DE2521909A1 - MEASURING METHOD AND MEASURING ARRANGEMENT - Google Patents

MEASURING METHOD AND MEASURING ARRANGEMENT

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Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung und ein -verfahren insbesondere zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Halbleiters, in dem ein meßbarer Parameter, der diese Eigenschaft beschreibt, mit der Tiefe des Halbleiters veränderlich ist.The invention relates to a measuring arrangement and a method in particular for determining a property of a semiconductor, in which a measurable parameter that this property describes that varies with the depth of the semiconductor.

Die Meßanordnung verwendet einen Elektrolyten als "Schottky"■ Gleichrichter- oder Sperrkontakt auf einem Halbleiter, um ein Profil der (Ladungs^Trägerdichte im Halbleiter zu erhalten, und zwar in beliebiger Tiefe. Dies wird mittels einer anodischen Auflösungsreaktion zwischen dem Halbleiter und dem Elektrolyten derart durchgeführt, daß der Halbleiter gesteuert aufgelöst wird, während gleichzeitig (oder nacheinander) Kapazitätmessungen an der in Sperrichtung gepolten Sperrschicht des Halbleiters durchgeführt werden. Die Kapazität hängt mit der Ladungsträgerdiohte in einfacher Weise über eine bekannte Gleichung (nach Schottky, 19^2) zusammen,The measuring arrangement uses an electrolyte as "Schottky" ■ Rectifier or blocking contact on a semiconductor in order to obtain a profile of the (charge ^ carrier density in the semiconductor, and in any depth. This is done by means of an anodic dissolution reaction between the semiconductor and the electrolyte carried out in such a way that the semiconductor is resolved in a controlled manner, while simultaneously (or successively) Capacitance measurements can be carried out on the junction of the semiconductor which is polarized in the reverse direction. The capacity is related to the charge carrier diameter in a simple manner via a known equation (according to Schottky, 19 ^ 2),

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so daß mit Hilfe einer einfachen analogen Elektronikschaltung die Ladungsträgerdichte über der Tiefe aufgenommen werden kann.so that with the help of a simple analog electronic circuit the charge carrier density can be recorded over the depth.

Die Meßanordnung arbeitet kurz folgendermaßen: Für einen n-Typ-Halbleiter erfolgt die anodische Auflösung bei festem Potential (das durch einen "potentiostatischen", d. h. die Spannung konstanthaltenden Regler einstellbar ist), und zwar mit\einer Rate, die durch die Verfügbarkeit von Minoritätsträgern (Löchern) bestimmt ist, die durch Bestrahlung des Materials erzeugt werden. Das anodische Potential entspricht einer Bandkrümmung in der Größenordnung von 1 V in Verarmungsrichtung, wodurch eine gleichzeitige Kapazitätsmessung mittels eines phasenempfindlichen Verfahrens möglich ist. Das Integral des Auflösungsstroms ergibt zusammen mit einer Korrektur der Sperrschichtweite den Tiefen^jnaßstab der Profildarstellung. Eine Steuer- bzw. Regeleinheit beendet die Auflösung, nachdem eine vorbestimmte Materialmenge entfernt wurde, oder veranlaßt einen neuen Durchlauf eines Schreiberstiftes. Die Meßanordnung kann also während der Messung vollständig sich selbst überlassen werden, nachdem die Probe eingespannt und Anfangseinstellungen vorgenommen wurden.Briefly, the measuring arrangement works as follows: For an n-type semiconductor, the anodic dissolution takes place with a fixed potential (which is determined by a "potentiostatic", d. H. the voltage constant controller is adjustable), at a rate that is determined by the Availability of minority carriers (holes) is determined, which are generated by irradiating the material. The anodic potential corresponds to a band curvature in the order of magnitude of 1 V in the depletion direction, whereby a simultaneous capacitance measurement by means of a phase-sensitive Procedure is possible. The integral of the dissolution current, together with a correction, gives the The width of the barrier layer corresponds to the depth of the profile representation. A control or regulating unit terminates the dissolution after a predetermined amount of material has been removed, or initiates a new run of a pen. The measuring arrangement can therefore be complete during the measurement left to itself after clamping the specimen and making initial adjustments.

Bei einem p-Typ-Halbleiter stehen bei kleinen angelegten Potentialen große anodische Ströme auch ohne Bestrahlung zur Verfügung. Die Auflösung kann entweder bei konstantem Potential durchgeführt werden, oder bei einem geregelten Konstant strom. Um für die Kapazitätsmessungen einen Sperrzustand einzustellen, wird eine periodische Umschaltung in den kathodischen Betrieb, d. h. auf ein vorbestimmtes Potential vorgenommen, mit der Einschränkung, daß nur extrem kleine Ladungsverschiebungen in kathodischer Richtung zulässig sind.In the case of a p-type semiconductor, small applied Large anodic currents are also available without irradiation. The resolution can either be constant Potential, or with a regulated constant current. To have a blocking state for the capacitance measurements set, a periodic switch to cathodic operation, i. H. to a predetermined one Potential made, with the restriction that only extremely small charge shifts in the cathodic direction are permitted are.

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Eine automatische Unterscheidung zwischen p- oder n-Typ-Material'kann durch die Erfassung des Strom- oder Kapazitätswertes bei anodischem Betrieb erfolgen; dies kann zum Einstellen der geeigneten Bedingungen für die Messung der Sperrschichtkapazität verwendet werden.An automatic differentiation between p- or n-type material can be made by detecting the current or Capacitance values take place in anodic operation; this can be used to set the appropriate conditions for the Measurement of the junction capacitance can be used.

Ein Vorteil der elektrochemischen Profilmeßanordnung besteht darin, daß die Tiefe nicht beschränkt ist. Dadurch unterscheidet sich die Anordnung von bereits entwickelten Anordnungen, bei denen an eine Schottky-Randschicht eine steigende Sperrspannung angelegt werden
muß, um die Sperrschichtweite und somit die Meßtiefe so weit wie möglich in den Halbleiter hinein auszudehnen. Bei diesen Anordnungen wird eine Grenze erreicht, über der keine weitere Messung möglich ist, wenn ein Durchbruch in Sperrichtung erfolgt. Bei Galliumarsenid beispielsweise ist diese Grenze bei 3 yum bzw. 0,1 /um,
One advantage of the electrochemical profile measuring arrangement is that the depth is not limited. This distinguishes the arrangement from arrangements that have already been developed, in which an increasing reverse voltage is applied to a Schottky edge layer
must in order to extend the barrier layer width and thus the measurement depth as far as possible into the semiconductor. With these arrangements a limit is reached above which no further measurement is possible if a breakdown occurs in the reverse direction. In the case of gallium arsenide, for example, this limit is 3 μm or 0.1 μm,

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wenn die Trägerdichte 10 bzw. 10 cm ^ beträgt. Zur Prüfung in größerer Tiefe muß in getrennten chemischen Ktzschritten Material entfernt werden, so daß der Prozeß nicht langer kontinuierlich ist. Die automatische elektrochemische Meßanordnung dagegen führt das Ätzen und die Messung genau und gleichzeitig durch (wobei die Schottky-Randschicht stets weit unterhalb der kritischen Durchbruchspannung vorgespannt ist), so dfiß ein kontinuierliches Profil ohne Tiefenbeschränkung erzeugbar ist.when the carrier density is 10 and 10 cm ^, respectively. For testing in greater depth must be in separate chemical Etching steps remove material so that the process is no longer continuous. The automatic electrochemical The measuring arrangement, on the other hand, carries out the etching and the measurement precisely and simultaneously (with the Schottky boundary layer is always biased well below the critical breakdown voltage), so a continuous Profile can be generated without depth restriction.

Eine zusätzliche Eigenschaft ist durch die Anwendung zur Profilherstellung bzw. Profilierung von Übergangsstrukturen gegeben ( p-n, n-p, p-n-p und n-p-n), bei denen die Materialentfernung eine wesentliche Forderung darstellt, und für die die bereits entwickelten Anordnungen besonders ungeeignet sind.An additional property is given by the application for profile production or profiling of transition structures (p-n, n-p, p-n-p and n-p-n), where the material removal is an essential requirement, and for which the arrangements already developed are particularly unsuitable.

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Die elektrochemische Anordnung kann auch zum Unterscheiden zwischen verschiedenen Halbleitern (z. B.beim Profilieren von HeteroStrukturen) verwendet werden, indem der Verlauf des Bandkrümmungspotentials, der aus der Kapazitätsmessung abgeleitet ist, über der Tiefe dargestellt wird. Genauere Messungen des Bandabstandes von Materialien können erhalten werden durch Analyse der Photostrom-Eigenschaften der Halbleiter-Elektrolyt-Trennfläche als Funktion der Bestrahlungswellenlänge.The electrochemical arrangement can also be used to distinguish between different semiconductors (e.g. in Profiling of heterostructures) can be used by the course of the band curvature potential, which is derived from the Capacitance measurement is derived, is shown over the depth. More accurate measurements of the band gap of Materials can be obtained by analyzing the photocurrent properties of the semiconductor-electrolyte interface as a function of the irradiation wavelength.

