DE19822360C2 - Device and method for determining the number, the energetic location and the energetic width of defects - Google Patents
Device and method for determining the number, the energetic location and the energetic width of defectsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Bestimmung der energetischen Lage, der energe tischen Breite und/oder der Dichte von Defekten an der Oberfläche und/oder wenigstens einer Grenzschicht einer Probe, die ein Festkörper mit einer Bandlücke oder ein Festkörper, der eine Banverbie gung aufweisen kann, ist.The invention relates to a method and a Vorrich to determine the energetic situation, the energetic table width and / or the density of defects on the Surface and / or at least one boundary layer Sample containing a solid a band gap or a solid that is a banverbie may have.
Um eine Funktion von Halbleiterbauelementen physikalisch beschreiben zu können, ist ein Verständnis der Physik der Oberflächen und Grenzflächen von insbesondere Festkörpern erforderlich. Beispielsweise ist die Grenz fläche zwischen zwei unterschiedlich dotierten Halblei terschichten die Grundlage einer Halbleiterdiode. Für deren Eigenschaften sind Effekte, die an dieser Grenz fläche auftreten, wie beispielsweise die Raumladungszo ne, grundlegend für deren Funktion. Durch die immer größer werdende Integration von beispielsweise Halblei terbauelementen und insbesondere zur Berechnung der Eigenschaften von derartigen Bauelementen wird es immer wichtiger, Kenntnisse über die physikalischen Eigen schaften der Grenzflächen bzw. Oberflächen der Bauele mente, wie beispielsweise die Art der Defekte, zu haben. Hierbei sind für die elektronische Struktur der Grenz flächen und insbesondere der Oberfläche und damit für die elektronischen Eigenschaften der Bauelemente die Kenntnis der Dichte NT von Defekten, der energetischen Lage ET von Defekten relativ zum Valenzbandmaximum (VBM) im Volumen bzw. im Inneren des beispielsweise Halblei ters und die Breite der Energieverteilung σT dieser Defekte von immanenter Wichtigkeit.In order to be able to physically describe a function of semiconductor components, an understanding of the physics of the surfaces and interfaces of, in particular, solid bodies is necessary. For example, the interface between two differently doped semiconductor layers is the basis of a semiconductor diode. For their properties, effects that occur at this interface, such as the space charge zone, are fundamental to their function. Due to the increasing integration of semiconductor components, for example, and in particular for calculating the properties of such components, it is becoming increasingly important to have knowledge of the physical properties of the interfaces or surfaces of the components, such as the type of defects. Here, for the electronic structure of the interfaces and in particular the surface and thus for the electronic properties of the components, knowledge of the density N T of defects, the energetic position E T of defects relative to the valence band maximum (VBM) in the volume or in the interior of the for example, semiconductor and the width of the energy distribution σ T of these defects are of immanent importance.
Im bisher bekannten Stand der Technik, wie beispiels weise der US 55 21 525 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Dotierungsdichteprofils einer Halbleiterschicht vorgestellt. Hierbei wird zur Bestimmung dieses Dotierungsdichteprofils der Halblei terschicht einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur eine Kapazitätsspannungsmeßmethode bei hohen und nied rigen Frequenzen vorgeschlagen, um entsprechende be rechnete Bandverbiegungen auf die gemessenen Werte anzupassen. Auf diese Weise ist es möglich, ein Dichte profil von Dotierungsatomen über die Tiefe in der Halbleiterschicht anzugeben. Es ist allerdings mit diesem Verfahren nicht möglich, auch eine Angabe über die energetische Lage der Dotierungsniveaus der Dotie rungsatome und deren energetische Breite zu treffen, d. h. wesentliche Parameter zur Bestimmung der elektro nischen Struktur von beispielsweise Halbleiterbauele menten können nicht angegeben werden. Zudem ist das verwendete Meßverfahren nur sehr beschränkt oberflächen sensitiv. In the previously known prior art, such as US 55 21 525 is a method and Device for determining the doping density profile presented a semiconductor layer. Here is the Determination of this doping density profile of the half lead layer of a metal-insulator-semiconductor structure a capacitance voltage measurement method at high and low frequencies proposed to be appropriate calculated band deflections on the measured values adapt. In this way it is possible to have a density Profile of doping atoms over the depth in the Specify semiconductor layer. However, it is with not possible with this procedure, also an indication of the energetic position of the doping levels of the dopie atoms and their energetic breadth, d. H. essential parameters for determining the electro African structure of semiconductor devices, for example elements cannot be specified. It is also used measuring methods only very limited surfaces sensitive.
Aus der DE 41 06 841 A1 ist ein Verfahren zum Feststel len einer Kontaminationsschicht und, falls vorhanden, deren Dicke oder einer anderen räumlichen Ausdehnung dieser Schicht an einer Vielzahl von Stellen auf der Oberfläche eines elektrisch leitenden Materials, wie z. B. eines Halbleiters, eines Metalls oder eines Metall silizids bekannt. Hierbei wird Gebrauch gemacht von einer Änderung des Photoemissionsstromes an der beleuch teten Stelle auf der Oberfläche des elektrisch leitenden Materials, um die Existenz und das Ausmaß einer Kontami nationsschicht an der beleuchteten Stelle festzustellen.DE 41 06 841 A1 describes a method for locking len a contamination layer and, if available, their thickness or another spatial extent this layer in a variety of places on the Surface of an electrically conductive material, such as e.g. B. a semiconductor, a metal or a metal silicide known. Use is made of a change in the photoemission current at the lighting tten spot on the surface of the electrically conductive Materials to determine the existence and extent of a contamination nation layer at the illuminated point.
