Способ определения степени релаксации барьерного слоя нитридной гетероструктуры
Владельцы патента RU 2624604:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) (RU)
Изобретение относится к электрофизическим способам определения степени релаксации барьерного слоя нитридной гетероструктуры и применяется для оценки качества кристаллической структуры, в которой наблюдается пьезоэлектрическая поляризация. Техническим результатом данного изобретения является возможность использовать способ измерения вольт-фарадных характеристик для определения степени релаксации и, таким образом, неразрушающим способом определить степень релаксации в тонком (меньше 50 нм) барьерном слое нитридной гетероструктуры. Степень релаксации определяется из отношения значений пьезоэлектрических составляющих поляризации, определенных из эксперимента через измерение вольт-фарадных характеристик и из модифицированной модели Амбахера. 3 ил., 1 пр.
Изобретение относится к электрофизическим способам определения степени релаксации барьерного слоя нитридной гетероструктуры и применяется для оценки качества кристаллической структуры, в которой наблюдается пьезоэлектрическая поляризация.
Известен способ рентгеновской дифракции [1], который позволяет определить степень релаксации в слое. Сущность способа заключается в том, что установка рентгеновской дифракции включает зеркало, имеющее отражательную поверхность, которая сформирована так, чтобы угол в плоскости, параллельной плоскости дифракции, между тангенциальной линией отражательной поверхности, в любой точке на отражательной поверхности, и линейным отрезком, соединяющим любую точку и образец, стал постоянным, и плоскость кристаллической решетки, которая обуславливает отражение, была параллельна отражательной поверхности в любой точке на отражательной поверхности; рентгеновский детектор является одномерным, позиционно-чувствительным в плоскости, параллельной плоскости дифракции; и относительное взаимное расположение зеркала и рентгеновского детектора определено в плоскости, параллельной плоскости дифракции так, чтобы отраженные рентгеновские лучи от различных точек на отражательной поверхности зеркала достигали различных точек на детекторе рентгеновского излучения соответственно. Этот способ не применим для тонких слоев (меньше 50 нм) и требует очень дорогостоящего оборудования.
Известен способ [2, 3] просвечивающей электронной микроскопии, который позволяет определить плотность дислокаций и оценить степень релаксации в слоях. Он заключается в том, что электронный луч формирует изображение с помощью дифрагированной волны. Недостатком способа является то, что он относится к разрушающим.
Известен способ [4] автоматического измерения распределения плотности носителей с помощью вольт-фарадных характеристик МОП транзистора, включающий вычисление толщины обедненного слоя и плотности примеси. В основе способа лежит исследование емкости полупроводниковой структуры как функции напряжения, модулированного высокой частотой, на затворе. Однако он дает лишь общие представления о качестве гетероструктуры не позволяя определить точное значение степени релаксации в данном слое.
Техническим результатом данного изобретения является возможность использовать способ измерения вольт-фарадных характеристик для определения степени релаксации и, таким образом, неразрушающим способом определить степень релаксации в тонком (меньше 50 нм) барьерном слое нитридной гетероструктуры.
Технический результат достигается за счет того, что проводится измерение вольт-фарадных характеристик исследуемой гетероструктуры. В основе измерения лежит исследование дифференциальной емкости гетероструктуры как функции напряжения, модулированного высокой частотой, на затворе. Дифференциальная емкость гетероструктуры обусловлена наличием области пространственных зарядов в приповерхностной области гетероструктуры, поэтому измерение дифференциальной емкости основано на эффекте поля. В связи с этим для измерения емкости на гетероструктуру подается два сигнала. Первый сигнал вырабатывает напряжение смещения, обеспечивающее поддержку рабочей точки прибора (определенный изгиб зон), второй - измерительный сигнал в виде переменного напряжения, который позволит измерить дифференциальную емкость гетероструктуры. Блок-схема установки, на которой проводятся измерения, показана на фиг. 1. Установка состоит из ртутного зонда или зондового стола (1), LCR измерителя (2) и ЭВМ (3) для анализа полученных результатов. Потом методом дифференцирования, используя результаты измерений вольт-фарадных характеристик, определяется значение поляризации в исследуемой гетероструктуре по следующему выражению:
где ε - диэлектрическая проницаемость, εо - диэлектрическая постоянная, U - напряжение смещения на контакте Шоттки, х - глубина, определенная по выражению для плоского конденсатора.
Применяя модифицированную модель Амбахера, определяются значения пьезоэлектрической и спонтанной составляющих поляризации в условиях модели Амбахера. Модификация модели Амбахера заключается в замене полностью упруго деформированного слоя GaN, выращенного на полностью релаксированном слое AlGaN, на полностью упруго деформированный слой AlN, выращенный на полностью релаксированном слое GaN. Модель Амбахера применима, если барьерный слой нитридной гетероструктуры полностью упруго деформирован. Такое условие в реальности невыполнимо. Так как спонтанная составляющая поляризации присутствует всегда (это свойства самого материала), то вычитая ее из значения поляризации, определенного с помощью измерений, получаем реальное значение пьезоэлектрической составляющей поляризации в исследуемой гетероструктуре. Степень релаксации определяется из отношения значений пьезоэлектрических составляющих поляризации, определенных из эксперимента через измерение вольт-фарадных характеристик и из модифицированной модели Амбахера, согласно следующему выражению: 
где Рехр - определенное из эксперимента значение поляризации, Psp и Ppz - спонтанная и пьезоэлектрическая составляющие поляризации, определенные из модели Амбахера.
Фиг. 1. Блок-схема установки, на которой проводятся измерения.
Фиг. 2. Схема нитридной гетероструктуры в поперечном разрезе (вид сбоку), используемая для проведения эксперимента.
Фиг. 3. Вольт-фарадная характеристика нитридной гетероструктуры, используемой для проведения эксперимента.
Пример. Имеется нитридная гетероструктура (фиг. 2). Подключаем ее с помощью ртутного зонда к LCR измерителю, согласно блок-схеме (фиг. 1). Проводим измерения вольт-фарадной характеристики с помощью LCR-измерителя, получая следующую вольт-фарадную характеристику (фиг. 3). Применив выражение для определения поляризации, получаем значение поляризации в барьерном слое, равное Рехр=-0,095 Кл/м2.
Используя выражения модели Амбахера, получаем Psp=-0,09 Кл/м2 и Ppz=-0,052 Кл/м2.
Используя выражение (2), получаем значение для степени релаксации
Источники информации
1. Патент RU 2449262 С2; МПК G01N 23/207.
2. Ambacher О. Growth and applications of Group Ill-nitrides / J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. - V. 31. - P. 2653-2710.
3. Югова Т.Г., Мильвидский М.Г., Вдовин В.И. Дефектообразование в эпитаксиальных гетероструктурах Ge1-xSix/Ge (111) / Физика твердого тела. 2004. - Т. 46. Вып. 8. - С. 1476-1483.
4. Патент US 7489157 B2; МПК G01R 31/26.
Способ определения степени релаксации барьерного слоя нитридной гетероструктуры, включающий измерение вольт-фарадных характеристик и определение значения поляризации и ее составляющих (пьезоэлектрической и спонтанной) в исследуемой гетероструктуре, отличающийся тем, что степень релаксации выражается из отношения значений пьезоэлектрических составляющих поляризации, определенных из эксперимента через измерение вольт-фарадных характеристик и из модифицированной модели Амбахера.
