Метод виявлення поверхневого пробою в p-n переході

Реферат: Метод виявлення поверхневого пробою в р-n переході полягає в тому, що проводяться вимірювання вольт-амперної характеристики зворотного струму р-n переходу і по даній характеристиці визначається напруга пробою. Вказані вимірювання проводяться два рази: при першому вимірюванні досліджуваний р-n перехід поміщується в сухе повітря, а при другому вимірюванні він поміщується в контейнер з повітрям і вологими парами аміаку з парціальним тиском від 1 до 200 Па, що дозволяє по зіставленню виміряних значень напруги пробою встановити, чи пробій відбувається на поверхні р-n переходу, чи в об'ємі кристала. UA 87430 U (54) МЕТОД ВИЯВЛЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО ПРОБОЮ В P-N ПЕРЕХОДІ UA 87430 U UA 87430 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до методів виявлення поверхневого пробою в р-n переходах і може використовуватися в електронній промисловості для контролю якості р-n переходів при їх виготовленні та для відбраковки ненадійних р-n переходів. Поверхневий пробій веде до нестабільностей робочих параметрів та до виходу з ладу напівпровідникових приладів, що працюють у режимі зворотного зміщення, таких як стабілітрони, лавинні діоди, фотодіоди та ін. Досягнутий в даній області рівень техніки відображений в наступних публікаціях. Відомий спосіб виявлення локального, мікроплазмового пробою у р-n переходах [Ионычев В.К., Ребров А.Н. Исследование спектров глубоких уровней в микроплазменных каналах кремниевых лавинных диодов. ФТП, Т. 43, №7, 2009, с. 980-984], який полягає у вимірюванні вольт-амперної характеристики зворотного струму p-n переходу і спостереженні на екрані осцилографа характерних мікроплазмових імпульсів струму при напрузі, що незначно перевищує стаціонарну напругу пробою. Пристрій містить джерело регульованого постійного струму, вольтметр і осцилограф. За допомогою джерела постійного струму встановлюється струм, що відповідає режиму пробою, за допомогою осцилографа фіксуються коливання струму, які свідчать про локальний, мікроплазмовий пробій. Недоліком цього способу є те, що він не дозволяє встановити, чи є пробій об'ємний, чи поверхневий, що не дає змоги відбраковки зразків з поверхневим пробоєм. Відомий спосіб виявлення місцеположення локального, мікроплазмового пробою у р-n переходах [М.В. Белоус, Φ.Μ. Генкин, В.К. Генкина. Влияние температуры на спектральный состав пробойной электролюминесценции р-n-структур на основе карбида кремния // Физика и техника полупроводников, том 33, вып.6, 1999, стр. 727-732], який полягає у одночасному вимірюванні вольт-амперної характеристики зворотного струму і реєстрації світіння мікроплазми за допомогою мікроскопа. Пристрій містить джерело регульованого постійного струму та мікроскоп. За допомогою джерела постійного струму встановлюється струм, що відповідає режиму пробою, за допомогою мікроскопа фіксується положення мікроплазми, яка випромінює світло. Недоліком цього способу є те, що фіксувати положення пробою візуально можна лише у випадку, коли пробій супроводжується світінням, що не завжди має місце, і коли світіння відбувається або на поверхні, або в р-n переходах з малою глибиною залягання, з напівпрозорими металевими контактами, коли можна уникнути поглинання світла в матеріалі діода й контактах. Для появи світіння потрібно використовувати велику локальну густину струму, яка відповідає величині повного струму 0,1-1мА і може призвести до незворотних змін параметрів р-n переходу. Даний спосіб не можна використовувати в процесі виготовлення приладів, для відбраковки ненадійних р-n переходів з поверхневим пробоєм. Найближчий з відомих, взятий за прототип є спосіб виявлення місцеположення локального, мікроплазмового пробою у р-n переходах [Павлюк С. П., Іщук Л. В., Євдокимов Д.О. Мікроплазмовий пробій у кремнієвих мікроструктурах. Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Серія фізико-математичних наук, 2010, в.4, С 240-244], який полягає у одночасному вимірюванні вольт-амперної характеристики зворотного струму і реєстрації світіння мікроплазми за допомогою відеокамери. Пристрій містить джерело регульованого постійного струму, комп'ютерний осцилограф, мікроскоп, відеокамеру та комп'ютер. За допомогою джерела постійного струму встановлюється струм, що відповідає режиму пробою, за допомогою осцилографа фіксуються коливання струму, які свідчать про мікроплазмовий пробій. За допомогою відеокамери фіксується положення мікроплазми, яка випромінює світло. Недоліком цього способу є те, що фіксувати положення пробою візуально можна лише у випадку, коли пробій супроводжується світінням, що не завжди має місце, і коли світіння відбувається або на поверхні, або в р-n переходах із глибиною залягання менше 2 мкм, з напівпрозорими металевими контактами, коли можна уникнути поглинання світла в матеріалі діода й контактах. Для появи світіння потрібно використовувати велику локальну густину струму, яка може призвести до незворотних змін параметрів р-n переходу. Даний спосіб не можна використовувати в процесі виготовлення приладів, для відбраковки ненадійних р-n переходів з поверхневим пробоєм. Задачею корисної моделі є виявлення поверхневого пробою в р-n переходах на стадії їх виготовлення для відбраковки ненадійних зразків. Поставлена задача вирішується за допомогою методу виявлення поверхневого пробою в рn переході, який полягає в тому, що проводяться вимірювання вольт-амперної характеристики зворотного струму р-n переходу і по даній характеристиці визначається напруга пробою, і 1 UA 87430 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 відрізняється тим, що вказані вимірювання проводяться два рази: при першому вимірюванні досліджуваний р-n перехід поміщується в сухе повітря, а при другому вимірюванні він поміщується в контейнер з повітрям і вологими парами аміаку з парціальним тиском від 1 до 200 Па, що дозволяє по зіставленню виміряних значень напруги пробою встановити, чи пробій відбувається на поверхні р-n переходу, чи в об'ємі кристала. Загальними ознаками прототипу і запропонованого методу виявлення поверхневого пробою в р-n переході є наступні: прототип і запропонований метод містять вимірювання вольтамперної характеристики зворотного струму р-n переходу і визначення напруги пробою, тобто напруги, при якій відбувається різке зростання струму. Відмітними ознаками запропонованого методу виявлення поверхневого пробою в р-n переході є те, що додатково вимірюється вольтамперна характеристика зворотного струму р-n переходу при його поміщенні в контейнер з вологими парами аміаку і визначається напруга пробою, що дозволяє відбраковувати зразки, у яких пари аміаку змінюють напругу пробою. Запропонований метод базується на тому, що залежність напруги пробою VB від параметрів несиметричного різкого р-n переходу визначається формулою 3/2 16 -3/4 VB=60(Eg/1,1) (NB/10 ) , (1) де Eg - ширина забороненої зони напівпровідника; NB - концентрація домішок у області з меншим рівнем легування у р-n переході. Якщо концентрація електронів у n-області nn > Pp (4) то то у виразі (І) необхідно врахувати NB=NA, (5) де NA - концентрація нескомпенсованих акцепторів у р-області. Адсорбовані молекули аміаку є мілкими донорами у GaAs та в інших напівпровідниках групи 3 5 А В , а також у кремнію. Ці адсорбовані молекули при кімнатній температурі іонізуються і збільшують величину ND у приповерхневій n-області р-n переходу і зменшують величину ΝA у приповерхневій р-області. Якщо пробій р-n переходу локалізований на поверхні, то при адсорбції молекул аміаку змінюється напруга пробою. Молекули аміаку не встигають проникнути у об'єм напівпровідника за час вимірювань. Тому їх адсорбція не впливає на електричне поле у р-n переході в об'ємі напівпровідника. Звідси