Die Grundgedanken wurden für n- und ρ-GaAs und GaP mit einem 10 #-igen (10 % Gewicht in der Volumenkonzentration) KOH-Elektrolyten verwirklicht, und es besteht kein Grund zu der Annahme, daß das Verfahren nicht auch auf andere ,Materialien anwendbar ist.The principles have been applied to n- and ρ-GaAs and GaP with a 10 # (10 % weight by volume) KOH electrolyte, and there is no reason to believe that the method is not applicable to other materials is.

Das Meßverfahren und die Meßanordnung der Erfindung eignen sich insbesondere zum Bestimmen von Donatordichte-Profilen in Halbleiter-Epitaxialschicht-Substrat-Strukturen (n/n+) für IMPATT- und andere Mikrowellendioden, was mit Hilfe des erfindungsgemäßen elektrochemischen Verfahrens stark vereinfacht wurde. Im Gegensatz zu bereits erwogenen Verfahren wird durch die Erfindung ein kontinuierliches Tiefenprofil erzeugt, das den gesamten Trennflächen- bzw. Schnittstelleribereich und das Substrat selbst in beliebiger Tiefe umfaßt. Somit wird durch die Erfindung eine Information erhalten, die nicht nur zum Prüfen auf bestimmte Schaltungsanforderungen benötigt wird, sondern auch zum Optimieren von Schichtenwachstumsvorgängen.The measuring method and the measuring arrangement of the invention are particularly suitable for determining donor density profiles in semiconductor epitaxial layer substrate structures (n / n + ) for IMPATT and other microwave diodes, which has been greatly simplified with the aid of the electrochemical method according to the invention. In contrast to the processes already considered, the invention produces a continuous depth profile which encompasses the entire separation surface or interface area and the substrate itself at any depth. The invention thus provides information that is required not only for checking for specific circuit requirements, but also for optimizing layer growth processes.

Die Erfindung geht ebenso wie andere bereits entwickelte Verfahren von der Bildung einer Schottky-RandschichtThe invention, like other processes already developed, is based on the formation of a Schottky edge layer

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an der gemessenen Oberfläche aus. Ein Nachteil der bereits entwickelten Verfahren besteht darin, daß die maximale Tiefe unter der Oberfläche, aus der Information z. B. durch Analyse der Zusammenhänge zwischen Kapazität und Spannung oder Strom und Spannung abgeleitet werden kann, streng begrenzt ist. Diese Begrenzung entsteht, da die Messungen im Sperrschichtbereich des Halbleiters im Sperrbetrieb durchgeführt werden, wobei die Ausdehnung dieses Gebietes durch das maximale Potential bestimmt ist, das ohne Durchbruch angelegt werden darf. Da die Aktivgebietdicke einer IMPATT-Diode notwendigerweise größer als die Sperrschichtweite beim Durchbruch ist, kann eine Epitaxialschichtstruktur für eine derartige Schaltungsanordnung ohne Entfernung des Oberflächenmaterials nicht so tief wie das Trennflächengebiet profiliert werden. Da die maximale Sperrschichtweite außerdem mit zunehmender Dotierungsdichte abnimmt, würde das Profilieren durch die Trennfläche hindurch in das Substrat viele Schritte erfordern, unter Verwendung des bereits entwickelten Verfahrens, bei dem eine schrittweise Materialentfernung durch Ätzen erfolgt.on the measured surface. A disadvantage of the methods already developed is that the maximum Depth below the surface, from which information z. B. by analyzing the relationships between capacity and Voltage or current and voltage can be derived is strictly limited. This limitation arises because the Measurements in the junction area of the semiconductor can be carried out in blocking mode, with the expansion this area is determined by the maximum potential that can be applied without a breakthrough. Since the Active area thickness of an IMPATT diode is necessarily greater than the junction width at breakdown, can provide an epitaxial layer structure for such a circuit arrangement without removing the surface material not be profiled as deep as the interface area. Because the maximum barrier width also decreases with increasing doping density, the profiling would go through the interface into the Substrate requiring many steps using the already developed one step-by-step process Material is removed by etching.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kontinuierliche Tief enprof ilmessung zu ermöglichen, was mit üereits entwickelten Verfahren mit aufgedampften Metallpunkten oder mittels einer Quecksilbersonde nicht möglich ist.It is therefore the object of the invention to enable a continuous depth profile measurement, which is already the case developed method with vapor-deposited metal points or with a mercury probe is not possible.

Das erfindungsgemäße elektrochemische Verfahren verwendet als Barrier- oder Randschicht- oder Sperrschichtmaterial einen konzentrierten Elektrolyten, der auch ein Mittel für die gesteuerte Auflösung einer Oberfläche des Halbleiters derart bildet, daß ein kontinuierliches Tiefenprofil entsteht. Die Tiefenprofil-Charakteristik kannThe electrochemical process according to the invention is used as a barrier or edge layer or barrier layer material a concentrated electrolyte, which is also a means for the controlled dissolution of a surface of the Semiconductor forms such that a continuous depth profile is created. The depth profile characteristic can

-D--D-

durch Kapazitäts-Spannungs-Messungen auf massivem GaAs vom η-Typ mit KOH als Elektrolyt bestimmt werden. In einem.Verfahren zur elektrochemischen Auflösung wird die Probenoberfläche erfindungsgemäß durch den Elektrolyten hindurch bestrahlt, während das Schottky-Rand schichtpotential auf einem ausreichend niedrigen Wert gehalten wird, um einen Durchbruch zu vermeiden. Die Bestrahlung erzeugt Minoritätsträger, die für die Auflösungsreaktion wesentlich sind, so daß die Auflösungsrate direkt von der Bestrahlungsstärke abhängt. Um Donatordichtev*Profile in Epitaxialschichtstrukturen zu erhalten, wurd e eine Anordnung entwickelt, in der Kapazitätsmessungen kontinuierlich durchgeführt werden, während die EpitaxieIschicht elektrochemisch aufgelöst wird.can be determined by capacitance-voltage measurements on solid GaAs of the η-type with KOH as the electrolyte. In a method for electrochemical dissolution, the sample surface is irradiated through the electrolyte according to the invention, while the Schottky edge layer potential is kept at a sufficiently low value to avoid a breakdown. The irradiation produces minority carriers which are essential for the dissolution reaction, so that the dissolution rate is directly dependent on the irradiance. In order to obtain donor density v * profiles in epitaxial layer structures, an arrangement was developed in which capacitance measurements are carried out continuously while the epitaxial layer is dissolved electrochemically.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer automatischen Meßanordnung entsprechend der Erfindung;1 shows the block diagram of an automatic measuring arrangement according to the invention;

Fig. 2 graphisch den Zusammenhang zwischen der Nettodonatordichte pro cnr und der Tiefe einer profilierten Oberfläche in ,van für eine GaAs-Probe;2 graphically shows the relationship between the net donor density per cm and the depth of a profiled surface in , van for a GaAs sample;

Fig. 3 eine Kurve mit ungleichmäßiger Halbleiterdotierung bei verhältnismäßig hohen Dotierungsdichten für eine Probe, die in einer Epitaxielwachstumseinrichtung bei einem Fehler in der Steuerung hergestellt wurde;3 shows a curve with non-uniform semiconductor doping at relatively high doping densities for a sample in an epitaxial growth device was established in the event of an error in the controller;

Fig. 4 eine elektrochemische Zelle der Anordnung nach Fig. 1;FIG. 4 shows an electrochemical cell of the arrangement according to FIG. 1;

Fig. 5a graphisch den Zusammenhang zwischen dem elektrostatischen Potential und der Tiefe einer Probe für eine bestrahlte Probe nach Fig. 5b;5a graphically shows the relationship between the electrostatic potential and the depth of a sample for an irradiated sample according to FIG. 5b;

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Pig. 6 ein genaueres Blockschaltbild der Meßanordnung nach Fig. Ij undPig. 6 shows a more detailed block diagram of the measuring arrangement according to FIGS

Fig. 7 ein Blockschaltbild für eine verbesserte Meßanordnung entsprechend der Erfindung.Fig. 7 is a block diagram for an improved measuring arrangement according to the invention.