Aus der Veröffentlichung Storp, S. "Chemische Analyse von Oberflächen mit der Photoelektronen-Spektroskopie". In: Technisches Messen, 34. Jahrgang, Heft 9, 1987; Seiten 320-329, ist eine chemische Analyse von Oberflä chen mit der Photoelektronen-Spektroskopie bekannt. Hierbei wird eine röntgenstrahlangeregte Photo- und Augerelektronenspektroskopie (ESCA) zur Analyse der obersten Atomlagen von Festkörpern verwendet.From the publication Storp, S. "Chemical analysis of surfaces with photoelectron spectroscopy ". In: Technisches Messen, 34th year, issue 9, 1987; Pages 320-329, is a chemical analysis of surfaces Chen known with photoelectron spectroscopy. Here, an X-ray excited photo and Auger electron spectroscopy (ESCA) to analyze the top atomic layers of solids used.
Aus der JP 5-102274 A ist ein Erkennungsverfahren der Kristallinität von Siliziumwafern bekannt. Hierbei wird die dielektrische Durchschlagsspannung gemessen. Auf diese Art und Weise kann eine Defektdichte an der Oberfläche und im Volumen des Wafers gemessen werden.JP 5-102274 A is a recognition method of Crystallinity of silicon wafers known. Here will the dielectric breakdown voltage is measured. On this way a defect density at the Surface and volume of the wafer can be measured.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem eine Bestimmung der energetischen Lage, der energetischen Breite und der Dichte von Defekten an der Oberfläche und/oder wenigstens einer Grenzschicht einer Probe ermöglicht wird.The invention is therefore based on the object Specify method and an apparatus with which a Determination of the energetic position, the energetic Width and density of defects on the surface and / or at least one boundary layer of a sample is made possible.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrensan spruchs 1 und die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 13 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the features of the method claim 1 and the features of the device claim 13 . Developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung geht davon aus, daß Defekte, wie insbe sondere Dotierungsatome, Leerstellen im Gitter eines Festkörpers und Relaxationen an Oberflächen bzw. Grenz flächen, eine Bandverbiegung (VS) von mehreren Zehnteln eines Elektronenvolts (eV) hervorrufen können. Licht, das auf eine entsprechende Probe gerichtet ist, gene riert in der Bandverbiegungsregion Elektron-Lochpaare mit einer Rate G0, die durch das in der Raumladungszone vorherrschende elektrische Feld räumlich getrennt werden, wodurch die herrschende Bandverbiegung reduziert wird. Erfindungsgemäß wird aus einer gemessenen Band verbiegung bzw. Bandrückbiegung mit den Parametern einer variierenden Temperatur und der Lichtintensität eine im wesentlichen eindeutige Zuordnung zu die Bandverbiegung hervorrufenden Defektzuständen bezüglich deren Dichte, deren Energieniveaus und deren Energiebreite erzielt.The invention is based on the fact that defects, such as special doping atoms, vacancies in the lattice of a solid and relaxation on surfaces or interfaces, can cause a band deflection (V S ) of several tenths of an electron volt (eV). Light, which is directed onto a corresponding sample, generates electron-hole pairs in the band bending region at a rate G 0 , which are spatially separated by the electric field prevailing in the space charge zone, thereby reducing the existing band bending. According to the invention, a substantially unambiguous assignment to defect states causing the band bending with respect to their density, their energy levels and their energy width is achieved from a measured band bending or band bending with the parameters of a varying temperature and the light intensity.
Erfindungsgemäß wird dazu ein Verfahren zur Bestimmung
der energetischen Lage, der energetischen Breite und/
oder der Dichte von Defekten an der Oberfläche und/oder
wenigstens einer Grenzschicht einer Probe, die
ein Festkörper mit einer Bandlücke
oder ein Festkörper, der eine Bandverbiegung aufweisen
kann, ist, mit den
folgenden Verfahrensschritten:
According to the invention, a method for determining the energetic position, the energetic width and / or the density of defects on the surface and / or at least one boundary layer of a sample, which is a solid with a band gap or a solid which can have a band bending, is used for this purpose , with the following procedural steps:
- a) Messen der Bandverbiegung VS in Abhängigkeit der Lichtintensität von auf die Probe gestrahltem Licht und/oder der Temperatur der Probe;a) measuring the band deflection V S as a function of the light intensity of light radiated onto the sample and / or the temperature of the sample;
- b) Vorgeben von Vorgabewerten für die energetische Lage ET, die energetische Breite σT und/oder der Dichte NT der Defekte für wenigstens eine Art von Defekten;b) specifying default values for the energetic position E T , the energetic width σ T and / or the density N T of the defects for at least one type of defect;
- c) Berechnen wenigstens einer ersten Kurve der Bandver biegung VS in Abhängigkeit der Lichtintensität und/oder der Temperatur;c) calculating at least a first curve of the band deflection V S as a function of the light intensity and / or the temperature;
- d) Vergleichen der wenigstens einen ersten Kurve mit der gemessenen Bandverbiegung, undd) comparing the at least one first curve with the measured band deflection, and
- e) Anpassen der Vorgabewerte für wenigstens einen erneuten Schritt c), solange die Summe der Quadrate der Abweichung der Meßwerte von der wenigstens einen ersten Kurve (Fehlerquadrate) einen vorgegebenen Wert über schreitet.e) Adjusting the default values for at least one step c) again, as long as the sum of the squares of the Deviation of the measured values from the at least one first Curve (error squares) over a predetermined value steps.
Für die meisten Defekte wird durch dieses erfindungsge mäße Verfahren eine eindeutige Zuordnung der Defektarten zu deren energetischen Lage ET, deren energetischen Breite σT und/oder deren Dichte NT ermöglicht. Hierbei kann es unter Umständen sinnvoll sein, die zu untersu chenden Oberflächen bzw. Grenzflächen vorab durch andere Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, zu charakterisieren, um aus entsprechenden Erfahrungswerten die Vorgabewerte in die Nähe der zu bestimmenden End werte zu bringen. Ferner ist es vorzugsweise sinnvoll, die auf die Probe gestrahlte Lichtintensität genau zu bestimmen, um eine wohldefinierte Anzahl von Elektron- Lochpaaren zu erzeugen. Schließlich werden vorzugsweise übliche numerische Berechnungen durchgeführt, bei denen die Fehlerquadrate zu den erhaltenen Meßwerten minimiert werden.For most defects, this method according to the invention enables the defect types to be clearly assigned to their energetic position E T , their energetic width σ T and / or their density N T. In this case, it may make sense to characterize the surfaces or interfaces to be examined in advance by other methods that are known in the prior art, in order to bring the default values close to the final values to be determined from corresponding empirical values. Furthermore, it is preferably sensible to determine the light intensity radiated onto the sample precisely in order to generate a well-defined number of electron-hole pairs. Finally, customary numerical calculations are preferably carried out, in which the error squares for the measured values obtained are minimized.
