Спосіб визначення концентрації незаповнених глибоких центрів

Спосіб визначення концентрації незаповнених глибоких центрів, що включає вимірювання вольтфарадної характеристики та визначення шуканої величини за математичною формулою, який відрізняється тим, що вимірюється сімейство вольтфарадних характеристик у темряві та при різних інтенсивностях інфрачервоного освітлення, визначаються точки перегину вольт-фарадних характеристик, в яких вони стають з опуклих униз опуклими догори, за цими точками перегину будується залежність збільшення DhI ширини провідного каналу під дією інфрачервоного освітлення від інтенсивності Ip цього освітлення з використанням 2 3 Відомі способи діагностики глибоких центрів поблизу межі плівка-підкладка з застосуванням струмової релаксаційної спектроскопії глибоких рівнів (Sengouga N., Jones В.К. Modeling the transient response of channel-substrate interface traps to gate voltage steps in GaAs FETs // SolidState Electronics. - 1993. - V. 36, No 2. - P. 229-236; Sengouga N., Jones B.K. Modeling of the transient response of substrate traps to the substrate voltage in GaAs FET's // IEEE Transtions on Electron Devices. 1993. - V. ED-40, No 3. - p. 471-478). Однак ці способи є досить громіздкими, потребують складного обладнання та можуть опинитися не сумісними з технологічним циклом виготовлення приладів. Крім того, вони потребують наявності омічних контактів, що не дозволяє використовувати їх для контролю вихідних напівпровідникових пластин перед виготовленням приладів. Тому найбільш придатним рішенням здається розробка способу визначення концентрації Nvac, основаного на вольт-фарадних вимірюваннях, що не потребують омічних контактів і, отже, можуть проводитися на вихідних напівпровідникових пластинах до виготовлення приладів. На цей час відоме велике число вольтфарадних способів діагностики глибоких центрів: ємнісна релаксаційна спектроскопія глибоких рівнів та її модифікації, що враховують на так званий λ-ефект, метод постійної ємності, метод термостимульованої релаксації ємності, метод фотоємності тощо. Однак всі вони розроблені для об'ємних напівпровідників, де зондуючий край області збідніння бар'єра Шоткі межує з нейтральним напівпровідником. В тонкоплівкових же структурах на межі поділу плівка-підкладка обов'язково утворюється область у будованого просторового заряду внаслідок різкого градієнта легуючої домішки. Змикання області збідніння бар'єра Шоткі з цією областю просторового заряду приводить до появи якісних змін вольт-фарадної характеристики у порівнянні з об'ємними напівпровідниками. В свою чергу, це може призводити до невірної інтерпретації результатів вольт-фарадних вимірювань. Найбільш близьким технічним рішенням, обраним за прототип, є спосіб визначення концентрації незаповнених глибоких центрів (Хучуа Н.П., Хведелидзе Л.В., Тигишвили М.Г., Горев Н.Б., Привалов Е.Н., Коджеспирова И.Ф. Роль глубоких уровней в технологии арсенида галлия // Микроэлектроника. - 2003. - Т. 32, №11. - с. 323-343), що ураховує на наявність області просторового заряду на межі плівка-підкладка та полягає у визначенні цієї концентрації з низькочастотної вольтфарадної залежності, точніше з її ділянки, на якій бар'єрна ємність зростає зі збільшенням зворотної напруги на бар'єрі Шоткі. Фізика, що лежить в основі цього способу, полягає в тому, що ця зростаюча ділянка пов'язана з початком спустошення глибоких центрів на межі плівка-підкладка. Однак вищеописаний спосіб може використовуватися тільки у випадку досить великого опору бар'єра Шоткі постійному струму (активного опору). Дійсно, еквівалентну схему бар'єра Шоткі можна зобразити у вигляді паралельно з'єднаних бар'єрної ємності С та активного опору R. Через те 43912 4 що ємнісний опір залежить від колової частоти вимірювального сигналу ω як 1/ωC, у випадку RК/ωС завжди можна задовольнити підвищенням