Fig. 1 stellt eine automatische Meßanordnung zur Bestimmung von Donatordichte-Profilen in Proben aus HaIbleiter-Epitaxialschicht-Substrat-Strukturen dar, die beispielsweise in IMPATT- und anderen Mikrowellendioden verwendet werden. Die Probe bildet einen Teil einer elektrochemischen Zelle (auch Element oder Kette genannt), die nachstehend näher beschrieben wird. Die Zelle wird als Teil des Rückkopplungsweges in einer "potentiostatischen" Schaltung verwendet, die die Einstellung eines konstanten, von der Bestrahlungsdichte unabhängigen Auflösungspotentials gestattet. Zur Bestrahlung wird eine gefilterte 250 V-Quarz-Halogenlampe verwendet, wobei das Wellenlängengebiet unterhalb der Absorptionskante des Halbleiters liegt. Der Gleichstrom durch die Zelle zeigt die Auflösungsgeschwindigkeit bzw. -rate an, und ein Stromintegrator erzeugt entsprechend dem laradayschen Elektrolyse-Gesetz ein Signal proportional zur Dicke des abgetragenen Materials. Die Kapazität der Halbleiter-Sperrschicht bei konstantem Randschichtpotential wird durch Einspeisen eines 3 kHz-Signals mit 50 mV Effektivwert bestimmt, und durch Messen des Imaginärteils des Wechselstroms, in^dem ein phasenempfindlicher Detektor in bekannter Weise verwendet wird. Das Detektorsignal wird in ein Signal umgesetzt, das proportional zum Logarithmus der Donatordichte ist, und in den Y-Eingang eines X-Y-AufZeichnungsgeräts (im folgenden kurz Schreiber genannt) eingespeist.1 shows an automatic measuring arrangement for the determination of donor density profiles in samples of semiconductor-epitaxial layer-substrate structures which are used, for example, in IMPATT and other microwave diodes. The sample forms part of an electrochemical Cell (also called element or chain), which is described in more detail below. The cell is called Part of the feedback path in a "potentiostatic" Circuit used to set a constant resolution potential that is independent of the irradiance allowed. A filtered 250 V quartz halogen lamp is used for irradiation used, wherein the wavelength range is below the absorption edge of the semiconductor. Of the Direct current through the cell indicates the rate of dissolution and a current integrator generates a signal according to Laraday's law of electrolysis proportional to the thickness of the material removed. The capacity of the semiconductor barrier layer at constant surface layer potential is determined by feeding in a 3 kHz signal with 50 mV rms value and measuring the Imaginary part of the alternating current in which a phase-sensitive Detector is used in a known manner. The detector signal is converted into a signal that is proportional to the logarithm of the donor density, and to the Y input of an X-Y recording device (hereinafter referred to as recorder called).

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Die einfache Schottkybeziehung zwischen der Kapazität C und der Netto-Donatordichte (Np-NA) ist durch folgende Gleichung gegeben:The simple Schottky relationship between the capacitance C and the net donor density (Np-N A ) is given by the following equation:

Λα"Λα "

Die Barrier- bzw. Potentialwallhöhe, die zuvor durch eine Kapazitäts-Spannungs-Eichung bestimmt wird, beträgt bei den gewählten Auflösungsbedingungen für GaAs typisch 1,4 eV, und die Fläche A ist etwa 5 χ 1O~2 cm2.The Barrier and potential barrier height which is previously determined by a capacitance-voltage calibration at the chosen dissolution conditions for GaAs is typically 1.4 eV, and the area A is about 5 χ 1O ~ 2 cm 2.

Das Kapazitätssignal wird zum Bestimmen der Sperrschicht· weite W mittels eines Teilermoduls verwendet, da gilt: W =i The capacitance signal is used to determine the barrier layer · width W by means of a divider module, since the following applies: W = i

Dadurch ist ein Korrekturwert gegeben, der zum bereduzierten stimmten Wert der durch Auflösung / Dicke addiertThis gives a correction value that corresponds to the reduced correct value added by resolution / thickness

wird, so daß die effektive Tiefe ermittelt wird. Diese effektive Tiefe wird auf der X-Achse des X-Y-S ehr eibers aufgetragen.so that the effective depth is determined. This effective depth is shown on the X-axis of the X-Y axis applied.

Eine besondere Vorbereitung der Probe ist nicht erforderlich, da die zu untersuchende Fläche durch einen Dichtungsring auf der Zelle definiert ist; Kontakte zur Rückseite der Probe sind einfache feuerverzinnte Sonden, die leicht mit Hilfe eines Spannungsimpulses gesichert werden können. Nach Beginn der Auflösung kann die Anordnung selbständig arbeiten, bis eine, vorbestimmte Menge des Halbleitermaterials abgetragen ist.No special preparation of the sample is required, since the area to be examined is defined by a sealing ring on the cell; Contacts to Back of the sample are simple hot-dip tinned probes that are easily secured with the help of a voltage pulse can be. After the start of the dissolution, the arrangement can work independently until a predetermined amount of the Semiconductor material is removed.

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Ein Beispiel für ein Profil, das für eine Doppe1-Epitaxial-GaAs-Struktur (n~/n/h+) erhalten wurde, ist durch die kontinuierliche Kurve nach Fig. 2 dargestellt. Es sei besonders betont, daß dieses Profil mit einer üblichen Anordnung und schrittweisem Ätzen nur äußerst zeitraubend und umständlich erhalten werden könnte, wobei zu berücksichtigen ist, daß die maximalen Sperrschichtweiten vorAn example of a profile obtained for a Doppe1 epitaxial GaAs structure (n ~ / n / h + ) is shown by the continuous curve of FIG. It should be particularly emphasized that this profile could only be obtained extremely time-consuming and cumbersome with a conventional arrangement and step-by-step etching, taking into account that the maximum barrier widths before

■I T-J ι Q ■ I TJ ι Q

dem Durchbruch bei Donatordichten von 10 ' bzw. 10 cm etwa 0,4 bzw. 0,1 /um sind.Die kontinuierliche Messungthe breakthrough at donor densities of 10 'and 10 cm are about 0.4 and 0.1 / µm, respectively. The continuous measurement

in der Erfindung ist insbesondere von Bedeutung,wenn bei verhältnismäßig hohen Dotierungsdichten eine ungleichmäßige Dotierung vorhanden ist, vergleiche dazu als Beispiel die in Fig. 3 dargestellte Kurve. Diese Kurve stellt eine Situation dar, bei der in der Epitaxial-Wachstumseinrichtung ein Steuerungsfehler auftrat; die Auswirkungen dieses Fehlers sind aus der genauen Information ersichtlich, die in dem Profil enthalten ist.in the invention is particularly important when at relatively high doping densities an uneven doping is present, compare this as an example the curve shown in FIG. This curve represents a Illustrates the situation in which a control error occurred in the epitaxial growth device; the effects of this Errors can be seen from the exact information contained in the profile.

Es wurden bereits zwei Verfahren zur Charakterisierung von Halbleitermaterialien beschrieben: Von den Autoren Baxandall, Colliver und Fray stammt der Aufsatz "Ein Gerät zur schnellen Bestimmung von Halbleiter-Störstellenprofilen" (J. Phys. E: Sei. Instrum. 1971. 4, S. 213-221), der Autor Copeland beschreibt "Ein Verfahren zur direkten Aufnahme des inversen Dotierungsprofils von Halbleiterplättchen" (IEEE Trans. Electron Devices I969 ED-I6, S. 445-449). Die genannten Verfahren eignen sich insbesondere für die Untersuchung von niedrig dotierten Schichten mit begrenzter Dicke. Dagegen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Proben mit hohen Dotierungsdichten, so daß das erfindungsgemäße Verfahren eine Ergänzung zu diesen genannten Verfahren darstellt.Two methods for characterizing semiconductor materials have already been described: The authors Baxandall, Colliver and Fray wrote the article "A device for the rapid determination of semiconductor impurity profiles" (J. Phys. E: Sei. Instrum. 1971. 4, p. 213-221), the author Copeland describes "A method for directly recording the inverse doping profile of semiconductor wafers" (IEEE Trans. Electron Devices I969 ED-I6 , pp. 445-449). The methods mentioned are particularly suitable for examining lightly doped layers with a limited thickness. In contrast, the method according to the invention is particularly suitable for samples with high doping densities, so that the method according to the invention is a supplement to these methods mentioned.

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In dem Verfahren von Copeland wird eine auf der Oberfläche angebrachte Schottky-Diode mit einem kleinen konstanten Hochfrequenzstrom gespeist (einige 100/ttA bei 5 MHz). Die Tiefe der Sperrschicht wird durch Änderung der Gleichspannung verändert, doch ist dies die einzige Aufgabe dieser Gleichspannung. Das inverse Dotierungsprofil n" (x) wird durch Überwachen der Spannung an der Diode bei der Grundfrequenz erhalten, die proportional zur Tiefe χ ist, und bei der zweiten Harmonischen, die proportional zu n~ ist.In the Copeland process, one is on the surface attached Schottky diode fed with a small constant high frequency current (some 100 / ttA at 5 MHz). The depth of the junction is changed by changing the DC voltage, but this is the only one Task of this DC voltage. The inverse doping profile n "(x) is obtained by monitoring the voltage across the Diode received at the fundamental frequency, which is proportional to the depth χ, and at the second harmonic, the is proportional to n ~.