Vorzugsweise findet zur Berechnung einer ersten Kurve der Bandverbiegung eine halb-klassische Halbleitertheo rie Verwendung. Diese basiert beispielsweise auf einer von Frankl und Ulmer entwickelten Theorie (siehe dazu D. R. Frankl und E. A. Ulmer, "Electrical properties of semiconductor surfaces", Pergamon Press, 1967). Diese auf Frankl und Ulmer basierende Theorie wird vorzugs weise dadurch erweitert, daß die Bandverbiegung nume risch im wesentlichen exakt auch für starke Injektionen berechnet wird. Dieses liefert eine erweiterte und selbstkonsistente Theorie der Bandverbiegung bzw. Bandrückbiegung aufgrund Erzeugung von Elektron-Loch paaren durch Lichteinstrahlung bzw. Temperaturvariation. Für den Fall der Erzeugung von Elektron-Lochpaaren in der Raumladungszone wird dieser Effekt Oberflächenpho tospannungs- oder SPV-Effekt (Surface-Photo-Voltage-Ef fekt) genannt.Preferably takes place to calculate a first curve the band bending is a semi-classic semiconductor theory rie use. This is based on, for example Theory developed by Frankl and Ulmer (see D. R. Frankl and E. A. Ulmer, "Electrical properties of semiconductor surfaces ", Pergamon Press, 1967). This theory based on Frankl and Ulmer is preferred expanded as a result that the band bending nume Essentially precisely, even for strong injections is calculated. This provides an expanded and self-consistent theory of band bending or Band bending due to the generation of an electron hole mate by exposure to light or temperature variation. In the case of the generation of electron-hole pairs in this effect becomes surface pho in the space charge zone voltage or SPV effect (Surface Photo Voltage Ef called).
Vorzugsweise wird als Näherung für die halb-klassische Halbleitertheorie angenommen, daß die Rekombination von Elektron-Lochpaaren direkt vom Leitungsband in das Valenzband verläuft. D. h., daß die Rekombination insbe sondere im Volumen nicht über Störstellen verläuft.Preferably, as an approximation to the semi-classic Semiconductor theory assumed that the recombination of Electron hole pairs directly from the conduction band into that Valence band runs. That is, the recombination in particular especially in the volume does not run over imperfections.
Vorzugsweise wird als Näherung für die halb-klassische Halbleitertheorie angenommen, daß die Generationsrate von Elektron-Lochpaaren über Störstellen in der Probe zu vernachlässigen ist. Preferably, as an approximation to the semi-classic Semiconductor theory assumed that the generation rate of electron-hole pairs via impurities in the sample is neglect.
Vorzugsweise wird als Näherung für die halb-klassische Halbleitertheorie angenommen, daß in der Raumladungszone der Probe das elektrostatische Potential linear von dem Weg von der Oberfläche der Probe in das Volumen der Probe abhängt.Preferably, as an approximation to the semi-classic Semiconductor theory assumed that in the space charge zone of the sample the electrostatic potential is linear from that Away from the surface of the sample into the volume of Sample depends.
Weiter vorzugsweise wird als Näherung für die halb- klassische Halbleitertheorie angenommen, daß die zeit lichen Änderungen der Konzentrationen der Elektronen und Löcher in der Probe zu vernachlässigen sind. Zur Ver einfachung der numerischen Berechnung wird zudem vor zugsweise ein eindimensionaler Fall betrachtet.It is more preferably used as an approximation for the half classical semiconductor theory assumed that the time changes in the concentrations of the electrons and Holes in the sample are negligible. Ver Simplification of the numerical calculation is also provided preferably considered a one-dimensional case.
Vorzugsweise werden nach Überschreiten einer ersten vorgebbaren Anzahl von Iterationsschritten c) und d) und Überschreiten des vorgegebenen Wertes der Fehlerquadrate wenigstens zwei Defektarten vorgegeben.Preferably after exceeding a first Predeterminable number of iteration steps c) and d) and Exceeding the specified value of the squares of errors predefined at least two types of defects.
Vorzugsweise findet nach Überschreiten einer zweiten vorgebbaren Anzahl von Iterationsschritten c) und d) und Überschreiten des vorgegebenen Wertes der Fehlerquadrate eine auf pn-Übergänge erweiterte Theorie Verwendung. Diese erweiterte Theorie ergibt sich vorzugsweise aus üblichen Halbleiterbauelement-Lehrbüchern, wie "S. M. Sze, Physics of semiconductor devices, 2nd edition, New York, Wiley 1981", wobei zu beachten ist, daß auch zunächst eine auf pn-Übergänge erweiterte Theorie angewendet werden kann, bevor wenigstens zwei Defektarten angenommen werden.After a second predeterminable number of iteration steps c) and d) has been exceeded and the predetermined value of the error squares has been exceeded, a theory expanded to pn transitions is used. This extended theory preferably results from conventional semiconductor component textbooks, such as "SM Sze, Physics of semiconductor devices, 2nd edition, New York, Wiley 1981 ", it being noted that a theory extended to pn junctions can also be used first before at least two types of defects are accepted.
