Спосіб визначення концентрації глибоких центрів у широкозонному напівпровіднику польового транзистора на прямій gaas – gaalas гетероструктурі з селективним легуванням

Способ определения концентрации глубоких центров в широкозонном полупроводнике полевого транзистора на прямой GaAs-GaAIAs гетероструктуре с селективным легированием, включающий приложение к барьеру Шотки обратного смещения V и импульса прямого смещения V , измерение тока и вычисление искомой величины, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что к омическим контактам (истоковому и стоковому) прикладывают ПОСТОЯННОе Напряжение UCM, СООТВеТСТВуЮ щее линейному участку вольтамперных характеристик сток-исток, а к барьеру Шотки постоянное обратное смещение V, измеряют значение тока сток-исток 1си, прикладывают к барьеру Шотки \/им, измеряют значение тока сток-исток после снятия импульса Гси, варьируя величину \/им, находят значение Гсм, соответствующее насыщению зависимости Гси, от VMM, и определяют концентрацию глубоких центров с помощью системы уравнений: / си * с и "' qV=AEc+ v ° г Ея - v - Еді + „s = у л ^ ' / , mkT „ \J = " ' Vl ~ Si - kT\nNvl/NAi v • q2 (\ ND1~N% Л V s 2 ~ J ^ N D l X \ ~ 2 X t + — J j — *\+wt2 °г °2 еЕ е х £}£ f E j2 = -^Г~ 3 А. 9 \ Е ^ • iwj 2г с*1 ^ ^ у** ^ * С ^-^ СI 26626 v15> - изгиб зоны проводимости; 1.2 Фб - высота барьера Шотки; Ед1 - ширина запрещенной зоны GaAs; 5t - положение валентной зоны относительно уровня Ферми; N. 2 t І e,ext.fl x, = =• ns - поверхностная плотность электронов в потенциальной яме при напряжении на затворе V до приложения VMM; q - заряд электрона; DEC - разрыв зоны проводимости в плоскости гетероперехода; плотность состоянии в валент ной зоне; N A1 - концентрация мелких акцепторов в GaAs; N o 2 - концентрация мелких доноров в слое AlxGa1xAs; \Л/Й - глубина залегания глубоких центров; Е, (і = 0,1,2...) - собственные значения энергии, соответствующие дну двумерных подзон; nsl - поверхностная плотность электронов в і-м состоянии; Е^ - величина электрического поля в плоскости гетероперехода со стороны GaAs; m* - эффективная масса электрона; х, --> координата точки пересечения уровня Ферми и глубокого уровня; N,2 - концентрация глубоких центров в AlxGai_xAs; Ej2 - величина электрического поля в плоскости гетероперехода со стороны A^Ga^As; d - толщина слоя AlxGa1 xAs; є0 - диэлектрическая постоянная; є, - диэлектрическая проницаемость GaAs; е2 - диэлектрическая проницаемость A'GA ъ h п - — , где h - постоянная Планка; 2JT к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. Штрихом обозначены величины после подачи VMM. Двумя штрихами - во время подачи, V.... Изобретение относится к области пошек меряют термическим способом и излупроводниковой техники, в частности, к менением напряжения смещения на баробласти контроля качества полупроводниьере Шотки [1]. ковых приборов. Наиболее близким техническим реИзвестны способы определения коншением, выбранным в качестве прототицентрации глубоких центров в полевом па, является одна из модификаций притранзисторе, суть которых состоит в возведенных выше способов - способ опдействии на заселенность уровня и реределения концентрации глубоких центгистрации скорости изменения или сумров в широкозонном полупроводнике помарного изменения соответствующей ве- 10 левого транзистора на прямой GaAsличины, такой, например, как ток или емGaAIAs гетероструктуре [2]. Способ соскость барьера Шотки. Заселенность ловутоит в охлаждении структуры (обычно до 26626 77K), последующей подаче на затвор импульсов обратного смещения для восстановления обедненной области. Затем температуру поднимают либо с постоянной скоростью, либо по заданному режиму, и измеряют зависимость тока обратносмещенного барьера Шотки от температуры. Концентрацию глубоких центров вычисляют по формуле. Общими признаками заявляемого способа и прототипа являются следующие: приложение к барьеру Шотки обратного смещения и импульса прямого смещения (\/им > 0), измерение тока, вычисление искомой величины. В прототипе при низкой температуре заполненные уровни не будут испускать электронов, т. к. скорость соответствующих процессов невелика. По мере повышения температуры время релаксации заполнения уровня уменьшается и начинается тепловое испускание электронов с уровня в зону проводимости, что фиксируется по изменению обратного тока структуры, достигающего максимального значения при некоторой температуре. Концентрация глубоких центров вычисляется по формуле. Недостатком способа является необходимость охлаждения структуры до низких температур и проведения теплового сканирования. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ определения концентрации глубоких центров путем изменения режима проведения измерений так, чтобы обеспечить возможность определения искомой величины без охлаждения структуры и проведения теплового сканирования. Сущность изобретения заключается в том, что в способе, включающем приложение к барьеру Шотки обратного смещения V и импульса прямого смещения. VMM, измерение тока и вычисление искомой величины, к омическим контактам (истоковому и стоковому) прикладывают постоянное напряжение UCM, соответствующее линейному участку вольтамперных характеристик сток-исток, а к барьеру Шотки постоянное обратное смещение V, измеряют значение тока сток-исток 1си, прикладывают к барьеру Шотки Чім» измеряют значения тока Гси после снятия импульса, варьируя величину \/им, находят значение Гси, соответствующее насыщению зависимости Гси от У/им, по которому определяют концентрацию глубоких центров с помощью системы уравнений: J "* C H _ п , А: и qV=AEc+ v, - Ед1 , EF 10 ткТ "«=—— 7th1 ln]l + exp kT I h1 V I 3 15 2m' ' + 2 4 А\ 20 Si=kT\nNvllNM 25 30 £ JI = ^= 35 40 • m*kT. I. 45 З є^ 50 55 J j ****** A 26626 8 Сопоставительный анализ показывает, Л = ! л Г~' п ^ +ехр— L - і h1 v, = + Jf что по сравнению с прототипом заявляемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки: на омические контакты (стоковый и истоковый) подают постоянное напряжение UCM, соответствующее линейному участку вольтамперных характеристик; на барьер Шотки подают постоянное 10 обратное смещение; измеряют ток сток-исток; величина амплитуды импульса прямого смещения Уим, прикладываемого к барьеру Шотки, подбирается таковой, чтобы 15 ток 1си' после снятия импульса соответствовал участку насыщения зависимости Гс °т V_u; 20 ns - поверхностная плотность электронов в потенциальной яме при напряжении на затворе V до приложения Уим; q - заряд электрона; DEC - разрыв зоны проводимости в плоскости гетероперехода; v 1 2 - изгиб зоны проводимости; EF - энергия Ферми; Ф6 - высота барьера Шотки; Ед - ширина запрещенной зоны; 5, - положение валентной зоны относительно уровня Ферми; N v l - плотность состояний в валентной зоне; N A1 - концентрация мелких акцепторов в GaAs; N D2 - концентрация мелких доноров в слое AlxGa)xAs; Wt2 - глубина залегания мелких доноров; Е (і = 0,1,2...) - собственные значения энергии, соответствующие дну двумерных подзон; п8| - поверхностная плотность электронов в і-м состоянии; Е, - величина электрического поля в плоскости гетероперехода со стороны GaAs; m* - эффективная масса электрона; xt - координата точки пересечения уровня Ферми и глубокого уровня; Е2 - величина электрического поля в плоскости гетероперехода со стороны AI^Ga, xAs; d - толщина слоя AixGa, xAs. Штрихом обозначаются величины после подачи \/им. Двумя штрихами - во время подачи V . 25 30 35 4 0 45 50 55 искомую величину определяют с помощью системы уравнений. Предложенный способ в отличие от прототипа позволяет определять концентрацию глубоких центров в широкозонном полупроводнике прямой GaAs-AlGaAs гетероструктуры без охлаждения структуры и проведения теплового сканирования. Этот эффект достигается благодаря возможности определения концентрации глубоких центров с помощью системы уравнений, описывающей процессы токопереноса в полевом транзисторе на прямой гетероструктуре. Вводимые изменения в режим проведения измерений позволяют реализовать эту возможность. На фиг. 1 приведена схема подачи напряжений на барьер Шотки; на фиг. 2 - зонная диаграмма прямой гетероструктуры с селективным легированием (ГСЛ) металл-АКВа, xAs-GaAs при наличии глубоких центров; на фиг. 3 - зависимость V 0T V JL UM. кривые 1-4 - расчет (Уим = -0,7В; Т^ЗООК; х = 0,3; d = 0,026 мкм; ND2 = 2 1018см-3; Wt - 0,3 эВ; N A 1 = D2 t2 5 - экспе14 3 0 101 см' ; фб = 0,8 эв); кривая римент (V =-0,7 В; Т = 300К; х = 0,3; 18 3 d = 0,026 мкм; N D2 = 2 • 10 см ). Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На омические контакты (стоковый и истоковый) полевого транзистора подают постоянное напряжение Уси, соответствующее линейному участку ВАХ (модель для определения концентрации глубоких центров описывает именно такую ситуацию). Затем перекрывают канал транзистора, прикладывая постоянное напряжение к затвору (барьер Шотки). Далее на затвор подают импульс напряжения VMM > 0, чтобы приоткрыть канал (фиг.1). При этом уровень Ферми поднимается, минимум дна зоны проводимости в слое AlxGa, xAs смей дается в 26626 сторону металла и поверхностная плотность электронов в потенциальной яме в слое GaAs увеличивается (фиг. 2). Это приводит к увеличению тока исток-сток. При наличии же в слое AsxGa, xAs глубоких центров подъем уровня Ферми приводит к тому, что во все большей части этого слоя глубокие уровни оказываются ниже уровня Ферми, т. е., суммарный отрицательный заряд на этих уровнях растет (длительность импульса должна быть достаточной для осуществления захвата, т. е. должна превышать 10 9 с (Прохоров Е.Ф. Формирование неустойчивостей в GaAs, обусловленных взаимодействием дрейфовой и рекомбинационной неустойчивостей // УФЖ. - 1982. - Т. 27, № 8. - С. 11941197). После снятия импульса будет происходить релаксация связанного заряда (вреь;я релаксации 10 2 - 1 0 6 с ) приводя к изменению тока сток-исток. Таким образом, изменения тока Гси связаны с перезарядкой глубоких центров и зависят от концентрации последних. С ростом напряжения VMM наступает момент, когда заполняются все глубокие центры в слое AlxGa, xAs. Дальнейший рост \/им уже не приводит к росту отрицательного заряда на глубоких центрах. При этом ток стокисток насыщается. Используя зависимость Г /I (V ) 10 штрихом обозначаются величины после подачи \/им, а двумя штрихами - во время приложения VMM). Установим зависимость о т v L'/L u u - Сначала найдем п . Расе5 мотрим типичную прямую ГСП металлn-Alx Ga, ^-p-GaAs. Пусть в слое А!х GabxAs содержатся мелкие доноры с концентрацией N D и глубиной залегания W t , а в GaAs - Іиелкие акцепторы с конце^тра10 цией N A1 (здесь и далее индекс 1 относится к GaAs, a 2 - к AlxGa, xAs). Пусть вначале к затвору приложено напряжение V. Тогда из зонной диаграммы, приведенной на фиг.1, вытекают следующие соот15 ношения: qV = ЛЕГ Фй = v, - Е (2) (3) 5,. , где q - заряд электрона; ДЕС - разрыв зоны проводимости в плоскости гетероперехода; v, 2 - изгиб зоны проводимости; ЕР - энергия Ферми; j 6 - высота бар25 ьера Шотки; Е - ширина запрещенной зоны; d, = k t In N v ) /N A 1 - положение валентной зоны относительно уровня Ферми (N v , - плотность состояний в валентной зоне). 30 В приближении треугольной потенциальной ямы для искомой величины n s и си си им входящей в (3) v, (Кальфа А.А. Двумерможно определить концентрацию глубоный электронный газ в структуре металлких центров в широкозонном полупроводAl Ga, As-GaAs с селективным легированике AlxGa, xAs прямой GaAs-GaAIAs гете- 35 нием / ФТП. - 1986. - Т. 20, № 3. роструктуры с селективным легированием. С.486-471). Опишем подробнее метод определения искомой величины. Как показывалось выше, приложение к затвору VMM > 0, приводит к подъему 40 ткТ In! 1 + ехруровня Ферми и росту отрицательного закТ ряда на глубоких центрах в слое A^Ga, JKs. После возвращения напряжения на затво(4) ре к исходному значению V в течение ІІУГ2 времени релаксации связанного заряда 45 2и" 2 -минимум дна зоны проводимости в AlxGa,_xAs будет находиться ближе к гетеропереходу, чем до подачи Уим. Поэтому из условия электронейтральности Здесь Е( (і = 0,1,2,...) - собственные уменьшается поверхностная плотность 50 значения энергии, соответствующие дну электронов в потенциальной яме, что придвумерных подзон; п