In der Anordnung nach Baxandall, Colliver und Pray ist eine Matrix aus Schottky-Barrier-Dioden auf der Oberfläche angeordnet, wobei mit Hilfe einer kleinen Sonde der Reihe nach ein Kontakt mit jeder Diode hergestellt wird. Die Sonde bzw. der Tastkopf wird mit einer Gleichspannung und mit einer kleinen 100 kHz-Spannung gespeist, wobei der in der Diode fließende 100 kHz-Strom ein Maß für die Kleinsignal-Kapazität C darstellt. Eine weitere kleine Spannung der Frequenz 1 kHz wird-überlagert und die sich daraus ergebende Modulationstiefe des 100 kHz-Stroms ist ein Maß für dC /dV. Die Störstellendichte N und die Tiefe sind bekannte Funktionen von C und dG /dV, und die An-In the arrangement according to Baxandall, Colliver and Pray there is a matrix of Schottky barrier diodes on the surface with the help of a small probe contact is made with each diode in turn. the The probe or the probe head is fed with a direct voltage and a small 100 kHz voltage, the 100 kHz current flowing in the diode is a measure of the small-signal capacitance C. Another small one Voltage of the frequency 1 kHz is superimposed and the resulting modulation depth of the 100 kHz current is a measure of dC / dV. The impurity density N and the depth are known functions of C and dG / dV, and the

Jv JvJv Jv

Ordnung führt eine geeignete analoge Berechnung durch und ergibt eine direkte Darstellung bzw. Aufnahme von log N über der Tiefe, wenn die Gleichspannungssperrspannung verändert wird.Order carries out a suitable analog calculation and results in a direct representation or recording of log N versus depth when the DC blocking voltage is changed.

Die bereits entwickelten Verfahren gestatten die Bestimmung und automatische Aufzeichnung der Trägerdichte in Abhängigkeit von der Tiefe, doch sind sie bezüglich der maximalen Sperrschichtweite begrenzt, die unmittelbar vor dem Sperrdurchbruch des Übergangs erreicht wird. Um tiefer in das Material einzudringen, müssen deshalb diese Messungen mit einer Reihe von getrennten chemischen Ätzschritten ver-The methods already developed allow the determination and automatic recording of the carrier density depending on the depth, but they are limited in terms of the maximum barrier width that is immediately before the barrier breakthrough of the transition is reached. In order to penetrate deeper into the material, these measurements must therefore with a series of separate chemical etching steps

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bunden werden. Dieser Vorgang ist sehr zeitraubend und stellt eine mögliche Fehlerquelle dar, wobei häufig Sprünge im Profil entstehen, wenn die Ätzschritte zu grob gewählt sind. Da die maximale Sperrschichtweite bei hohen Dotierungsdichten außerdem sehr klein ist, ist es normalerweise unmöglich, ein kontinuierliches Profil durch die Trennfläche zwischen einer Epitaxialschicht und einem stark dotierten Substrat zu erhalten.be bound. This process is very time consuming and is a potential source of error, with frequent Cracks in the profile occur if the etching steps are chosen too roughly. Since the maximum junction width is high doping densities is also very small, it is usually impossible to get a continuous profile through the interface between an epitaxial layer and a heavily doped substrate.

Die Erfindung verwendet demgegenüber ein elektrochemisches Verfahren, das eine vollständig automatische, kontinuierliche Profilherstellung in Jeder gewünschten Tiefe (einschließlich stark dotierter Gebiete) gestattet, wobei die übliche MetaIl-Schottky-Randschicht durch einen konzentrierten, flüssigen Elektrolyten ersetzt wird, der in Berührung mit einer genau definierten Fläche der Halbleiteroberfläche steht. Diese Berührungsart gestattet Kapazitätsmessungen wie zuvor und stellt außerdem ein Mittel zur anodischen elektrochemischen Auflösung des Halbleiters dar. Die Auf lösungsgeschwi lüigkeit hängt von der Verfügbarkeit der Minoritätsträger im Halbleiter ab, die durch Bestrahlung durch den Elektrolyten auf die Halbleiteroberfläche erzeugt werden. Somit ist eine kontinuierliche Messung möglich, während der Halbleiter gesteuert aufgelöst wird. Der anodische Auflösungsstrom kann gemessen und integriert werden, so daß in Jedem Augenblick die Gesamtmenge des abgetragenen Materials bekannt ist. Eine einfache analoge Anordnung gestattet dann die Aufnahme der Trägerdichte über der Tiefe, und zwar ohne Materialbegrenzung.In contrast, the invention uses an electrochemical process that has a completely automatic, continuous profile production at any desired depth (including heavily doped areas) permitted, the usual metal Schottky boundary layer by a concentrated, liquid electrolyte is replaced, which is in contact with a precisely defined area of the semiconductor surface stands. This type of touch allows capacitance measurements as before and also sets Means for the anodic electrochemical dissolution of the semiconductor. The speed of the solution depends on on the availability of the minority carriers in the semiconductor, which is caused by irradiation by the electrolyte the semiconductor surface can be generated. Thus, continuous measurement is possible while the semiconductor is resolved in a controlled manner. The anodic dissolution current can be measured and integrated so that in each At the moment the total amount of material removed is known. A simple analog arrangement is permitted then the recording of the carrier density over the depth, without material limitation.

Eine auf der Erfindung basierende Anordnung läßt sich voll automatisieren, so daß nach der Montage einer Probe keine weitere Überwachung notwendig ist, bis ein Profil in der gewünschten Tiefe hergestellt ist. In einem reall·*An arrangement based on the invention can be fully automated, so that after the assembly of a sample no further monitoring is necessary until a profile is made to the desired depth. In a reall *

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sierten AusfUhrungsbeispiel dieser Anordnung kann die Maximal- bzw. Vollaussohlagtiefe schrittweise zwischen 1,8 /Um und 72 /um verändert werden, wobei eine Steuereinheit derart programmiert ist, daß bei Erreichen des Maximalwertes entweder die Anordnung abgeschaltet wird, so daß die Auflösung aufhört, oder daß der Schreiber automatisch einen neuen Durchlauf beginnt. Im letzteren Fall kann der Tiefenbereich natürlich unbegrenzt ausgedehnt werden.based embodiment of this arrangement can Maximum or full sole depth gradually between 1.8 / um and 72 / um can be changed using a control unit is programmed in such a way that when the maximum value is reached either the arrangement is switched off, so that the dissolution ceases, or that the scribe automatically starts a new run. In the latter case, the depth range can of course be extended indefinitely will.

Die Anordnung kann verwendet werden, mit Hilfe des Profils eine Anzahl von Epitaxialschicht-Substrat-Strukturen für n-Typ-GaAs und -GaP, sowie Strukturen mit p-n-Halbleiter-Ubergängen zu kennzeichnen; dasselbe gilt auch für andere Materialien.The arrangement can be used, with the aid of the profile, of a number of epitaxial layer substrate structures for n-type GaAs and -GaP, as well as structures with p-n semiconductor junctions to mark; the same applies to other materials.

Fig. 4 zeigt eine elektrolytisehe Zelle (bzw. ein elektrolytisches Element) mit einem Strömungs- bzw. Flußmittelkanal 1 zwischen einem Elektrolyt-Eingangsrohr 2 und einem-Ausgangsrohr 5. Der Kanal 1 wird in einem Rohr aus PTFE (Polytetrafluoräthylen) hergestellt. Eine öffnung bzw. Meßblende 4 im Kanal 1 ist durch eine zu prüfende Materialprobe 5 derart verschlossen, daß eine (Stirn-)Fläche der Probe 5 dem Elektrolyten im Kanal 1 ausgesetzt ist. Zwischen der Fläche 6 und dem Kanal 1 ist eine Dichtung gegenüber dem Elektrolyten angeordnet, im Ausführungsbeispiel dargestellt durch einen PVC-Montagering 7. Die Probe 5 wird durch Goldlegierungsdraht-Federn 8 und 9 bezüglich des Montagerings 7 festgehalten; die Federn stellen auch einen elektrischen Kontakt mit der Probe 5 her. Die Federkontakte 8 und 9 werden durch einen Kontaktstempel bzw. -kolben 10 abgestützt, der einen Abdichtungsdruck zwischen der Fläche 6 und dem Montagering 7 erzeugt. Fig. 4 shows an electrolytic cell (or an electrolytic Element) with a flow or flux channel 1 between an electrolyte inlet tube 2 and one-exit pipe 5. The channel 1 is made in a pipe PTFE (polytetrafluoroethylene) made. An opening or orifice plate 4 in the channel 1 is to be checked Material sample 5 closed in such a way that one (front) surface of sample 5 is exposed to the electrolyte in channel 1. A seal against the electrolyte is arranged between the surface 6 and the channel 1, in the exemplary embodiment represented by a PVC mounting ring 7. Sample 5 is supported by gold alloy wire springs 8 and 9 held with respect to the mounting ring 7; the springs also make electrical contact with the sample 5 here. The spring contacts 8 and 9 are supported by a contact stamp or piston 10, which generates a sealing pressure between the surface 6 and the mounting ring 7.

