Способ определения электрофизических параметров слоя арсенида галлия на полуизолирующей подложке

 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано в производстве полевых транзисторов с барьером Шотки при измерении толщин субмикронных слоев арсенида галлия n-типа на полуизолирующей подложке. Сущность изобретения: измерение профиля распределения падения напряжения в области пространственного заряда (ОПЗ) электролитического барьера, сформированного на поверхности контролируемого слоя арсенида галлия, проводят при его локальном гальваностатическом аподировании с облучением импульсным белым светом, создающим освещенность в импульсе не менее 7000 лк. При этом падение напряжения на ОПЗ определяют по величине скачка анодного напряжения, происходящего в момент изменения освещенности. Причем в промежутках времени между импульсами устанавливают освещенность в диапозоне 600 ... 2000 лк. 4 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при определении толщин тонких слоев арсенида галлия n-типа проводимости.

Известен дифференциальный вольт-фарадный метод определения профиля концентрации носителей заряда полупроводникового слоя, заключающийся в создании на его поверхности барьера Шоттки (p-n-перехода) и измерении вольт-фарадных характеристик последнего [1].

При контроле с его помощью достаточно толстых сильнолегированных слоев необходимо применять послойное травление образца. Это сильно отягощает процесс измерений и не позволяет отнести его к числу неразрушающих.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения электрофизических параметров слоя арсенида галлия на полуизолирующей подложке, включающий локальное гальваностатическое анодирование контролируемого образца при периодическом освещении его белым светом с освещенностью не менее 7000 лк в импульсе, измерение в момент включения света скачка напряжения на ячейке, напряжения при освещенности не менее 7000 лк и определение по полученным результатам толщины слоя [2].

В известном способе величину скачка напряжения на электрохимической ячейке ΔU определяют в момент перехода от полной темноты, когда освещенность Е_о = 0, к освещенности Е_max ≥ 7000 лк. Величину ΔU принимают за напряжение пробоя электролитического барьера U_пр.

Если при измерении выполняется условие d > d_опз^o, (1) где d - толщина контролируемого слоя; d_опз^о - ширина области пространственного заряда (опз) при пробое барьера, то на кривой зависимости U_пр от глубины анодирования Х (профиле U_пр) выявляется плато - участок U_пр = const. Из профиля U_пр, полученного на таких толстых слоях, определяют d и концентрацию носителей заряда N в этом слое.

В случае тонких слоев арсенида галлия, для которых d ≅ d_oпз^o, профиль U_пр имеет вид монотонно изменяющейся функции во всем диапазоне Х. Из такого профиля U_пр невозможно определить ни d, ни N.

Большое количество практически очень важных типономиналов структур арсенида галлия содержит тонкие слои, не удовлетворяющие условию (1). Поэтому такие структуры вследствие недостаточной чувствительности способа не могут быть измерены с его помощью. В первую очередь это относится к субмикронным структурам арсенида галлия на полуизолирующей подложке n_a-n^-_б -i- и n⁺_к -n_a-n_б^- -i-типов для СВЧ полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТШ) и интегральных микросхем на их основе.

Типичные значения концентрации носителей заряда в активных слоях таких структур лежат в диапазоне (1 - 3) 10¹⁷ см^-3, а толщины их - 0,2 - 0,5 мкм.

Расчетным путем легко показать, что ширина опз при пробое барьера в указанных активных слоях изменяется в пределах 0,47-0,19 мкм. Этот результат подтверждается и измерениями известным способом: плато на профиле U_пр удается получить лишь при толщинах активного слоя около 0,5 и 0,22 мкм соответственно.

При оценке чувствительности способа по величине произведения N d² с этим результатом согласуется ее минимальное значение 1,5 ˙ 10⁸ см^-1. Очевидно, чем меньше это произведение, тем выше чувствительность способа.

Целью изобретения является повышение чувствительности при определении толщин активных слоев структур арсенида галлия на полуизолирующей подложке.