ш - поверхностная водит к уменьшению проводимости канаплотность электронов в 1-м состоянии; EJt ла. Относительное уменьшение тока Гсм/ - величина электрического поля в плос1см можно выразить: кости гетероперехода со стороны GaAs; 55 m* - эффективная масса электрона. (1) П. Входящая же в (2) величина v2 легко вычисляется, если пренебречь зарядом где n s , n s ' - поверхностная плотность свободных носителей в слое А)х Ga, xAs и электронов в потенциальной яме при напположить, что глубокие центры полностью ряжении на затворе V соответственно до заняты, когда уровень Ферми лежит выше и после приложения V (здесь и далее 20 д 26626 11 них, и полностью опустошены в противоположном случае V.-JC (5) -A 5 (6) (7) (8) 10 15 где xt - координата точки пересечения уровня Ферми и глубокого уровня (фиг. 1); Е)2 - величина электрического поля в плоскости гетероперехода со стороны 20 A^Ga^As; d - толщина слоя AIGabxAs. Соотношения (2)-(8) образуют замкнутую систему уравнений, позволяющую найти Определим теперь n's. С учетом того, 25 что после возвращения от Уим к V граница заполнения глубоких центров определяется величиной x t " ^величина x t "), а также фигурирующие далее v2", EF", E/t", Ej2" находятся из (2)-(8) при подстановке туда 30 (V + Уим) вместо V. Для v2' получим V = v2» + Е," f q d (E-; - Е (9) Подстановка (9) в (2) дает: 35 V = V +EF" (Ю) 40 Соотношения (3), (4), (7) и (10) образуют замкнутую систему, позволяющую получить n s '. Типичные результаты расчета зависимости Г си /І си от (V + \/им) при различных значениях N,2 приведены на фиг. 45 3 (кривые 1-4). Как видно из графика, зависимость ГС1/1СИ от (V + Уим), определяемая именно глубокими центрами, выражена довольно хорошо. Более того, изменения концентрации глубоких центров 50 приводят к заметному сдвигу кривых ГС1ДИ (V + V M j. В сочетании с монотонностью зависимости ГСИ/1СИ от N l2 (при фиксированных V и V + Уим) это позволяет определять N,2 из измерения ГСк/1си. 55 12 Заявляемый способ может быть продемонстрирован на полевых транзисторах на прямой AxGa1 xAs/GaAs гетероструктуре с селективным легированием (х = 0,3; d = 0,026 мкм; N D 2 = 2 • 1018 см 3 ). На омические контакты полевого транзистора подают напряжение UCM = =0,2В (Линейный участок ВАХ). К затвору прикладывают постоянное напряжение V = -0,7В. Измеряют ток І си . Далее на затвор подают положительный импульс напряжения Уим > 0. Длительность импульса 5 мкс. Через t = 0,5 мкс после снятия импульса измеряют Гси (t меньше времени релаксации связанного заряда на глубоких центрах). Варьируя величину амплитуды VMM снимают зависимость Гси (VMM). VMM изменяют до получения участка насыщения на кривой Гси (VHM). Вычисляют І'си/Іси нас. Сопоставляя полученное значение І'си/Іси нас. с рассчитанными по вышеописанной методике (фиг. 3 кривые 1-4) определяют значение концентрации глубоких центров в широкозонном полупроводнике. В данном примере искомая величина равна 7 • 1015см-3. Имеющееся различие расчетных и экспериментальных кривых на участке отклонения от нуля (у экспериментальной кривой это отклонение происходит плавно, в то время как у расчетных носит характер излома) связано с использованием в модели допущения о дискретном характере распределения связанного заряда: в данной точке все центры либо полностью заполнены, либо полностью опустошены. Поэтому в ситуации, когда на самом деле центры только начинают заполняться, т. е. область, в которой центры заполнены, сравнима с переходной областью, результаты расчета в рамках данной модели могут заметно отличаться от реальных. Однако, на участке насыщения зависимости данная модель работает хорошо, т. к. вблизи этого участка область заполнения центров распространяется практически на весь широкозонный полупроводник. Способ дает возможность без проведения дополнительных исследований отбраковывать приборы, в которых имеют место аномалии ВАХ (частотная зависимость ВАХ, длинновременной дрейф параметров и т. д.). о 92992 26626 Упорядник Техред М. Келемеш Коректор О. Обручар Замовлення 519 Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101