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Der Meßblende 4 direkt gegenüber liegt ein Lichtkanal 11, über den die Fläche 6 der Probe 5 mit einer Reihe von Lichtquellen bestrahlt werden kann. Der Montagering 7 ist derart angeordnet, daß er sehr genau die Größe der Fläche 6 definiert, die über den Lichtkanal bestrahlt wird.Directly opposite the measuring diaphragm 4 is a light channel 11, over which the surface 6 of the sample 5 can be irradiated with a number of light sources. The mounting ring 7 is arranged in such a way that it very precisely defines the size of the area 6 that extends over the light channel is irradiated.

Die Arbeite- bzw. Betriebskathode der elektrochemischen Zelle wird durch eine fipektrographisch reine Kohleelektrode 12 an einem Ende des Kanals 1 dargestellt. Am anderen Ende des Kanals 1 liegt eine Bezugselektrode IJ. Diese Bezugselektrode IjJ ist eine gesättigte Kalomelelektrode mit porösem Verschluß.The working or working cathode of the electrochemical The cell is represented by a graphically pure carbon electrode 12 at one end of the channel 1. At the other At the end of the channel 1 is a reference electrode IJ. These Reference electrode IjJ is a saturated calomel electrode with porous closure.

Eine Meßelektrode 14 läuft am Möntagering 7 vorbei durch die Meßblende 4 und ragt in den Kanal 1 hinein. Diese Meßelektrode besteht aus Platindraht und wird zur Kapazitätsmessung verwendet, um den Einfluß des Serienwiderstandes des Elektrolyten vernachlässigbar klein zu machen.A measuring electrode 14 runs past the Möntagering 7 through the measuring orifice 4 and protrudes into channel 1. This measuring electrode consists of platinum wire and is used to measure capacitance used to make the influence of the series resistance of the electrolyte negligibly small.

Die Kathode 12 und die Elektroden 1]5 und 14 stehen in Berührung mit dem Elektrolyten im Kanal 1. Der Elektrolyt ist eine 10^-ige wässerige KOH-Lösung, die aus einem "Analysequalitäts"-Reaktionsmittel bei minimaler Luftaussetzung bzw. -berührung hergestellt ist. Die Lösung wird in die Zelle eingespeist und durch diese unter Druck von "Weißfleck"-("white spot")Stickstoff durchgepumpt, um die Verunreinigung durch Sauerstoff und Kohlendioxid so gering wie möglich zu machen. Im Betrieb beträgt die Flußgeschwindigkeit des Elektrolyten 0,02 ml s" , wobei vorher "white spot"-Stickstoff durch den (nicht gezeigten) Vorratsbehälter durchgeblasen wird, um Verunreinigungen des Elektrolyten zu entfernen. Sehr vorteilhaft ist, daßThe cathode 12 and the electrodes 1] 5 and 14 are in contact with the electrolyte in the channel 1. The electrolyte is a 10 ^ aqueous KOH solution that consists of a "Analyze grade" reactant is prepared with minimal exposure to air. The solution will be fed into the cell and pumped through it under pressure of "white spot" nitrogen minimize oxygen and carbon dioxide pollution. In operation, the flow rate is of the electrolyte 0.02 ml s ", with previously" white spot "nitrogen through the (not shown) Reservoir is blown through to remove contaminants from the electrolyte. It is very advantageous that

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durch Einwirkung des Elektrolyten im Kanal 1 kontinuierlich Material von der Fläche 6 der Probe 5 abgetragen wird. Weiterhin ist die Probe 5 anodisch polarisiert, so daß bei Bestrahlung der Fläche β über den Lichtkanal 11 ein elektrostatisches Potential aufgebaut wird. Das elektrostatische Potential ändert sich mit der Tiefe der Probe, die, wie bereits gesagt wurde, kontinuierlich durch die elektrolytische Einwirkung geändert wird.material is continuously removed from surface 6 of sample 5 by the action of the electrolyte in channel 1 will. Furthermore, the sample 5 is anodically polarized, so that upon irradiation of the surface β over the light channel 11 an electrostatic potential is built up. The electrostatic potential changes varies with the depth of the sample, which, as has already been said, is continuous due to the electrolytic action will be changed.

Der Zusammenhang zwischen dem elektrostatischen Potential und der Tiefe für eine bestrahlte Probe ist in Fig. 5 dargestellt. Wie das theoretische Modell nach Fig. 5b zeigt, wird Licht über den Elektrolyten 15 auf die Fläche der Probe eingespeist. Die Fläche β stellt die Begrenzung einer Sperrschicht 16 dar. Ein quas!^neutrales Diffusionsgebiet 16a trennt das Sperrschichtgebiet 10 vom massiven Halbleiter 17.The relationship between the electrostatic potential and the depth for an irradiated sample is shown in FIG shown. As the theoretical model according to FIG. 5b shows, light is emitted via the electrolyte 15 onto the surface fed into the sample. The area β represents the boundary of a barrier layer 16. A quas! ^ Neutral diffusion area 16a separates the junction region 10 from the massive one Semiconductors 17.

Myamlin und Pleskov haben in"ihrem Buch mit dem Titel "Halbleiter-Elektrochemie" (Plenum Press, I968) gezeigt, wie das Modell von Fig. 5b analysiert werden kann, um den Zusammenhang zwischen dem elektrostatischen Potential und der Tiefe nach Fig. 5a zu erhalten.Myamlin and Pleskov have in "their book entitled "Semiconductor Electrochemistry" (Plenum Press, I968) shown, how the model of Fig. 5b can be analyzed to obtain the To obtain relationship between the electrostatic potential and the depth of Fig. 5a.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Meßanordnung läßt sich leicht anhand der Fig. 6 erläutern. In dieser Fig. 6 ist die elektrolytische Zelle aus Fig. 4 durch das Bezugszeichen 18 bezeichnet. Die Halbleiterprobe 5 1st auf der Zelle 18 befestigt und hat zwei Punktkontakte 19a und 19b, (Vorzugswelse hat die Zelle 18 natürlich den in Fig. 4 gezeigten Aufbau, wo die Punktkontakte 19a und 19b z. B. durch Federn 8 und 9 nach Fig. 4 dargestellt sind). EinThe mode of operation of the described measuring arrangement can easily be explained with reference to FIG. In this Fig. 6 the electrolytic cell of FIG. 4 is denoted by the reference numeral 18. The semiconductor sample 5 is up of the cell 18 and has two point contacts 19a and 19b, (the cell 18 preferably has the one shown in FIG. 4, of course structure shown, where the point contacts 19a and 19b z. B. represented by springs 8 and 9 according to FIG. 4). A

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allgemein in Strichlinie gezeichneter "Potentiostat" 21 besteht aus einem Differenzverstärker 22, dessen Ausgang eine Stromquelle 23 speist. Das Ausgangssignal der Stromquelle wird an die Kohle-Betriebselektrode 12 angeschlossen, die in Berührung mit dem Elektrolyten in der Zelle 18 steht. Ein Eingang des Verstärkers 22 ist direkt an die gesättigte Kalomelelektrode 13 angeschlossen, und der andere Eingang des Verstärkers 22 ist an einen Rampengenerator 24 angeschlossen, der außerdem mit einem hochohmigen Spannungsmesser 25 und mit dem Kontakt 19a verbunden ist. Der Spannungsmesser 25 ist über eine Einheit 26 an den Y-Eingang eines X-Y-Schreibers 27 angeschlossen. Der X-Eingang des Schreibers 27 wird von einer Einheit 29 und einem logarithmischen Mikroamperemeter gespeist, das zwischen dem Rückkontakt 19b und einer Erdleitung 30 liegt."Potentiostat" generally drawn in dashed lines 21 consists of a differential amplifier 22, the output of which feeds a current source 23. The output signal from the power source is connected to the carbon working electrode 12, which is in contact with the electrolyte in the Cell 18 is standing. One input of the amplifier 22 is connected directly to the saturated calomel electrode 13, and the other input of the amplifier 22 is connected to a ramp generator 24, which is also equipped with a high impedance Voltmeter 25 and connected to the contact 19a is. The voltmeter 25 is connected to the Y input of an X-Y recorder 27 via a unit 26. The X input of the recorder 27 is provided by a unit 29 and a logarithmic micro-ammeter fed, which is between the back contact 19b and a ground line 30.

Der Potentiostat 21 wird zum Regeln des Stroms durch die Probe 5 derart verwendet, daß das Potential zwischen der Probe und der Bezugselektrode I3 so gut wie möglich mit dem Potential einer Bezugsspannungsquelle übereinstimmt. Der Generator 24 erzeugt die zeitliniear ansteigende Bezugsspannung im gewünschten Bereich. Um den Einfluß des ohmschen Spannungsabfalls am Probenkontakt zu verhindern, stellen die Kontakte 19a und 19b getrennte Strom- und Spannungskontaktpunkte dar, und das Zellenpotential wird unabhängig vom geerdeten Rampengenerator 24 mit Hilfe eines hochohmigen Spannungsmessers 25 gemessen. Das logarithmische Mikroamperemeter 28 in der Schaltungsanordnung dient zur direkten, halblogarithmischen Darstellung von Spannungs-Strom-Kurven auf dem X-Y-Schreiber 27. Ein digitalerThe potentiostat 21 is used to regulate the current through the sample 5 such that the potential between of the sample and the reference electrode I3 as well as possible corresponds to the potential of a reference voltage source. The generator 24 generates the reference voltage which increases linearly over time in the desired area. To prevent the influence of the ohmic voltage drop at the sample contact, contacts 19a and 19b represent separate current and voltage contact points, and the cell potential becomes independent of the grounded ramp generator 24 with the help a high-resistance voltmeter 25 measured. The logarithmic Micro-ammeter 28 in the circuit arrangement is used for the direct, semi-logarithmic representation of voltage-current curves on the X-Y recorder 27. A digital one

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Integrator mißt das Zeit integral des Auf lös ungs Stroms während der anodischen Abtragung der Epitaxielschichten.Integrator measures the time integral of the resolution current during the anodic removal of the epitaxial layers.