Это достигается тем, что по способу определения электрофизических параметров слоя арсенида галлия на полуизолирующей подложке, включающему локальное гальваностатическое анодирование контролируемого образца при периодическом освещении его белым светом с освещенностью не менее 7000 лк в импульсе, измерение в момент включения света величины скачка напряжения на ячейке, напряжения при освещенности не менее 7000 лк и определение по полученным результатам толщины слоя, согласно изобретению устанавливают в промежутках между импульсами освещенность в диапазоне 600-2000 лк.

В темноте величина d_опз^о определяется термически равновесной концентрацией носителей заряда в арсениде галлия, а при Е_max ≥ 7000 лк она становится равной нулю. Очевидно, что при промежуточных значениях освещенности Е_п (О < E_п <E) ширина опз (d_опз^Е) должна отличаться от нуля, но быть заведомо меньше d_опз^о. Поэтому в тех случаях, когда не обеспечивается условие (1), может выполняться условие d > d_опз^Е (2) При освещенности в промежутках времени между импульсами света Е_п > 0 величину скачка напряжения на электрохимической ячейке в момент включения света нельзя отождествлять с напряжением пробоя барьера U_пр. Поэтому обозначим величину этого скачка как U_опз^Е.

Профиль U_опз^Е снимается аналогично профилю U_пр: в процессе анодирования проводят многократные измерения скачков напряжения на ячейке при изменении освещенности от Е_п до Е_max, а также напряжения на ячейке при освещенности Е_max.

Если условие (2) выполняется, то при имеющем место большом различии концентрации носителей заряда в активном и буферном слоях структуры арсенида галлия на профиле U_опз^Е появляется при некоторой промежуточной освещенности участок плато или точка перегиба.

По найденной из графика абсциссе края плато или точки перегиба определяют толщину слоя (активного или активного вместе с контактным).

На первый взгляд целесообразно проводить измерения при максимально высоком значении Е_п, когда d_опз^Е минимальна и, следовательно, достигается наивысшая чувствительность способа. Однако на практике, начиная с некоторой предельной величины промежуточной освещенности, наблюдается систематическое завышение найденных значений толщин по сравнению с таковыми, полученными вольт-фарадным методом. Это можно объяснить эффектом модуляции толщины активного слоя за счет уменьшения ширины опз на границе его с буферным слоем вследствие оптической перезарядки глубоких уровней.

Толщину активного слоя d_а в структурах n_a - n_б^- -i-типа и суммарную толщину активного и контактного слоев d_а+к в структурах n⁺_к -n_a-n^-_б-i-типа рассчитывают из профиля U_опз^Е по формуле d_a или d_а+к = Х_тп + d_опз^Е(U_опз,тп^Е), (3) где Х_тп - абсцисса точки перегиба или края плато на профиле; U_опз,тп^Е - значение U_опз^Е в точке перегиба (на плато) на профиле; d_опз^Е(U_опз,тп^Е) - ширина опз, рассчитанная по формуле, используемой в [2], при допущении, что U_пр = U_опз,тп^Е + 0,85 (В).

Диапазон Е_п определяли экспериментально на стандартных эпитаксиальных структурах арсенида галлия для ПТШ с параметрами, не удовлетворяющими условию (1). Для этого сравнивали толщины их активных слоев, найденные вольт-фарадным методом и из профилей U_опз^Е при различных значениях Е_п.

Из экспериментальных данных следует, что при Е_п > 2000 лк толщины, определяемые из профиля U_опз^Е, значительно превышают таковые, найденные вольт-фарадным методом. Поэтому во избежание больших систематических ошибок Е_п не должна превышать 2000 лк.

На фиг. 1 показано устройство для осуществления способа определения электрофизических параметров слоя арсенида галлия; на фиг.2 приведены световая характеристика источника периодического света (а) и графическая иллюстрация синхронных изменений освещенности и анодного напряжения на ячейке (б), где штриховая линия - известный способ, сплошная линия - новый способ, стрелками отмечены ↑ - моменты включения света и ↓ - моменты измерения анодного напряжения, τ_и - длительность импульсов, U_о- анодное напряжение на ячейке в темноте; на фиг.3 и 4 представлены профили U_пр и U_опз^Е, полученные на образцах соответственно n_a- n_б^- -i- и n_к⁺-n_a-n_б^- -i-типов: I - профили U_пр, II - профили U_оп^Е_з при Е_п = 1300 лк.