Ferner wird vorteilhafterweise die Bandverbiegung bzw. die Bandrückbiegung im wesentlichen durch Parameter beeinflußt, die nicht durch eine Wechselwirkung der Probe mit einem Bandverbiegungs- bzw. Bandrückbiegungs meßinstrument hervorgerufen werden. Wenn dieses vor zugsweise Merkmal erfüllt ist, dann handelt es sich im wesentlichen um ein "abgeschlossenes" System, d. h., daß ein etwaiger zur Messung benötigter Strom, der durch die Probe fließt, klein ist gegenüber der Generationsrate G0 der Elektron-Lochpaare.Furthermore, the band bending or the band re-bending is advantageously influenced essentially by parameters that are not caused by an interaction of the sample with a band bending or band re-bending measuring instrument. If this preferred feature is met, then it is essentially a "closed" system, ie that any current required for measurement that flows through the sample is small compared to the generation rate G 0 of the electron-hole pairs.
Vorzugsweise ist das Bandverbiegungsmeßinstrument bzw. Bandrückbiegungsmeßinstrument eine Photoemissionsmeßap paratur. Durch diese Maßnahme wird insbesondere sehr obenflächensensitiv die Bandverbiegung bzw. Bandrück biegung meßbar. Vorzugsweise ist das Bandverbiegungs- oder Bandrückbiegungsmeßinstrument eine inverse Photo emissionsmeßapparatur.The strip bending measuring instrument or Ribbon bend meter a photoemission parature. This measure will be very great Band bending or band back is sensitive to the surface bend measurable. The band bending is preferably or tape rebound meter an inverse photo emission measuring apparatus.
Wenn vorteilhafterweise die Variation der Lichtintensi tät über eine Lichtquelle geschieht, die nicht die in der Photoemissionsmeßapparatur zur Messung der Bandver biegung bzw. Bandrückbiegung benötigte Photonenquelle ist, dann gibt es keine Verfälschung der entsprechenden Messungen durch den entsprechend von der Probe abflie ßenden Photostrom aufgrund von Kontaktierungseffekten mit beispielsweise dem Probenhalter. Zudem wird auf diese Art und Weise auch ein vergrößerter Meßbereich bezüglich der Lichtintensität ermöglicht.If advantageously the variation in light intensity happens via a light source that is not the in the Photoemissionsmeßapparatur for measuring the Bandver Bending or band bending required photon source then there is no falsification of the corresponding Measurements through which the sample flows accordingly Eating photocurrent due to contacting effects with, for example, the sample holder. In addition, on this way also an enlarged measuring range in terms of light intensity.
Vorzugsweise wird die Lichtintensität von 0 bis 900 mW/cm2 am Probenort variiert.The light intensity is preferably varied from 0 to 900 mW / cm 2 at the sample location.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der energetischen Lage ET, der energetischen Breite σT und/oder der Dichte NT von Defekten an der Oberfläche und/oder wenigstens einer Grenzschicht einer Probe, die ein Festkörper mit einer Bandlücke oder ein Festkörper, der eine Bandverbiegung auf weisen kann, ist, vorgeschlagen, die insbesondere zur Durch führung eines der vorgenannten Verfahren verwendet wird, das durch ein Bandverbiegungs- und/oder Bandrückbiegungsmeßmittel und eine von dem Meßmittel trennbare Lichtquelle, mit der Licht auf die Probe leitbar ist, gekennzeichnet ist. Durch diese erfindungsgemäße Lösung ist ein einfacher Meßaufbau möglich.According to the invention, a device for determining the energetic position E T , the energetic width σ T and / or the density N T of defects on the surface and / or at least one boundary layer of a sample is a solid with a band gap or a solid which Band bending may have, is proposed, which is used in particular for carrying out one of the aforementioned methods, which is characterized by a band bending and / or band bending-back measuring means and a light source which can be separated from the measuring means and with which light can be conducted onto the sample. This solution according to the invention enables a simple measurement setup.
Vorzugsweise ist das Meßmittel eine Photoemissionsmeß apparatur und/oder eine inverse Photoemissionsmeßappa ratur. Durch diese Maßnahme wird die Messung der Band verbiegung bzw. Bandrückbiegung relativ oberflächensen sitiv.The measuring means is preferably a photoemission measurement apparatus and / or an inverse photoemission measuring apparatus maturity. This measure will measure the tape Bending or band bending relatively surface sitiv.
Vorzugsweise wird die Erfindung dadurch weitergebildet, daß das Meßmittel die Bandverbiegung bzw. Bandrückbie gung kapazitiv erfaßbar macht. Das Meßmittel ist bei spielsweise vorzugsweise eine Kelvin-Sonde.The invention is preferably developed by that the measuring means the band bending or band back bending makes capacitively detectable. The measuring device is at for example, preferably a Kelvin probe.
Wenn vorzugweise die Vorrichtung einen Raum umfaßt, der Vakuum oder im wesentlichen inerte Gase aufweist, werden die Meßwerte der Bandverbiegung bzw. die Bestimmung der Defekte nicht durch etwaige an der Oberfläche sich befindenden störenden Adsorbate beeinflußt. Vorzugsweise wird die Oberfläche im Vakuum oder innerhalb des Raumes mit inerten Gasen gereinigt oder erst hergestellt.If preferably the device comprises a space which Has vacuum or substantially inert gases the measured values of the strip bending or the determination of the Defects are not caused by any surface damage interfering adsorbates located. Preferably becomes the surface in vacuum or within the room cleaned with inert gases or only manufactured.
Vorzugsweise emittiert die Lichtquelle Licht einer Wellenlänge, die größer als die Bandlücke der Probe ist.The light source preferably emits light Wavelength that is larger than the band gap of the sample.
Wenn vorzugsweise die Wellenlänge des Lichts so groß ist, daß das Licht wenigstens so tief in die Probe eindringt, daß der zu messende Bereich durchstrahlt wird, können auch tief im Volumen versteckte Grenz schichten bzw. die in der Nähe der Grenzschichten angeordneten Defekte gemessen werden.If preferably the wavelength of light is so great is that the light is at least as deep in the sample penetrates that the area to be measured shines through limits hidden deep in the volume layers or those close to the boundary layers arranged defects can be measured.