Die Meßanordnung kann Impulssignale erzeugen, die eine automatische Aufnahme der Spannungs-Strom-Kurven in vorbestimmten Tiefenintervallen des abgetragenen Materials bewirken.The measuring arrangement can generate pulse signals that automatically record the voltage-current curves in cause predetermined depth intervals of the removed material.

Dieser Versuchsaufbau wurde erfolgreich zur Profilgestaltung von GaAs- und expitaxialen GaP-Strukturen bei Tiefen bis zu 50 /um verwendet. Die Meßanordnung mißt einen effektiven Mittelwert der Donatordichte über der gesamten Sperrschichtweite. Da die Sperrschichtweite von der Dotierungsdichte und von der Potentialwall-Höhe abhängt, ist die Tiefenauflösungsschärfe bei den niedrigsten aufgenommenen Donatordichten begrenzt. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, wo ein Unsicherheitsbereich durch den Unterschied zwischen dem kontinuierlichen Verlauf (mit einer Tiefenmaßstabskorrektur, die gleich der gesamten Sperrschichtweite ist) und der Strichlinie (ohne Korrektur) dargestellt ist.This experimental setup was successfully used for profile design used by GaAs and expitaxial GaP structures at depths up to 50 / µm. The measuring arrangement measures an effective mean value of the donor density over the entire barrier width. Since the barrier width of depends on the doping density and on the height of the potential wall, the depth of resolution is at the lowest recorded donor densities are limited. This is illustrated in Fig. 2, where an area of uncertainty is represented by the difference between the continuous course (with a depth scale correction equal to the total junction width is) and the dashed line (without correction) is shown.

Ein weiterer Effekt, der bei niedrigen Donatordichten wichtig ist, ist der Einfluß der Kapazität von tiefen Fangstellen-Niveaus, die möglicherweise vorhanden sind. Ein Teil davon kann im Nahoberflächengebiet der Sperrschicht ionisiert sein, so daß die Oberflächen-Donatordichte zu hoch geschätzt wird. Beispielsweise wurde die Donatordichte der aktiven Schicht der Probe nach Fig. 2 vom Hersteller zu 7 χ 10 J cm ^ angegeben.Another effect that is important at low donor densities is the influence of the capacity of deep trap levels that may be present. Some of this may be ionized in the near surface area of the barrier layer so that the surface donor density is overestimated. For example, the donor density of the active layer of the sample according to FIG. 2 was given by the manufacturer as 7 χ 10 J cm.

Bei Verwendung eines Elektrolyten zur Bildung des Schottky-Randschicht-Mediums gilt keine dieser Beschränkungen. Dementsprechend wurde eine Kapazitätsanalyse mit Modulationsverfahren entwickelt, um eine verbesserte TiefengenauigkeitWhen using an electrolyte to form the Schottky boundary layer medium, none of these restrictions apply. Accordingly, a capacitance analysis with modulation methods was developed in order to improve depth accuracy

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zu erzeugen, verbunden mit der zusätzlichen Möglichkeit zur getrennten Darstellung der Oberflächen- und der Tiefen-Donatordichten. Die verbesserte Meßanordnung ist in Fig. 7 dargestellt.to generate, combined with the additional option of displaying the surface and the Depth donor densities. The improved measuring arrangement is shown in FIG.

In Fig. 7 ist die elektrochemische Zelle nach Fig. 4 mit 31 bezeichnet. (Selbstverständlich weisen die Zelle und die anderen Bauelemente der Fig. 7 keine Ähnlichkeit mit dem tatsächlichen Aufbau auf). Die Zelle 31 enthält die Probe 32, eine Wechselstromkathode 33, eine Gleichstromkathode 3^ und eine gesättigte Kalomelelektrode 35· Die Rückseite der Probe 32 weist Sondenkontakte auf, die durch einen Kontaktgeber 36 dargestellt sind, der in üblicher Weise Federn wie die Federn 8 und 9 nach Fig. 4 aufweist.FIG. 7 shows the electrochemical cell according to FIG. 4 labeled 31. (Of course, the cell and the other components of FIG. 7 are not similar with the actual structure). The cell 31 contains the sample 32, an alternating current cathode 33, a direct current cathode 3 ^ and a saturated calomel electrode 35 The back of the sample 32 has probe contacts, which are represented by a contactor 36, which is conventional in Way springs like the springs 8 and 9 according to FIG.

Wie in der Anordnung nach Fig. 6 wird ein Potentiostat 37 verwendet, der einen einzigen integrierten Operationsverstärker aufweist, um ein konstantes anodisches Auflösungspotential einzustellen. Das gewünschte Potential wird in einer eingebauten Spannungsbezugsquelle eingestellt, und der Potentiostat 37 regelt den Zellenstrom derart, daß dasselbe Potential an der gesättigten Kalomel-Bezugselektrode 35 auftritt. Die Einschwi»ng:zeit des Pot ent iostat en ist größer als 100 ms, so daß eine externe Modulation des Zellenpotentials für nachstehend beschriebene differenzielle Kapazitätsmessungen möglich ist. (Der Wert des anodischen Potentials muß in einem Sicherheitsbereioh liegen, in dem kein vorzeitiger Durchbruch auftritt, so daß eine bevorzugte Auflösung in Bereichen mit Materialfehlern vermieden wird). Für GaAs wird ein Wert von -0,3 V gegenüber der Kalomelelektrode 35 gewählt, was einer Gesamt-Bandkrümmung oder -wölbung von etwa 1,5 V minus einer effek-As in the arrangement of FIG. 6, a potentiostat 37 is used, which has a single integrated operational amplifier, to provide a constant anodic dissolution potential to adjust. The desired potential is set in a built-in voltage reference source, and the potentiostat 37 regulates the cell current so that the same potential is applied to the saturated calomel reference electrode 35 occurs. The settling time of the potentiostat is greater than 100 ms, so that an external modulation of the cell potential for differential described below Capacitance measurements is possible. (The value of the anodic potential must be in a safety range in which no premature breakthrough occurs, so that preferential resolution in areas with material defects is avoided will). For GaAs, a value of -0.3 V with respect to the calomel electrode 35 is chosen, which corresponds to an overall band curvature or curvature of about 1.5 V minus one effective

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fciven Sperrspannung von 0,5 V entspricht.fciven reverse voltage of 0.5 V.

Damit das Ruhepotential der Probe geprüft werden kann, enthält der Potentiostat 37 schaltergesteuerte Relais, über die die Kathode abgeschaltet werden kann, so daß die Ruhespannung geprüft werden kann. Anfangs wird eine Verbindung zum Kontaktgeber 36 hergestellt und die Relais werden in ihre Ruhestellung gebracht, in der die Kathode abgetrennt ist. Danach wird die Auflösung gestartet, in dem alle Verbindungen zwischen der Zelle 31 und dem Potentiostaten 37 hergestellt werden, und in^dem eine Klappe der (in Fig. 7 nicht gezeigten) Strahlungsquelle entfernt wird. Bemerkenswert ist, daß, da nur η-Typ-Material ein bestrahlungsempfindliches Ruhepotential hat, die Prüfung dieses Ruhepotentials in jedem Fall die Bestimmung des Leitfähigkeitstyps der Probe vor ihrer Auflösung gestattet. Es ist empfehlenswert, daß die Relais durch eine Anordnung gesteuert werden, die einen Schutz gegen eine Unterbrechung der Spannungsversorgung aufweist.So that the rest potential of the sample can be checked, the potentiostat contains 37 switch-controlled relays, via which the cathode can be switched off, so that the open-circuit voltage can be checked. Initially, a connection is made to the contactor 36 and the relays are brought into their rest position, in which the cathode is disconnected. The resolution is then started in which all connections between cell 31 and the potentiostat 37, and in ^ by removing a flap of the radiation source (not shown in FIG. 7). It is noteworthy that since only η-type material is radiation sensitive Has rest potential, the test of this rest potential in each case the determination of the Conductivity type of the sample allowed before its dissolution. It is recommended that the relays have an arrangement be controlled, which has protection against an interruption in the power supply.