Заявляемый способ определения электрофизических параметров слоя арсенида галлия может быть реализован с помощью устройства (фиг.1), содержащего блок электрохимической ячейки (БЭЯ) и блок освещения (БО). БЭЯ содержит предметный столик 1, алюминиевый жиклер 2 с электролитом 3, который через отверстие 4 диаметром 2 мм контактирует с поверхностью контролируемого образца 5, уплотнительное диэлектрическое кольцо 6, прижимной контакт 7, тумблер 8, источник 9 постоянного тока, а также измерители напряжения 10 и тока 11. БО содержит два источника 12 и 13 стабилизированного напряжения, диод Д, кнопку 14, измеритель 15 напряжения накала лампы, лампу 16 накаливания и конденсатор 17.

При отжатой кнопке 14 от источника 12 на лампу подается напряжение 0-6 В, обеспечивающее необходимую промежуточную освещенность Е_п. При нажатой кнопке 14 диод закрыт, источник 12 отключен от лампы, а от источника 13 на лампу подается напряжение, обеспечивающее Е_max ≥ 7000 лк.

Электролитом служит 3%-ный водный раствор лимонной кислоты с рН 6,5 ± 0,5, смешанный с пропиленгликолем в соотношении 1:2. Площадь электролитического контакта составляет 3 мм². Анодирование осуществляется в гальваностатическом режиме при токе 30 мкА. Освещенность измеряют с помощью люксметра Ю-116. Для удобства работы снимали зависимость освещенности образца от напряжения на лампе при строго фиксированном положении ее относительно отверстия 4.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Контрольную пластину 5 помещают на предметный столик 1, к ее поверхности прижимают жиклер 2 с электролитом. Стабилизатором 9 тока задают рабочий ток 30 мкА, а на источниках 12 и 13 по вольтметру 15 устанавливают напряжение на лампе 16, обеспечивающее освещенность Е_п, равную 1300 лк, и соответственно Е_max не менее 7000 лк. После включения тумблера 8 с периодичностью 0,5-2 мин нажимают на 1-2 с кнопку 14. Каждый раз с помощью вольтметра 10 в момент нажатия кнопки определяют величину скачка напряжения на ячейке и напряжение при освещенности не менее 7000 лк.

Скачок напряжения U_опз^Е (см. графическую иллюстрацию на фиг.2) определяют как разность анодных напряжений, измеренных при промежуточной освещенности (U_п) и при освещенности не менее 7000 лк (U_max), т.е. U_опз^Е= U_п - U_max. Измерения прекращают после того, как на профиле U_опз^Епоявится круто восходящая ветвь, указывающая на проникновение опз в буферный слой.

На каждом контрольном образце известным способом [2] снимают также профили U_пр, для чего на источнике 12 устанавливают U_н = 0.

Вид кривых I на графиках свидетельствует о том, что контрольные образцы имеют тонкие активные слои и известный способ не обладает достаточной для их контроля чувствительностью. С помощью кривой I на фиг.4 могут быть определены параметры d_к и N_к лишь контактного n_к⁺ слоя, который благодаря высокой концентрации носителей заряда попадает в разряд толстых.

Из профилей U_опз^Е (кривые II) определяют абсциссы точек перегиба Х_тп. На фиг.3 и 4 они отмечены вертикальными стрелками. Затем по формуле (3) рассчитывают значения толщин d_a и d_a+к.

Чувствительность нового способа в единицах N d² лежит в диапазоне (1-1,4) ˙ 10⁸ см^-1, что существенно выше чувствительности известного способа.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ НА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕЙ ПОДЛОЖКЕ, включающий локальное гальваностатическое анодирование контролируемого образца при периодическом освещении его белым светом с освещенностью не менее 7000 лк в импульсе, измерение в момент включения света величины скачка напряжения на ячейке и напряжения при освещенности на ячейке не менее 7000 лк и определение по полученным результатам толщины слоя, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, устанавливают в промежутке между импульсами освещенность в диапазоне 600 - 2000 лк.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4