випливає: якщо пробій відбувається у об'ємі, а не на поверхні р-n переходу, пари аміаку не впливають на напругу пробою. Таким чином, зміна напруги пробою р-n переходу при перенесенні зразка із сухого повітря в повітря з домішкою парів аміаку свідчить, що пробій поверхневий. Якщо ж напруга пробою не змінюється при перенесенні р-n переходу із сухого повітря в повітря з домішкою парів аміаку, то пробій відбувається не на поверхні, а в об'ємі даного р-n переходу. На фіг. 1 наведена схема вимірювальної установки для виявлення поверхневого пробою р-n переходу. На фіг. 2 показані вольт-амперні характеристики (ΒΑΧ) зворотного струму р-n переходу на основі арсеніду галію, в якому пробій є поверхневий. На фіг. 3 показані ΒΑΧ зворотного струму р-n переходу на основі арсеніду галію, в якому пробій є об'ємний. На фіг. 4 показані ΒΑΧ зворотного струму кремнієвого р-n переходу, в якому пробій є поверхневий. На фіг. 5 показані ΒΑΧ зворотного струму кремнієвого р-n переходу, в якому пробій є об'ємний. Схема вимірювальної установки для виявлення поверхневого пробою р-n переходу (фіг. 1) містить регульоване джерело струму S, резистори R0, R1, R2 і R3, а також вольтметри V1 і V2 та контейнер К, в якому знаходиться досліджуваний р-n перехід D і в якому може регулюватися склад атмосфери. Струм від регульованого джерела струму S проходить через обмежувальний резистор R 0, який обмежує величину струму при виникненні пробою, і далі розгалужується між двома паралельно включеними ділянками. Перша ділянка включає резистори R 2 і R3, а також вольтметр V2. Резистори R2 і R3 утворюють поділювач напруги; вольтметр V 2 вимірює напругу V2 на резисторі R2. Поділювач напруги дає змогу визначати напругу між точками А і В на рис 1, яка може складати десятки і сотні вольт, за допомогою вольтметра з верхньою межею вимірювань 5 В, яку звичайно мають аналогово-цифрові перетворювачі. Напруга VAB між точками А і В на схемі (фіг.1) визначається за виразом VAB  V2 R 2  R3 R2 (6) 2 UA 87430 U 5 Друга ділянка електричного кола включає досліджуваний p-n перехід (діод) D, резистор R1 і вольтметр V1. Струм, що проходить через досліджуваний p-n перехід, визначається за формулою I=V1/R1, (7) де V1 - напруга на резисторі R1, яка вимірюється вольтметром V1. Напруга на досліджуваному p-η переході визначається за формулою V=VAB –V1. (8) Підставивши в дану формулу вираз для VAB із формули (6), отримуємо остаточну формулу для визначення напруги на p-n переході V  V2 10 15 R2  R3  V1. R2 Вимірювання проводяться таким чином: досліджуваний p-n перехід включають у електричне коло (фіг.1) так, щоб на нього подавалася напруга у зворотному (запірному) напрямі, та поміщують у контейнер К з сухим повітрям. За допомогою регульованого джерела струму S змінюють напругу V2, яка вимірюється вольтметром V2. На i-му кроці при значенні напруги V2i.вимірюють напругу V1i за допомогою вольтметра V1. За формулою (9) знаходять напругу Vj на p-n переході, а за формулою (7) знаходять струм Ii. За отриманим масивом даних (Vi, Ii) air 20 будують ΒΑΧ зворотного струму. Напругу пробою у повітрі VB визначають як таке значення Vj, при якому спостерігається різке збільшення струму. Потім у контейнер К подаються пари аміаку з певним значенням парціального тиску NН3 у межах від 1 до 200 Па. Проводять вимірювання ΒΑΧ зворотного струму таким же чином, як am описано вище, і знаходять напругу пробою в парах аміаку V . air 25 30 35 40 45 50 55 am am air am air Порівнюють значення VB і V . Якщо V = VB , пробій є об'ємний. Якщо V  VB , пробій є поверхневий. Приклад. Вимірювання ΒΑΧ для виявлення поверхневого пробою p-n переходу проведені на макеті, створеному у відповідності зі схемою запропонованого методу (фіг.1) на основі регульованого джерела струму Б5-50, причому роль вольтметрів V1 і V2 виконували аналогово-цифрові перетворювачі блоку E14-140-MD, який був підключений до