частоти вимірювального сигналу. Спосіб, що пропонується в цій корисній моделі, використовує особливості n-v-переходу на межі низькоомна плівка - напівізолююча компенсована підкладка. Область збідніння цього переходу, що локалізована у плівці, утворена зарядом іонізованих донорів. Область накопичення цього переходу, що локалізована у підкладці, утворена зарядом, зв'язаним на глибоких центрах, точніше зарядом, надлишковим по відношенню до заряду, зв'язаному на глибоких центрах у об'ємі підкладки. Густина цього надлишкового заряду пропорційна концентрації Nvac незаповнених глибоких центрів у нейтральній частині підкладки, суміжною з областю накопичення. Через це концентрацію Nvac можна визначити шляхом вимірювання відгуку переходу плівка-підкладка на яку-небудь зовнішню дію. В способі, що пропонується, такою дією є інфрачервоне освітлення, що приводить до звуження області просторового заряду переходу плівка-підкладка й відповідного збільшення ширини провідного каналу у плівці. Величина Δh1 цього збільшення знаходиться з вольт-фарадних вимірювань за зсувом точки перегину вольт-фарадної характеристики, у якій ця характеристика становиться з опуклою униз опуклою догори, оскільки ця точка перегину відповідає досягненням краю області збідніння бар'єра Шоткі межі провідного каналу з боку підкладки (GorevN.B., Kodzhespirova І., Privalov E.N., Khvedelidze L., Khuchua N., Peradze G.G., Shur M.S., Stevens K. Non-destructive deep trap diagnostics of epitaxial structures // Solid-State Electronics. - 2003. - V.47, No 9. - P. 1569-1575). Концентрація Nvac визначається так. Спочатку за допомогою вольт-фарадних вимірювань у темряві та при наявності інфрачервоного освітлення 5 43912 будується залежність збільшення Δh1 ширини провідного каналу під дією інфрачервоного освітлення від інтенсивності Ір цього освітлення. Ця залежність знаходиться за формулою æ 1 1 ö ÷, DhI Ip = ee0Sç ç Cinf I Ip Cinf 0 ÷ è ø ( ) ( ) (1) де ε - відносна діелектрична проникність напівпровідника; ε0 - діелектрична стала; S - площа бар'єрного контакту; СіnfI, Сinf0 - ординати точки перегину вольтфарадної характеристики при інфрачервоному освітленні та у темряві відповідно, в якій ця характеристика стає з опуклою униз опуклою догори. Після цього з залежності ΔhI(Ip) знаходиться концентрація Nvac з використанням формули ( ) DhI Ip = Nd 2ee0kTNvac æ ç ln Nd - ln 2N (N + N nsub0 + bIp ) ç nsub0 q d d vac è ö ÷, ÷ ø (2) де k - стала Больцмана; Т - абсолютна температура; q - заряд електрона; Nd - концентрація легуючої домішки у плівці; nsub0 - темнова концентрація вільних носіїв у підкладці; β - відношення приросту концентрації вільних носіїв у підкладці під дією освітлення до інтенсивності освітлення. Концентрація Nd, що входить до формули (2), легко знаходиться за допомогою відомих співвідношень вольт-фарадного профілювання, а величини nsub0 і β визначаються з залежності ΔhI(Ip) разом з Nvac. Зі сказаного вище випливає, що суттєві ознаки цієї корисної моделі полягають в тому, що вимірюється сімейство вольт-фарадних характеристик у темряві та при різних інтенсивностях інфрачервоного освітлення, визначаються точки перегину цих характеристик, в яких вони стають з опуклими униз опуклими догори, за цими точками перегину будується залежність збільшення ширини провідного каналу при наявності інфрачервоного освітлення від інтенсивності освітлення і з цієї залежності визначається концентрація незаповнених глибоких центрів у підкладці поблизу межі з плівкою. Сукупність цих суттєвих ознак забезпечує досягнення зазначеного технічного результату, а саме розширення області застосовності способу шляхом розширення діапазону опорів бар'єра Шоткі постійному струму, в якому концентрацію Nvac можна визначити за допомогою вольт-фарадних вимірювань. Це зумовлене тим, що цей спосіб (на відміну від прототипу, суттєвою ознакою якого є