Ausführungs beispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.Execution examples of the invention are given below with reference to the drawings described.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Prinzip-Skizze der Bandrückbiegung eines Halbleiters aufgrund Lichteinfalls, Fig. 1 shows a schematic diagram of the band bending back of a semiconductor due to light incidence,
Fig. 2 einen experimentellen Aufbau zur Bestrahlung der Probe, Fig. 2 shows an experimental setup for irradiation of the sample,
Fig. 3 ein Beispiel für die Vorgehensweise zur Er mittlung der Verschiebung zweier Spektren, aus der sich die Bandrückbiegung ergibt, Fig. 3 shows an example of the procedure for He averaging the displacement of two spectra from the results in the band reverse bend,
Fig. 4 ein |VS| über log(G0)-Diagramm und eine Schar von drei Meßkurven, aus denen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessene Oberflä chenzustände der Defekte bzw. der Dotierung ergeben, und Fig. 4 a | V S | via log (G 0 ) diagram and a family of three measurement curves, from which surface states of the defects or the doping result, measured with the method according to the invention, and
Fig. 5 eine Berechnung der Oberflächenphotospannung für n-Typ Gallium-Arsenid mit einer Te-Dotie rung von 3,4 × 1017 cm-3; Figure 5 is a calculation of the surface photovoltage for n-type gallium arsenide with a Te-Dotie tion of 3.4 × 10 17 cm -3 .
- a) Diagramm von |VS| über log(G0) bei Raum temperatur;a) Diagram of | V S | via log (G 0 ) at room temperature;
- b) eine Schar von berechneten Kurven für verschiedene Temperaturen bei ET = 0,3 eV (resonanter Fall); b) a family of calculated curves for different temperatures at E T = 0.3 eV (resonant case);
- c) entsprechendes wie (b) für ET = 0,9 eV (nichtresonanter Fall);c) the same as (b) for E T = 0.9 eV (non-resonant case);
- d) Veränderung der Temperatur bei konstanter Elektron-Lochpaargenerationsrate G0 für den resonanten (A) und nichtresonanten Fall (B).d) Change in temperature at constant electron-hole pair generation rate G 0 for the resonant (A) and non-resonant case (B).
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen be zeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden.In the following figures, the same or corresponding parts with the same reference numerals draws, so that there is no renewed performance and only the deviations in these Illustrated embodiments compared to the first embodiment will be explained.
Fig. 1 zeigt das Prinzip des SPU-Effekts, wobei aufgrund der entstehenden Oberflächen-Photospannung durch eine Elektron 4 -Loch 5 -Paarbildung aufgrund des einstrah lenden Lichts 1 und anschließendem voneinander Entfernen der Elektronen 4 und Löcher 5, ein Potential in der Raumladungszone aufgebaut wird, das der Bandverbiegung der Bänder und insbesondere des Leitungsbandminimums 2 und Valenzbandmaximums 3 entgegenwirkt. Auf der rechten Seite der Fig. 1 ist der Gleichgewichtszustand an der Oberfläche eines Halbleiters, wie insbesondere Galli um-Arsenid (GaAs), mit der entsprechenden Bandverbiegung gezeigt. Fig. 1 shows the principle of the SPU effect, wherein due to the resulting surface photo voltage by an electron 4 -hole 5 -pairing due to the irradiating light 1 and subsequent removal of the electrons 4 and holes 5 , a potential in the space charge zone built up that counteracts the band bending of the bands and in particular the conduction band minimum 2 and valence band maximum 3 . On the right side of FIG. 1, the state of equilibrium on the surface of a semiconductor, such as in particular gallium arsenide (GaAs), is shown with the corresponding band bending.
Auf der linken Seite der Fig. 1 ist der Gleichgewichts zustand durch das einfallende Licht 1 gestört, was zu einer Abnahme der Oberflächenladung und somit zu einer Bandrückbiegung führt.On the left side of FIG. 1, the state of equilibrium is disturbed by the incident light 1 , which leads to a decrease in the surface charge and thus to a band bending back.
Der Strahlengang des eingestrahlten Lichts, das auf die Probe fällt, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Licht strahlen 1 der Lampe 6 werden beispielsweise an einem Parabolspiegel 7 reflektiert oder aber direkt an den Linsen 8 und 9 derart gebrochen, daß diese in der Nähe der Probe 10 fokussieren. Wird beispielsweise als Meßinstrument für die Bandrückbiegung ein Photoemissi onsmeßgerät verwendet, könnten sämtliche optischen Komponenten außerhalb der Ultrahochvakuumapparatur angeordnet sein. Die Anordnung könnte allerdings auch so sein, daß die Linse 9 innerhalb der Ultrahochvakuumap paratur angeordnet wäre oder aber sogar sämtliche Teile der Optik könnten in einer Ultrahochvakuumapparatur angeordnet sein. Vorzugsweise sind die heißen Teile außerhalb der UHV-Kammer angeordnet.The beam path of the incident light that falls on the sample is shown in FIG. 2. The light rays 1 of the lamp 6 are reflected, for example, on a parabolic mirror 7 or refracted directly on the lenses 8 and 9 in such a way that they focus in the vicinity of the sample 10 . For example, if a photoemissi onsmeßgerät is used as a measuring instrument for the band bending, all optical components could be arranged outside the ultra high vacuum apparatus. The arrangement could, however, also be such that the lens 9 would be arranged within the ultra-high vacuum apparatus or even all parts of the optics could be arranged in an ultra-high vacuum apparatus. The hot parts are preferably arranged outside the UHV chamber.