Ein 3 kHz-Oszillator 38 speist ein Signal mit 50 mV Effektivwert in die Probe 32 ein. Ein veränderlicher Widerstand 39 liegt in Reihe mit der Probe 32 und erzeugt einen Strom durch die Probe. Zur Empfindlichkeitseichung wird der Widerstand 39 voreingestellt und weist einen Widerstandswert (einige zehn Ohm) auf, der gegenüber der niedrigsten Probenimpedanz bei 3 kHz vernachlässigbar ist. Zur Bestimmung der Sperrschichtkapazität erfaßt ein 3 kHz-phasenempfindlicher Verstärker 40 das Signal am Widerstand 39.A 3 kHz oscillator 38 feeds a signal of 50 mV RMS value in the sample 32. A variable resistor 39 is in series with the sample 32 and creates a current through the sample. For sensitivity calibration the resistor 39 is preset and has a resistance value (a few tens of ohms) compared to the lowest sample impedance at 3 kHz is negligible. To determine the junction capacitance, a 3 kHz phase-sensitive amplifier 40 the signal at resistor 39.

Zweckmäßigerweise werden sowohl für den Oszillator als auch für den Verstärker 40 voll gekapselte Module ver-Expediently, fully encapsulated modules are used for both the oscillator and the amplifier 40.

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wendet, wobei zusätzlich eine einfache Phaseneinstellschaltung mit einem integrierten Operationsverstärker vorhanden ist.applies, with an additional simple phase adjustment circuit with an integrated operational amplifier is available.

Die Phase und die Empfindlichkeit des phasenempfindlichen Verstärkers 40 werden mit einem Standard-Prüfkondensator der Größe 10 riF eingestellt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Kapazität pro Flächeneinheit C/k der Probe 32 darstellt. Dazu ist eine Kenntnis der Fläche A erforderlich, die bestrahlt und somit während der Analyse der Probe aufgelöst wird. Durch Verwendung eines mitlaufenden bzw. beweglichen Mikroskops wurde festgestellt, daß diese Fläche in der Meßanordnung sehr genau reproduzierbar ist.The phase and sensitivity of the phase sensitive amplifier 40 are adjusted with a standard test capacitor of size 10 riF to produce an output signal representative of the capacitance per unit area C / k of the sample 32. To do this, it is necessary to know the area A, which is irradiated and thus resolved during the analysis of the sample. By using a moving or moving microscope, it was found that this area can be reproduced very precisely in the measuring arrangement.

Die Fläche A lann von einem Ring einer "Überschuß" -Fläche AE umgeben sein, die dem Elektrolyten, Jedoch nicht der Bestrahlung ausgesetzt ist. Durch sorgfältigen Aufbau der Halterung für die Probe 32 (z. B. durch Verwendung eines Montagerings 7 nach Fig.4) kann diese Überschußfläche verringert und möglicherweise vernachlässigbar klein gemacht werden. In jedem Fall kann angenommen werden, daß vor Beginn der Auflösung die der Überschußfläche zuzuschreibende "Überschuß"-Kapazität sich zu der gemessenen Gesamtkapazität ebenso verhält wie die Überschußfläche A_ zur Gesamtfläche, vorausgesetzt, daß die Dotierung in Querrichtung gleichmäßig ist. Um also den Einfluß der Überschußfläche A„ zu kompensieren, ist eine Kompensationseinrichtung 41 vorgesehen, mit der das Ausgangssignal 42 des phasenempfindlichen Verstärkers 40 um einen geeigneten Bruchteil des Anfangs-^A usgangssignals, das vor der Auflösung an der uribestrahlten Probe gemessen wird, verschoben werden kann..The area A can be surrounded by a ring of "excess" area A E which is exposed to the electrolyte but not to the radiation. By carefully constructing the holder for the sample 32 (for example by using a mounting ring 7 according to FIG. 4), this excess area can be reduced and possibly made negligibly small. In any case, it can be assumed that before the dissolution begins, the "excess" capacitance attributable to the excess area is related to the measured total capacitance in the same way as the excess area A_ is related to the total area, provided that the doping is uniform in the transverse direction. In order to compensate for the influence of the excess area A ", a compensation device 41 is provided with which the output signal 42 of the phase-sensitive amplifier 40 can be shifted by a suitable fraction of the initial output signal, which is measured on the urine-irradiated sample before dissolution can..

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An der Probe 32 wird die Sperrschichtweite mittels eines 30 Hz—Wieribrücken-Oszillators 43 moduliert, der im Rückkopplungsweg des Potentiostaten 37 liegt. Der Wienbrücken-Oszillator 43 erzeugt ein Ausgangssignal dV, das durch den Anschluß an den Oszillator 38 gedämpft wird; es wird auf 100 mV Effektivwert eingestellt. Somit ist im Gleichstrom-Ausgangssignal 42 des 3 kHz-phasenempfindlichen Verstärkers 40 eine 30 Hz-Komponente enthalten. Ebenso wie die der Größe C/A entsprechende Komponente muß auch diese Komponente dC/A in ähnlicher Weise verschoben werden, um einem Beitrag aus der Über-S3hußflache Rechnung zu tragen. Dies wird durch Addition eines 30 Hz-Offset-SignaIs mit I8o° Phasenunterschied bewirkt, das über einen Phasenschieber aus dem Wienbrücken-Oszillator 43 abgeleitet wird. Die Einstellung wird mit dem A us gangssignal der Kompensationseinrichtung 43 durchgeführt, die zeitweise an einen noch näher zu beschreibenden 30 Hz-phasenempfind liehen Verstärker 44 angeschlossen ist. Zum Kompensieren der die Größen C/A und dC/A darstellenden Größen werden diese auf einem (nicht gezeigten) vierstelligen Digitalvoltmeter überwacht. Die kompensierten, die Größen C/A und dC/A darstellenden Signale 45 (wobei die letztgenannte Größe als 30 Hz-Komponente übrigbleibt) werdenin einen Teller 46 eingespeist. Der Teiler 46 ist ein gekapselter Analogteiler und erzeugt ein Ausgangssignal 47, das die Sperrschichtweite W (mit einer überlagerten Komponente dWD) darstellt A The width of the barrier layer on the sample 32 is modulated by means of a 30 Hz Wieribrücken oscillator 43, which is located in the feedback path of the potentiostat 37. The Wien bridge oscillator 43 generates an output signal dV which is attenuated by the connection to the oscillator 38; it is set to 100 mV rms value. Thus, the DC output 42 of the 3 kHz phase sensitive amplifier 40 contains a 30 Hz component. Just like the component corresponding to the size C / A, this component dC / A must also be shifted in a similar manner in order to take into account a contribution from the excess surface area. This is brought about by adding a 30 Hz offset signal with a phase difference of 180 °, which is derived from the Wien bridge oscillator 43 via a phase shifter. The setting is carried out with the output signal of the compensation device 43, which is temporarily connected to a 30 Hz phase-sensitive amplifier 44 to be described in more detail. To compensate for the variables representing the variables C / A and dC / A, they are monitored on a four-digit digital voltmeter (not shown). The compensated signals 45 representing the quantities C / A and dC / A (the latter quantity remaining as a 30 Hz component) are fed into a plate 46. The divider 46 is an encapsulated analog divider and generates an output signal 47 which represents the junction width W (with a superimposed component dW D ) A

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Der Teiler 46 ist natürlich geeicht, indem ein bekannter oder zuvor ermittelter Wert für die relative Dielektrizitätskonstante £ des Halbleiters verwendet wird.The divider 46 is of course calibrated by a known one or a previously determined value for the relative dielectric constant £ of the semiconductor is used.

Das Ausgangssignal 47 wird derart aufgespalten, daß seine Komponente W0 in einen noch zu beschreibenden Addierer eingespeist wird, während seine Komponente dWD in einem Analogquadrierer 49 verarbeitet wird. Der Quadrierer 49 besteht aus einem gekapselten Modul, benötigt keine Einstellung von außen und erzeugt ein 30 Hz-Signal, dasThe output signal 47 is split in such a way that its component W 0 is fed into an adder to be described below, while its component dW D is processed in an analog squarer 49. The squarer 49 consists of an encapsulated module, does not require any external adjustment and generates a 30 Hz signal that

proportional zu d (WD ) ist. Dieses A us gangs signal 50 wird durch den 30 Hz-phasenempf indlichen Verstärker 44 in eine Gleichspannung umgesetzt. Der Verstärker 44 ist zum Erzielen einer hohen Empfindlichkeit aus einem integrierten Operationsverstärker mit sehr niedriger Drift,is proportional to d (W D ). This output signal 50 is converted into a DC voltage by the 30 Hz phase-sensitive amplifier 44. The amplifier 44 is to achieve a high sensitivity from an integrated operational amplifier with very low drift,

h.H.

geringer Off set und einem Nutzdynamikbereich von 10 aufgebaut. Dadurch ergibt sich in der Probe ein Trägerdichte-Meßbereich von 10 (z. B. 10 ^bis 10 ° cm"*·^) nach folgender Gleichung:low offset and a useful dynamic range of 10. This results in a carrier density measuring range of 10 (for example 10 ^ to 10 ° cm "* * ^) in the sample according to the following Equation:

Wie nachstehend beschrieben, kann die Verstärkung des 30 Hz-phasenempfindlichen Verstärkers 44 durch eine Eichung derart eingestellt werden, daß die Ausgangs spannung 51As described below, the gain of the 30 Hz phase sensitive amplifier 44 can be adjusted by calibration can be set so that the output voltage 51

£ /n darstellt. Die Ausgangsspannung 51 wird in einen logarithmischen Verstärker 52 eingespeist, der in einem gekapselten Modul eingebaut ist. Der logarithmische Verstärker 52 wird unter Berücksichtigung der relativen Dielek-Represents £ / n. The output voltage 51 is converted into a logarithmic amplifier 52 fed, which is built into an encapsulated module. The logarithmic amplifier 52, taking into account the relative dielectric

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trizitätskonstante der Probe derart geeicht, daß eine Ausgangsspannung 53 proportional zu log η erzeugt wird. Diese Ausgangsspannung 53 wird in den Y-Achsen-Eingang eines X-Y-Schreibers 54 eingespeist.tricity constant of the sample calibrated in such a way that a Output voltage 53 is generated proportional to log η. This output voltage 53 is input to the Y-axis an X-Y recorder 54 is fed.

