, например, двух таких барьеров на логарифмический участок люксвольтовой характеристики (ЛВХ) вида: v_фi= ηi ln Bi L_o , (1) где V_фi - фотоЭДС на i-том барьере, q - заряд электрона, К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура измерений, L_o - интенсивность падающего излучения, ηi ≈1 и B - константы, зависящие от параметров материалов границы раздела и положения барьеров в структуре. Зависимость (1) довольно универсальна для разных типов барьеров и механизм генерации фотоЭДС в широком диапазоне средних освещенностей.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности измерений, расширение класса исследуемых структур способа за счет структур, содержащих изолирующие слои, а также обеспечение возможности неразрушающих измерений.

Цель достигается за счет того, что в способе контроля потенциальных барьеров полупроводниковых гетероструктур, основанном на регистрации зависимости суммарной фотоЭДС структуры при освещении ее одиночными импульсами света с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого слоя, но меньшей ширины запрещенной зоны слоев более широкозонных материалов и определении величины и знака фотоЭДС на отдельных барьерах структуры, в отличие от прототипа, структуру помещают в конденсатор с прижимными прозрачными обкладками, дополнительно освещают постоянной подсветкой с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого слоя, снимают зависимость конденсаторной фотоЭДС от логарифма относительной интенсивности импульсного освещения (люксвольтовую характеристику - ЛВХ), по которой раздельно определяют величину и знак фотоЭДС на переднем и заднем по отношению к импульсному источнику барьерах исследуемого слоя, при этом фотоЭДС одинакового знака на барьерах определяют по наличию на ЛВХ двух линейных участков с наклонами, различающимися в 2 раза, величину фотоЭДС на переднем барьере определяют экстраполяцией участка с меньшим наклоном к максимальной интенсивности освещения, величину фотоЭДС на заднем барьере определяют как разность между измеренным и полученным экстраполяцией значениями фотоЭДС, а фотоЭДС разного знака определяют по наличию одного линейного участка и участка насыщения или спада фотоЭДС на ЛВХ и значения их определяют аналогично, измерения повторяют столько раз, сколько различных по ширине запрещенной зоны материалов содержит структура.

На фиг. 1 приведена энергетическая диаграмма трехслойной полупроводниковой гетероструктуры; на фиг. 2 - расчетная зависимость фотоЭДС насыщения от логарифма интенсивности освещения гетероструктуры nAl_0,65Ga_0,35As/nGaAs.

На фиг. 1 обозначены величины высот барьеров ϕ₁₀, ϕ₁₂, ϕ₂₁, ϕ₂₃, ϕ₃₂, ϕ₃₀, интенсивность падающего на структуру импульсного света L_o, величины ширины запрещенной зоны слоев полупроводниковой структуры ΔE, ΔE, ΔE.

Определение контрольных значений величины и знака фотоЭДС на всех барьерах трехслойной гетероструктуры, значения ширины запрещенной зоны слоев которой удовлетворяют условию ΔE>ΔE>ΔE, слои расположены в порядке возрастания ΔE_g, их толщины превышают длину экранирования и длину диффузии неосновных носителей, основывается на следующем. Наиболее общий случай возникает при определении величины и знака фотоЭДС на двух барьерах ϕ₁₂, ϕ₁₃ промежуточного слоя 2 (фиг. 1), значения фотоЭДС на которых обозначены соответственно V₁₂, V₁₃.

При освещении конденсатора со стороны наиболее широкозонного слоя (слоя 3) импульсом монохроматического света с энергией фотонов ΔE>hν>ΔE по способу (2) практически полностью исключается фотовозбуждение слоя 3 и следовательно вклад этого слоя в суммарную конденсаторную фотоЭДС, однако при конечной толщине слоя 2 вклад в результирующую фотоЭДС будут вносить наряду с барьером ϕ₁₂ не только барьер ϕ₁₃, но и барьеры в слое ϕ₃₁ и ϕ₃₀ (фиг. 1). Хотя интенсивность света, достигающего этих барьеров, может быть ослаблена на много порядков в силу логарифмической зависимости фотоЭДС от интенсивности освещения (1), фотоЭДС на этих барьерах может быть вполне соизмеримой с фотоЭДС на переднем барьере ϕ₁₂ и даже превосходить ее, если высота этих барьеров больше.