вимірювання низькочастотної ємності) не накладає жодних обмежень на частоту зондуючого сигналу малої амплітуди, що служить для вимірювання ємності. Внаслідок цього умову R>К/ωС завжди можна задовольнити підвищенням частоти вимірювального сигналу. Дійсно, в цьому способі концентрація Nvac визначається за положенням точки перегину вольт-фарадної характеристики, що відповідає початку змикання області збідніння бар'єра Шоткі з областю збідніння переходу плівкапідкладка. На початку ж цього змикання частотна 6 дисперсія вольт-фарадної характеристики ще є практично відсутньою, оскільки глибокі центри практично в усій області накопичення переходу плівка-підкладка ще є повністю заповненими й, отже, не можуть обмінюватися носіями з зоною провідності (Gorev N.B., Kodzhespirova I., Privalov E.N., Khvedelidze L., Khuchua N., Peradze G.G., Shur M.S., Stevens K. Non-destructive deep trap diagnostics of epitaxial structures // Solid-State Electronics. - 2003. - V.47, No 9. - P. 1569-1575). Тому ця точка перегину буде присутньою при будь-якій частоті вимірювального сигналу і її положення не буде залежати від цієї частоти. Отже, навіть при не дуже високому опорі R бар'єра Шоткі постійному струму частоту вимірювального сигналу можна зробити досить високою, щоб задовольнити умову R>К/ωС, тобто запобігти шунтуванню бар'єрної ємності опором R й тим самим забезпечити вимірювання бар'єрної ємності з достатньою точністю. Звичайно для цього вистачає частоти 1МГц, на якій працюють серійні вимірювачі ємності. Таким чином, зазначений технічний результат (розширення області застосовності способу) досягається тим, що в способі визначення концентрації незаповнених глибоких центрів, що включає вимірювання вольт-фарадної характеристики та визначення шуканої величини за математичною формулою, згідно з корисною моделлю, вимірюється сімейство вольт-фарадних характеристик у темряві та при різних інтенсивностях інфрачервоного освітлення, визначаються точки перегину вольтфарадних характеристик, в яких вони стають з опуклих униз опуклими догори, за цими точками перегину будується залежність збільшення ΔhI ширини провідного каналу під дією інфрачервоного освітлення від інтенсивності Ір цього освітлення з використанням формули æ 1 1 DhI Ip = ee 0 Sç ç Cinf I Ip Cinf 0 è ( ) ( ) ö ÷ ÷ ø, де ε - відносна діелектрична проникність напівпровідника; ε0 - діелектрична стала; S - площа бар'єрного контакту; CinfI, Сinf0 - ординати точки перегину вольтфарадної характеристики при інфрачервоному освітленні та у темряві відповідно, в якій ця характеристика стає з опуклою униз опуклою догори; після чого з залежності ΔhI(Ip) знаходиться концентрація незаповнених глибоких центрів в підкладці поблизу межі з плівкою з використанням формули ( ) DhI Ip = æ Nd ç ln Nd - ln ç n sub0 n sub0 + b Ip q N d (Nd + N vac ) è 2ee 0 kTN vac 2 ö ÷ ÷ ø , де k - стала Больцмана; Т - абсолютна температура; Nvac - шукана концентрація незаповнених глибоких центрів; q - заряд електрона; Nd - концентрація легуючої домішки у плівці; nSub0 - темнова концентрація вільних носіїв у підкладці; 7 β - відношення приросту концентрації вільних носіїв у підкладці під дією освітлення до інтенсивності освітлення. Для підтвердження можливості здійснення цієї корисної моделі були проведені вимірювання на арсенідгалійових пластинах з польовими транзисторами з бар'єром Шоткі, виготовлених на основі одержаних методом хімічного осадження з парової фази епітаксіальних структур n+-n-v (n+-шар - низькоомна плівка - напівізолююча компенсована підкладка) і n+-n-n-v (n+-шар - низькоомна плівка високоомний буферний шар - напівізолююча компенсована підкладка). Бар'єрна ємність вимірювалася між затвором і витоком польових транзисторів з використанням вимірювача ємності Е7-12, що працює на частоті 1МГц. Інфрачервоне освітлення здійснювалося освітлюванням напівпровідникових пластин