In Fig. 3 ist die Vorgangsweise zur Ermittlung der Verschiebung zweier Spektren dargestellt. Eine Ver schiebung des unteren Spektrums um den Abstand zwischen dem Nullpunkt und dem Maximum der Kreuzkorrelations funktion liefert eine optimale Übereinstimmung. Hier ist eine Bandrückbiegung SPV von 176 meV gemessen worden.In Fig. 3, the procedure is shown two spectra to determine the displacement. A shift of the lower spectrum by the distance between the zero point and the maximum of the cross-correlation function provides an optimal match. Here, a band deflection SPV of 176 meV was measured.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, aufgrund von Meßwerten einer Bandrückbiegung als Funktion der Tempe ratur und der Lichtintensität Rückschlüsse auf die charakteristischen Dichten, Energieniveaus und Energie breiten von Oberflächendefektzuständen und Grenzflä chendefektzuständen anzugeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung von Defektdichten herunter bis zu 1012 cm-2, was beispielsweise mit einer üblichen Photoemissionsspektroskopie alleine nicht möglich wäre.The present invention makes it possible to draw conclusions on the characteristic densities, energy levels and energy widths of surface defect states and boundary surface defect states on the basis of measured values of a band bending as a function of the temperature and the light intensity. The method according to the invention enables the determination of defect densities down to 10 12 cm -2 , which would not be possible, for example, with conventional photoemission spectroscopy alone.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Bandverbiegung VS bzw.
dessen Betrages in Abhängigkeit des Logarithmus der
Elektron-Lochpaargenerationsrate G0. Die angezeigten
Meßwerte wurden an einer Spaltfläche eines Gallium-Arsenid-Einkristalls
des Typs n mittels Photoemission
erzielt. Die Variation der Bandverbiegung wurde über
verschiedene Temperaturen und Variation der Lichtinten
sität erzielt. In der Fig. 4 sind 3 numerisch berechnete
Fits für die jeweiligen Meßwerte bei drei verschiedenen
Temperaturen gezeigt. In Fig. 4 ist also eine Schar von
drei ersten Kurven (Fits) für drei verschiedene Tempera
turen dargestellt. Aus diesen Fits ergeben sich die
Oberflächenzustände, die in diesem Fall akzeptorartig
sind, zu den folgenden Werten:
Fig. 4 is a diagram showing the band bending V S or its amount in dependence of the logarithm of the electron-hole pair generation rate F 0. The displayed measured values were achieved on a slit surface of a gallium arsenide single crystal of type n by means of photoemission. The variation of the band bending was achieved through different temperatures and variation of the light intensity. In FIG. 4 3 numerically calculated fits to the respective measured values at three different temperatures are shown. In Fig. 4, a group of three first curves (fits) for three different tempera tures is shown. From these fits, the surface states, which in this case are acceptor-like, result in the following values:
Dichte NA T = 2,75 × 1012 cm-2,
Density N A T = 2.75 × 10 12 cm -2 ,
Energieniveau EA T = 0,648 eV relativ zum Valenzbandma
ximum und
Energy level E A T = 0.648 eV relative to the valence band maximum and
Energiebreite σT = 1 meV.Energy width σ T = 1 meV.
Die Berechnung der Fits durch die gemessenen Werte, d. h.
die Berechnung der SPV-induzierten Bandrückbiegung,
geschieht mittels einer halb-klassischen Halbleiter
theorie nach Frankl und Ulmer aa0. Im thermischen
Gleichgewicht ergibt die Ladungsneutralität im Festkör
per
The calculation of the fits by means of the measured values, that is to say the calculation of the SPV-induced bending of the band, is carried out using a semi-classical semiconductor theory according to Frankl and Ulmer aa0. In thermal equilibrium, charge neutrality results in the solid
QSC + QT = 0 (1)
Q SC + Q T = 0 (1)
wobei QSC die Raumladung ist, die durch Lösen der Poisson-Gleichung erhalten wird und QT die Oberflä chenladung von Oberflächenzuständen ist, die aus Ein fachheitsgründen als eine Gauß'sche Zustandsdichte mit einer Dichte NT, einem Energieniveau ET in bezug zum Valenzbandmaximum 3 des Volumens der Probe 10 und σT die Halbwertsbreite ist. Gleichung (1) resultiert in einer Lage des intrinsischen Fermi-Niveaus an der Oberfläche in bezug zum intrinsischen Fermi-Niveau im Volumen der Probe, was als Bandverbiegung VS bezeichnet wird.where Q SC is the space charge which is obtained by solving the Poisson equation and Q T is the surface charge of surface states which, for reasons of simplicity, is a Gaussian density of states with a density N T , an energy level E T with respect to the valence band maximum 3 of the volume of the sample 10 and σ T is the half width. Equation (1) results in a position of the intrinsic Fermi level on the surface in relation to the intrinsic Fermi level in the volume of the sample, which is referred to as band deflection V S.
Unter Lichteinfall werden Elektron-Lochpaare erzeugt, die durch das eingebaute elektrische Feld der Raumla dungszone getrennt werden, wobei die Oberflächenladungen der Oberflächenzustände QT teilweise kompensiert werden. In diesem Fall sind die in die Gleichung (1) eingefügten Elektron- und Lochstatistiken mittels Quasi-Fermi- Niveaus QFL zu modifizieren. Die Oberflächenrekombina tion wird nach der Hall-Shockley-Read Theorie (R. Hall, Phys. Rev. 87, 387 (1952); W. Shockley, W. Read Jr., Phys. Rev. 87, 835 (1952)) behandelt, was in ein Quasi- Fermi-Niveau für die Oberflächenladung resultiert. Die tatsächliche Ladung in den Oberflächen- bzw. Grenz flächenzuständen QT im Nichtgleichgewicht wird dann als Funktion des Elektronen- oder Löcher-Quasi-Fermi-Niveaus erhalten. Die Raumladung QSC im Volumen hängt auch von dem Quasi-Fermi-Niveau der Elektronen und Löcher ab. Schließlich wird in Analogie zum Fall des thermischen Gleichgewichts die Bandverbiegung für die vorgegebene Defekt- bzw. Defekt-Zustandskonfiguration als eine Funktion des Quasi-Fermi-Niveaus berechnet.Electron-hole pairs are generated under the incidence of light, which are separated by the built-in electric field of the space charge zone, the surface charges of the surface states Q T being partially compensated for. In this case, the electron and hole statistics inserted in equation (1) must be modified using quasi-Fermi levels QFL. The surface recombination is treated according to the Hall-Shockley-Read theory (R. Hall, Phys. Rev. 87, 387 ( 1952 ); W. Shockley, W. Read Jr., Phys. Rev. 87, 835 ( 1952 )) , which results in a quasi-Fermi level for the surface charge. The actual charge in the surface or interface states Q T in the non-equilibrium is then obtained as a function of the electron or hole quasi-Fermi level. The space charge Q SC in volume also depends on the quasi-Fermi level of the electrons and holes. Finally, in analogy to the case of thermal equilibrium, the band deflection for the given defect or defect state configuration is calculated as a function of the quasi-Fermi level.