Для эффективного подавления вклада в результирующую импульсную фотоЭДС барьеров в слое 3 используют дополнительное освещение структуры со стороны широкозонного слоя постоянным широкополосным излучением с ограниченным верхним пределом энергии фотонов hν<ΔE. Такое излучение, не поглощающееся в слое 3, но эффективно поглощающееся в слоях более узкозонных материалов (если они есть), будет генерировать в них постоянную фотоЭДС, которая не будет регистрироваться измерительной схемой, величина же импульсной фотоЭДС на барьерах, подвергнутых действию подсветки, может быть ослаблена в любое необходимое число раз, причем в силу зависимости (1) для уменьшения импульсной фотоЭДС в несколько раз требуется интенсивность постоянного освещения, меньшая интенсивности импульсного освещения, т. е. постоянная подсветка эффективно уменьшает чувствительность барьера к импульсному освещению.

Таким образом, при импульсном освещении и дополнительной постоянной подсветке, спектральный состав которых указан выше, результирующая импульсная конденсаторная фотоЭДС будет определяться только барьерами в слое 1 V₁ и равна алгебраической сумме V₁ = V₁₂ + V₁₃ (2) а знак ее определяется непосредственно по осциллограмме.

Для раздельного определения величины и знака V₁₂ и V₁₃предлагается измерять зависимость V₁ от интенсивности освещения в широком (3-4 порядка) диапазоне интенсивностей.

Для двух барьеров при η₁₂≈η₁₃≈η и сложении фотоЭДС разных знаков с B₁₂≥В₁₃ барьер ϕ₁₂ сильнее освещен, чем барьер ϕ₁₃ при относительно низких интенсивностях освещения, пока второй барьер работает в линейном режиме и фотоЭДС на нем V₁₃ << V₁₂, суммарная фотоЭДС v₁= v₁₂= ln B₁₂L_o (3)
Однако после выхода второго барьера на логарифмический участок ЛВХ должна наблюдаться фотоЭДС насыщения
v₁= ln, (4) которая не равна разности высот барьеров, причем насыщение этого типа на кривой ЛВХ может происходить при интенсивностях освещения, на много порядков меньших тех интенсивностей, которые требуются для полного спрямления обоих барьеров. Если слабее освещенный барьер имеет параметр η₁₃ > η₁₂, то вместо насыщения может наблюдаться максимум на кривой ЛВХ и даже смена знака суммарной фотоЭДС при достаточно больших интенсивностях освещения.

При сложении двух фотоЭДС одинакового знака с η₁₂≈η₁₃= η и В₁₂>> В₁₃ при относительно низких интенсивностях освещения выполняется зависимость (3), а при выходе второго барьера на логарифмический участок ЛВХ.

v₁= 2 ln (5) т. е. ЛВХ в этом случае, в отличии от первого, имеет два логарифмических участка с различающимися примерно в два раза наклонами.

Таким образом, наличие насыщения или спада фотоЭДС при высоких интенсивностях свидетельствует о том, что V₁₃ имеет другой знак. Так как при достаточно малых интенсивностях освещения в соответствии с (3) логарифмический участок соответствует условию V₁₂ >> V₁₃, то экстраполяцией его к максимальной интенсивности определяется фотоЭДС на этом барьере при максимальной интенсивности L_o. Максимальная фотоЭДС V₁₃, очевидно, равна разности между экстраполированным и фактическим значениям V₁ при максимальной интенсивности освещения.

При наличии двух логарифмических участков на ЛВХ фотоЭДС на обоих барьерах одного знака и их значения, соответствующие максимальной интенсивности освещения, определяются аналогично.

Указанная процедура выделения двух фотоЭДС, генерируемых в каждом отдельном слое, и последующего раздельного определения величины и знака на каждом из барьеров повторяется столько раз, сколько имеется гетерослоев. Однако при определении значений фотоЭДС в наиболее узкозонном материале структуры, очевидно, отпадает необходимость в применении постоянной подсветки, а при определении значений фотоЭДС в наиболее широкозонном материале снимается ограничение на верхний предел энергии фотонов импульсного освещения.

Способ был опробован на гетероструктуре nAl_0,65Ga_0,35As (пленка) nGaAs (подложка). Параметры подложки и пленки были соответственно: толщина 300 и 2 мкм, концентрация электронов 5 ˙10¹⁷ и 10¹⁰ см^-3, ΔE= 1,42 эВ и ΔE = 2,25 эВ (для прямых переходов). Определенная предлагаемым способом энергетическая диаграмма гетероструктуры представляет часть диаграммы, приведенной на фиг. 1 (слои 1, 2). Задача контроля заключалась в определении величины и знака фотоЭДС на четырех барьерах структуры ϕ₁₃, ϕ₁₂, ϕ₂₁ и ϕ₂₀.