лампою розжарювання потужністю 175 Вт скрізь кремнієвий фільтр. Вольт-фарадні характеристики вимірювалися в темряві та при різних інтенсивностях освітлення, причому у вимірюваннях реєструвалася відносна інтенсивність освітлення, що визначалася як відношення інтенсивності освітлення до мінімальної інтенсивності у експерименті. Типові результати вимірювань для пластин без буферного шару і з буферним шаром наведено на Фіг.1 і Фіг.2. З результатів вимірювань за формулою (1) знаходилася залежність збільшення ΔhI ширини провідного каналу від відносної інтенсивності освітлення Irеl. Потім з темнової вольт-фарадної характеристики визначалася густина Nd легування плівки за допомогою відомих співвідношень вольт-фарадного профілювання. Після визначення Nd шукана концентрація Nvac знаходилася шляхом апроксимації одержаної залежності ΔhI(Irel) формулою (2), причому параметрами апроксимації поряд з Nvac були темнова концентрація nsub0 вільних носіїв у підкладці та величина β. Експериментальні залежності ΔhI(Irel) і результати апроксимації для пластин без буферного шару і з буферним шаром наведено відповідно на Фіг.3 і Фіг 4. Як видно з рисунків, точність апроксимації експериментальних даних є задовільною. Виміряні розподіли концентрації Nvac незаповнених глибоких центрів по напівпровідниковій пластині для пластин без буферного шару і з буферним шаром наведено відповідно на Фіг.5 і Фіг.6. З рисунків видно, що для пластини з буферним шаром виміряна концентрація Nvac, як і слід було че 43912 8 кати, є помітно нижчою, ніж для пластини без буферного шару, що є підтвердженням адекватності запропонованого способу. Слід зазначити, що для цих пластин визначення концентрації незаповнених глибоких центрів способом, запропонованим у прототипі, було б практично неможливим. Дійсно, для цих пластин виміряний опір бар'єра Шоткі постійному струму (активний опір) становить величину порядку 5 кОм, на той час як бар'єрна ємність, як видно з Фіг.1 і Фіг.2, становить величину порядку 1 пФ. Для частоти 1МГц, що використовувалася у вимірюваннях, ємнісний опір 1/ωС бар'єра Шоткі становить величину порядку 160 кОм, тобто є порівняним з активним опором. Однак для частоти порядку 100Гц, що відповідає низькочастотній ємності, ємнісний опір дорівнював би величині порядку 1,6 ГОм, тобто ємнісний опір бар'єра Шоткі було би шунтовано активним опором, що зробило би вимірювання бар'єрної ємності практично неможливим. Таким чином, розглянутий вище практичний приклад підтверджує технічний результат, що досягається використанням цієї корисної моделі - розширення області застосовності. На Фіг.1 наведено залежності бар'єрної ємності С від зворотної напруги Vrev на бар'єрі Шоткі для арсенідгалійової пластини без буферного шару при наявності та відсутності освітлення. На Фіг.2 наведено залежності бар'єрної ємності С від зворотної напруги Vrev на бар'єрі Шоткі для арсенідгалійової пластини з буферним шаром при наявності та відсутності освітлення. На Фіг.3 наведено залежність збільшення ΔhI ширини провідного каналу від відносної інтенсивності освітлення Іrеl, одержану з виміряних вольтфарадних характеристик, та відповідну апроксимуючу криву для арсенідгалійової пластини без буферного шару. На Фіг.4 наведено залежність збільшення ΔhI ширини провідного каналу від відносної інтенсивності освітлення Іrеl, одержану з виміряних вольтфарадних характеристик, та відповідну апроксимуючу криву для арсенідгалійової пластини з буферним шаром. На Фіг.5 наведено виміряний розподіл концентрації Nvac незаповнених глибоких центрів по арсенідгалійовій пластині без буферного шару. На Фіг.6 наведено виміряний розподіл концентрації Nvac незаповнених глибоких центрів по арсенідгалійовій пластині з буферним шаром. 9 43912 10 11 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 43912 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601