Was jetzt noch fehlt, ist die Beziehung zwischen der Lage des Quasi-Fermi-Niveaus und der Elektron-Lochpaar generationsrate G0 an der Oberfläche bzw. an der Grenz schicht. Diese Beziehung wird durch Lösen der Diffu sionsgleichung berechnet. Eine entsprechende Lösung der Diffusionsgleichung wurde durch Frankl und Ulmer, aa0, durchgeführt, wobei diese allerdings zwei völlig in die falsche Richtung und zu falschen Ergebnissen führende Näherungen angenommen haben, nämlich erstens eine niedrige Intensität des einfallenden Lichts und zweitens ein elektrisches Feld von 0 in der Raumladungszone. Wird die Bandverbiegung VS gegen log(G0) mit den Näherungen von Frankl und Ulmer berechnet, ergibt sich die gepunk tete Kurve der Fig. 5(a).What is still missing is the relationship between the position of the quasi-Fermi level and the electron-hole pair generation rate G 0 at the surface or at the boundary layer. This relationship is calculated by solving the diffusion equation. A corresponding solution of the diffusion equation was carried out by Frankl and Ulmer, aa0, although they have adopted two approximations that lead completely in the wrong direction and lead to wrong results, namely firstly a low intensity of the incident light and secondly an electric field of 0 in the Space charge zone. If the band deflection V S against log (G 0 ) is calculated using the approximations of Frankl and Ulmer, the dotted curve of FIG. 5 (a) results.
Wird die Diffusionsgleichung ohne die von Frankl und Ulmer vorgenommenen Annahmen durchgeführt, ergeben sich die durchgezogenen Linien der Fig. 5. Für eine geringe Lichtintensität des einstrahlenden Lichts ist zunächst eine maximale Bandverbiegung zu erkennen, die durch den flachen Teil der Kurven dargestellt wird. Bei mittleren Intensitäten werden zwei Arten von Bandrückbiegungen festgestellt. Für Defektenergieniveaus von ET ≧ 0,7 eV (wobei dieses für Gallium-Arsenid gilt) ist ein modera ter Abfall der Bandverbiegung zu beobachten, während für ET ≦ 0,7 eV ein scharfer Abfall zu finden ist, der der Kürze wegen als resonant bezeichnet wird. Für sehr hohe Intensitäten wird ein Flachbandzustand erreicht.If the diffusion equation is carried out without the assumptions made by Frankl and Ulmer, the solid lines in FIG. 5 result . For a low light intensity of the incident light, a maximum band deflection can first be seen, which is represented by the flat part of the curves. At medium intensities, two types of band bends are noted. For defect energy levels of E T ≧ 0.7 eV (whereby this applies to gallium arsenide), a moderate decrease in the band bending can be observed, while for E T ≦ 0.7 eV a sharp decrease can be found, which due to the shortness of is called resonant. A flat band state is achieved for very high intensities.
Insbesondere für niedrige Defektniveaus können mit der 2. Annahme von Frankl und Ulmer berechnete Kurven keine signifikanten Unterschiede zu der mit 0,7 eV berechneten Kurve bzw. deren Fit beoabachtet werden. D. h., daß zumindest für diese Fits die Theorie von Frankl und Ulmer für niedrige Defektniveaus unbrauchbar ist. Bei Benutzen eines realistischeren finiten Feldes in der Raumladungszone, wie beispielsweise einer linearen Abhängigkeit des Feldes von der Tiefe in das Volumen der Probe, wird ein kantenartiger Verlauf der Kurve VS gegen log(G0) für Defektenergieniveaus unterhalb des Valenz bandmaximums 3 an der Oberfläche eines Halbleiters des n-Typs erzielt.Especially for low defect levels, the second assumption of curves calculated by Frankl and Ulmer means that there are no significant differences to the curve calculated with 0.7 eV or its fit. That is, at least for these fits, Frankl and Ulmer's theory is useless for low defect levels. When using a more realistic finite field in the space charge zone, such as a linear dependence of the field on the depth in the volume of the sample, an edge-like curve of the curve V S against log (G 0 ) for defect energy levels below the valence band maximum 3 on the surface of an n-type semiconductor.