Источником импульсного света служила фотовспышка ФИЛ-107. Для подсветки использовалась лампа накаливания. Выделение нужных областей спектра производилось с помощью светофильтров. Релаксационные кривые импульсов фотоЭДС регистрировались на запоминающем осциллографе С8-11. В качестве обкладок измерительного конденсатора использовались пластинки слюды толщиной 20 мкм с нанесенным на них полупрозрачным проводящим слоем SnO₂, которые прижимались со стороны слюды к исследуемой структуре. Площадь конденсатора ≈0,5 см^-2, но при необходимости может быть уменьшена. Для неискаженной передачи величины и формы конденсаторной фотоЭДС необходимо выполнение условия R_н ˙С >>Δ t, где R_н- сопротивление нагрузки; С - емкость измерительного конденсатора; Δt ≈3 мс - длительность светового импульса.

Контрольные значения фотоЭДС на четырех барьерах структуры определялись следующим образом.

1. Для определения величины и знака фотоЭДС на барьерах ϕ₁₂ и ϕ₁₃ структура освещалась импульсом света через фильтр КС-10, не пропускающий излучение с hν> 2,05 эВ, т. е. реализовалось условие hν< ΔEg₂. Зависимость фотоЭДС от интенсивности освещения в этих условиях приведена на фиг. 2 (кривая 1). Знак фотоЭДС положительный, что свидетельствует об изгибе зон на барьере ϕ₁₂ вверх. Экстраполяцией логарифмического участка кривой, имеющего наклон η≈1, к максимальной интенсивности освещения, получаем максимальное значение фотоЭДС на этом барьере V₁₂ = 0,37В. Наличие насыщения на кривой 2 указывает на то, что фотоЭДС V₁₃ имеет отрицательный знак, означающий, что изгиб зон на барьере ϕ₁₃ также вверх, и ее величина, определенная как разность между экстраполированным и измеренным значениями фотоЭДС, составляет 0,06 В.

2. Для определения величины и знака фотоЭДС на барьерах ϕ₂₁ и ϕ₁₀ структура подвергалась импульсному освещению через фильтр СЗС-21 с пиком пропускания около 2,7 эВ, т. е. hν>ΔE и дополнительно подсвечивалась постоянным светом лампы накаливания, пропущенным через фильтр из пленки СdTe(ΔE< hν< 1,5эВ <ΔE). Зависимость фотоЭДС от интенсивности импульсного освещения приведена на фиг. 1 (кривая 2). ФотоЭДС на поверхностном барьере в пленке AlGaAs положительная (изгиб зон вверх) и составляет 0,26 В при максимальном освещении. ФотоЭДС на внутреннем барьере ϕ₃₁ отрицательная (изгиб зон вверх) и составляет 0,06 В. Сводные данные о знаке и значениях фотоЭДС на барьерах исследованной структуры приведены в таблице. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1001236, кл. H 01 L 21/66, 1983.

2. Авторское свидетельство СССР N 1297133, кл. H 01 L 21/66, 1987.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОТЕНЦИАЛОВ НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР, включающий освещение структуры импульсами света с энергией квантов hν₁ , большей ширины Eg₁ запрещенной зоны материала одного из слоев образующих структуру и меньшей ширины Eg₂ запрещенной зоны более широкозонного материала, измерение зависимости фотоЭДС от времени до ее насыщения, определение на основе измерений потенциалов на границе раздела гетероструктуры, повторение освещения и измерения столько раз, сколько различающихся по ширине запрещенной зоны материалов слоев содержит структура, причем энергию квантов при каждом последующем импульсе освещения устанавливают большей энергии запрещенной зоны последовательно каждого из этих материалов слоев из условия увеличения числа поглощающих материалов слоев на один, отличающийся тем, что, с целью осуществления возможности измерения параметров структур, содержащих изолирующие слои, неразрушающих измерений и повышения их достоверности, структуру помещают в конденсаторную ячейку, интенсивность импульсного освещения выбирают меньшей интенсивности, необходимой для спрямления барьеров, дополнительно освещают структуру со стороны более широкозонного материала слоя постоянным светом с энергией квантов hν₂<Eg , а измеряют зависимость фотоЭДС насыщения от интенсивности овещения, по которой судят о потенциалах на границах раздела слоев гетероструктур.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3