комп'ютера. Резистор R0=10МОм обмежував струм пробою величиною I  5мкА, що було необхідно для попередження неконтрольованої зміни параметрів досліджуваного p-n переходу. За допомогою комп'ютера отримувалися масиви даних (Vi, Ii) та на їх основі будувалися графіки ΒΑΧ зворотного струму Ii (Vi). На фіг. 2 показані отримані описаним вище способом ΒΑΧ зворотного струму для одного з pn переходів на основі GaAs, де струм визначався за формулою (7), а напруга за формулою (9). Крива 1 отримана в результаті вимірювань, коли у контейнері К зі зразком знаходилося сухе повітря. Пробій, тобто різке підвищення струму при незначному підвищенні напруги, відбувався при напрузі 17,5 В. Криві 2, 3, 4 і 5 були отримані, коли в контейнері зі зразком знаходилася суміш повітря і парів аміаку з парціальним тиском NH3, відповідно, 1Па, 10Па, 20Па і 100Па. Порівняння кривих 2, 3, 4, 5 з кривою 1 показує, що присутність парів аміаку в навколишньому повітрі різко змінювала напругу пробою даного зразка. Таким чином, пробій у даному зразку p-η переходу був поверхневий. Цей зразок був відбракований. На фіг. 3 наведені ΒΑΧ зворотного струму іншого зразка p-n переходу на основі GaAs. Крива 1 отримана в результаті вимірювань, коли у контейнері К зі зразком знаходилося сухе повітря; криві 2, 3, 4 отримані для того ж зразка, коли він знаходився в парах NH 3 з парціальним тиском аміаку 5Па, 50Па, 100Па, відповідно. Порівняння кривих 2, 3 і 4 з кривою 1 показало, що наявність парів аміаку в навколишній атмосфері не впливала на напругу пробою в даному зразку. Це означало, що в даному зразку пробій був не поверхневий, а об'ємний, тобто зразок був придатний для використання. На фіг. 4 показані ΒΑΧ зворотного струму кремнієвого p-n переходу. Крива 1 отримана в результаті вимірювань, коли у контейнері К зі зразком знаходилося сухе повітря; криві 2, 3, 4 отримані для того ж зразка, коли він знаходився в парах ΝΗ3 з парціальним тиском аміаку 1Па, 5Па і 20Па, відповідно. Порівняння кривих 2, 3 і 4 з кривою 1 показало, що наявність парів аміаку в навколишній атмосфері різко змінювало напругу пробою в даному зразку. Це означало, що в даному зразку пробій був поверхневий. Цей зразок був відбракований. На фіг. 5 показані ΒΑΧ зворотного струму іншого зразка кремнієвого p-n переходу. Крива 1 отримана в результаті вимірювань, коли у контейнері К зі зразком знаходилося сухе повітря; криві 2, 3, 4 і 5 отримані для того ж зразка, коли він знаходився в парах ΝΗ 3 з парціальним тиском аміаку 5Па, 10Па, 20Па і 200Па, відповідно. Порівняння кривих 2, 3, 4 і 5 з кривою 1 3 UA 87430 U 5 показало, що наявність парів аміаку в навколишній атмосфері не впливала на напругу пробою в даному зразку. Це означало, що в даному зразку пробій був не поверхневий, а об'ємний, тобто зразок був придатний для використання. Таким чином, зіставлення двох значень напруги пробою p-n переходу, одне з яких було отримане при знаходженні зразка у сухому повітрі, а друге було одержане в повітрі з домішкою парів аміаку, дозволяло виявити зразки з поверхневим пробоєм і відбракувати їх у процесі виготовлення, до їх герметизації. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Метод виявлення поверхневого пробою в р-n переході, який полягає в тому, що проводяться вимірювання вольт-амперної характеристики зворотного струму р-n переходу і по даній характеристиці визначається напруга пробою, який відрізняється тим, що вказані вимірювання проводяться два рази: при першому вимірюванні досліджуваний р-n перехід поміщується в сухе повітря, а при другому вимірюванні він поміщується в контейнер з повітрям і вологими парами аміаку з парціальним тиском від 1 до 200 Па, що дозволяє по зіставленню виміряних значень напруги пробою встановити, чи пробій відбувається на поверхні р-n переходу, чи в об'ємі кристала. 4 UA 87430 U 5 UA 87430 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6