In Fig. 5(b) und Fig. 5(c) sind VS über log(G0)-Kurven
für verschiedene Temperaturen im resonanten und nichtre
sonanten Fall dargestellt. Die Bandrückbiegung als eine
Funktion der Temperatur bei konstantem Lichteinfall ist
für den resonanten Fall A und den nichtresonanten Fall B
in Fig. 5 (d) dargestellt. Um nun die gewonnenen experi
mentellen Daten mittels der Theorie in entsprechende
Energieniveaus, Energiebreiten und Dichten von Defekten
zu bestimmen, wird die Elektron-Lochpaargenerationsrate
über
In Figure 5 (b). FIG. 5 (c) are illustrated V S vs. log (G 0) curves for different temperatures in the resonant and sonant nichtre case. The band bending back as a function of the temperature with constant incidence of light is shown for the resonant case A and the non-resonant case B in FIG. 5 (d). In order to determine the experimental data obtained by means of the theory in corresponding energy levels, energy widths and densities of defects, the electron hole pair generation rate is over
G0 = 1/Aα(w)P0(w)dw (2)
G 0 = 1 / Aα (w) P 0 (w) dw (2)
erhalten, wobei A der bestrahlte Teil der Oberfläche, α(w) der Absorptionskoeffizient und P0(w) der Photonen strom ist. Der Photonenstrom P0(w), der bei dem Photo emissionsmeßapparat durch beispielsweise eine Helium gasentladungslampe und durch die weitere Lampe im optischen und UV-Bereich auf die Probe trifft, wird durch ein kalibriertes optisches Spektrometer bestimmt. Der Absorptionskoeffizient w für Gallium-Arsenid wurde durch ellipsometrische Daten, die allgemein bekannt sind, ermittelt. Diese Daten können allerdings für die jeweiligen Proben selbst auch auf übliche Art und Weise ermittelt werden. Eine Lichteinstrahlung durch die zusätzliche Lampe von 900 mW/cm2 entspricht einem log(G0) von 24 auf Gallium-Arsenid.obtained, where A is the irradiated part of the surface, α (w) the absorption coefficient and P 0 (w) the photon current. The photon current P 0 (w), which strikes the sample in the photo emission measuring apparatus by, for example, a helium gas discharge lamp and by the further lamp in the optical and UV range, is determined by a calibrated optical spectrometer. The absorption coefficient w for gallium arsenide was determined by ellipsometric data, which are generally known. However, this data can also be determined in the usual way for the respective samples themselves. A light radiation from the additional lamp of 900 mW / cm 2 corresponds to a log (G 0 ) of 24 on gallium arsenide.
Durch die vorliegende Erfindung können Defekte bezüglich deren Energieniveaus, deren energetischen Breiten und deren Dichte quantitativ bestimmt werden, wobei eine halb-klassische Halbleitertheorie, wie insbesondere die von Frankl und Ulmer, mit der angegebenen Erweiterung Anwendung findet. Durch Messen von VS gegen log(G0)- Kurven bei verschiedenen Temperaturen können Fits mit Hilfe der angegebenen Theorie durchgeführt werden, die einen bestimmten Satz von Oberflächendefektparametern NT, ET und σT ergeben. Dieses ist insbesondere auch möglich in einem Bereich einer Dotierung und einer Defektkonzentration, bei der ein Fermi-Level-Pinning nicht vorherrscht. Außerdem führt das erfindungsgemäße Verfahren dazu, daß absolute Werte der Bandverbiegung gemessen werden können, die nicht direkt mit Photoemis sion oder weiteren Meßmethoden gemessen werden können.Defects with regard to their energy levels, their energetic widths and their density can be determined quantitatively by the present invention, a semi-classical semiconductor theory, such as in particular that of Frankl and Ulmer, being used with the stated extension. By measuring V S against log (G 0 ) curves at different temperatures, fits can be performed using the theory given, which result in a certain set of surface defect parameters N T , E T and σ T. In particular, this is also possible in a range of doping and defect concentration in which Fermi-level pinning does not predominate. In addition, the inventive method leads to the fact that absolute values of the band bending can be measured, which can not be measured directly with Photoemis sion or other measuring methods.
Es wird verstanden, daß die vorliegende Beschreibung nicht den Schutzbereich des vorliegenden Patents auf das spezielle Beispiel beschränkt. Vielmehr können an diversen Oberflächen bzw. diversen Grenzflächen die Parameter für die entsprechenden Defekte bestimmt werden. Dieses kann nicht nur mit Photoemissions- oder inverser Photoemissionsmessung geschehen, sondern auch durch diverse andere Meßmethoden, die lediglich ein Verschieben der Bandverbiegung detektieren können müssen. Hierbei sind insbesondere kapazitive Meßmethoden denkbar, ferner ist es auch ohne weiteres möglich, ein Rastertunnelmikroskop auch entsprechend in einem derar tigen Modus zu fahren, daß die Variation der Bandver biegung gemessen werden kann.It is understood that the present description not the scope of the present patent on the limited specific example. Rather, you can various surfaces or various interfaces Parameters determined for the corresponding defects become. This can not only with photo emission or inverse photoemission measurement happen, but also through various other measurement methods, which are only a Can detect displacement of the band bending have to. In particular, capacitive measuring methods are used here conceivable, furthermore, it is also possible without further ado Scanning tunneling microscope in a derar term mode to drive that the variation of Bandver bend can be measured.
Claims (19)
- a) Messen der Bandverbiegung (VS) in Abhängigkeit der Lichtintensität von auf die Probe (10) gestrahltem Licht (1) und/oder der Temperatur;
- b) Vorgeben von Vorgabewerten für die energetische Lage (ET), die energetische Breite (σT) und/oder der Dichte (NT) der Defekte für wenigstens eine Art von Defekten;
- c) Berechnen wenigstens einer ersten Kurve der Bandver biegung (VS) in Abhängigkeit der Lichtintensität und/ oder der Temperatur;
- d) Vergleichen der wenigstens einen ersten Kurve mit der gemessenen Bandverbiegung, und
- e) Anpassen der Vorgabewerte für wenigstens einen erneuten Schritt c), solange die Summe der Quadrate der Abweichungen der Meßwerte von der wenigstens einen ersten Kurve (Fehlerquadrate) einen vorgegebenen Wert überschreitet.
- a) measuring the band deflection (V S ) as a function of the light intensity of light ( 1 ) radiated onto the sample ( 10 ) and / or the temperature;
- b) specifying default values for the energetic position (E T ), the energetic width (σ T ) and / or the density (N T ) of the defects for at least one type of defect;
- c) calculating at least a first curve of the band deflection (V S ) as a function of the light intensity and / or the temperature;
- d) comparing the at least one first curve with the measured band deflection, and
- e) adapting the default values for at least one renewed step c), as long as the sum of the squares of the deviations of the measured values from the at least one first curve (error squares) exceeds a predetermined value.
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Also Published As
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