Nach der Beschreibung der Ableitung der differentiellen Kapazität in der Meßanordnung nach Fig. 7 wird nun der Zusammenhang mit der Tiefe näher erläutert.After describing the derivative of the differential Capacity in the measuring arrangement according to FIG. 7, the relationship with the depth will now be explained in more detail.

Der anodische Auflösungsstrom wird mit einem differentiellen Eingangsstrommesser 55 gemessen, der zu diesem Zweck aus vier integrierten Operationsverstärkern aufgebaut ist und zum Erzeugen eines Ausgangssignals 56, das die Auflösungsgeschwindigkeit dWR/dt darstellt, d. h. die Dicke des abgetragenen Materials pro Zeiteinheit, geeicht wird. Die Eichung des Strommessers 55* die verschiedene Parameter wie Probenmaterial.und Auflösungsfläche A berücksichtigt, erfolgt nach der GleichungThe anodic dissolution current is measured with a differential input ammeter 55, which is made up of four integrated operational amplifiers for this purpose and is calibrated to generate an output signal 56 which represents the dissolution rate dW R / dt, ie the thickness of the material removed per unit of time. The calibration of the ammeter 55 *, which takes various parameters such as sample material and resolution area A into account, is carried out according to the equation

wo «.w o «.

Das Ausgangssignal 56 des Strommessers 55 wird in einen Integrator 57 eingespeist, der in bekannter Weise ein Ausgangssignal 58 erzeugt, das die durch Auflösung abgetragene Gesamtdicke W-, zu jedem Zeitpunkt darstellt. Im Addierer wird dieses WR darstellende Ausgangssignal 58 zu jener Komponente des Ausgangssignals 47 addiert, die die Sperrschichtweite W1J darstellt, so daß ein Ausgangs signal 59 erzeugt wird, das die effektive Gesamttiefe χ darstellt. DasThe output signal 56 of the ammeter 55 is fed into an integrator 57 which, in a known manner, generates an output signal 58 which represents the total thickness W- at each point in time, which has been removed by resolution. In the adder, this output signal 58 representing W R is added to that component of the output signal 47 which represents the junction width W 1 J, so that an output signal 59 is generated which represents the effective total depth χ. That

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Ausgangs signal 59 wird in den X-Eingang des X-Y-Schreibers 54 derart eingespeist, daß der X-Y-Schreiber 54 die Größe log η über χ darstellt.Output signal 59 is fed into the X input of the X-Y recorder 54 is fed so that the X-Y writer 54 represents the quantity log η over χ.

Die Eingangsempfindlichkeit des Integrators 57 1st über einen (nicht gezeigten) Schalter veränderlich, so daß verschiedene Maximaltiefen ("Vollaussteuerung") möglich sind. In der genannten Meßanordnung gibt es für die Maximaltiefe sechs mögliche Werte von 1,8 /Um bis 72 /Um. Eine Steuereinheit 6o zeigt an, wann die ausgewählte Maximaltiefe erreicht ist und kann die Anordnung zu diesem Zeitpunkt entweder abschalten, so daß die Auflösung beendet wird oder einen weiteren vollständigen Durchlauf durchführen, indem der Schreiberstift auf den Anfang der X-Skala zurückgestellt wird. Im letzteren Fall wird natürlich die erreichbare Gesamttiefe unbegrenzt erweitert.The input sensitivity of the integrator 57 1st Can be changed via a switch (not shown), so that different maximum depths ("full scale") are possible are. In the measuring arrangement mentioned, there are six possible values for the maximum depth from 1.8 / µm to 72 / µm. A control unit 6o indicates when the selected maximum depth has been reached and can adjust the arrangement to this Either switch off the point in time so that the dissolution is ended or another complete cycle by returning the pen to the beginning of the X-scale. In the latter case it will be natural the achievable total depth is extended indefinitely.

Zweckmäßigerweise wird das Ausgangssignal 58 des Iitegrators 57 durch eine von einem Schrittmotor gespeiste Ausgangsstufe mit Mehrgangpotentiometer schrittweise verändert, so daß lange Integrationsperioden möglich sind. Diese Integrationsperioden können mehrere Stunden lang selnj In der genannten Meßanordnung wird das Integrator-rAusgangssignal ungefähr J56o mal während einer vollständigen Aufnahme bis zur Vollaussteuerung weitergeschaltet. Bei jedem Schritt registriert der Stift des X-Y-Schreibers einen Einzelpunkt, wobei der Stift eine über eine Steuereinheit 61 durch den Integrator 57 steuerbare Senkvorrichtung hat.The output signal 58 of the integrator is expediently 57 changed step by step by an output stage fed by a stepper motor with a multi-turn potentiometer, so that long periods of integration are possible. These integration periods can last for several hours The integrator output signal switched to full scale about J56o times during a complete recording. at The pen of the X-Y recorder registers a single point for each step, with the pen registering one point via a control unit 61 by the integrator 57 controllable lowering device.

Damit die Auflösungstiefe WR während der Aufnehme zu jedem Zeitpunkt geprüft werden kann, ist ein (nicht gezeigter)So that the depth of resolution W R can be checked at any time during the recording, a (not shown)

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Schalter vorgesehen, der die Sperrschichtweitenkorrektur Wp aus dem Ausgangssignal 59 entfernt.A switch is provided which removes the junction width correction Wp from the output signal 59.

Der Integrator 57 und die zugehörigen Teile der Anordnung lassen sich einfach durch Einspeisen von Gleichstrom-Prüfsignalen eichen, wobei ein Digitalvoltmeter zum Messen der Ausgangswerte dient. Die Eichung der zum Messen der Sperrschichtweite verwendeten Teile in der Anordnung ist ebenfalls sehr einfach, wenigstens bis zum Ausgang des Teilers 46, indem lediglich auf einen festen Prüfkondensator und auf Gleichstrommessungen bezug genommen werden muß. Zum Eichen des 30 Hz-phasenempfindlichen Verstärkers 44 ist zweckmäßig, wenn genaue Messungen der Wechselstromsignalwerte (bei 30 Hz) vermieden werden können. Dies kann durch eine Endeinstellung von Phasenyerstärkung des Verstärkers^4 geschehen, indem ein tatsächlicher HaIbleiter-Prüfling in nachstehend näher beschriebener Weise verwendet wird.The integrator 57 and the associated parts of the arrangement can be simply fed in with direct current test signals calibration, whereby a digital voltmeter is used to measure the output values. The calibration for measuring the barrier width parts used in the arrangement is also very simple, at least up to the exit of the divider 46, by simply putting on a fixed test capacitor and on DC measurements must be referred to. To calibrate the 30 Hz phase-sensitive amplifier 44, it is advisable to when accurate measurements of AC signal values (at 30 Hz) can be avoided. This can be done through a final setting phase gain of the amplifier ^ 4 is done by using an actual semiconductor device under test in below is used as described in more detail.

Der Prüfling bzw. die Probe sollte eine gleichmäßigThe test item or the sample should be uniform

dotierte Scheibe sein, mit einer Dotierungsdichte von etwabe doped disc, with a doping density of about

17 -3
10 ' cm , die ungefähr in der Mitte der logarithmischen Skala liegt. Der genaue Wert muß nicht im voraus bekannt sein, da er mit Hilfe der elektrochemischen Meßanordnung gemessen wird. Zuerst wird überprüft, ob der Dunkelstrom (d. h. ohne Bestrahlung) beim üblichen Auf lös ungs potential vernachlässigbar ist, um sicherzustellen, daß keine merkliche Leitwertkomponente vorhanden ist, die die Messung verfälscht. Der 3 kHz-phasenempfindliche Verstärker 40 hat fünf geschaltete Kapazitätsmeßbereiche und kann also zum Messen der Kapazität bei gegebenem Bezugspotential verwendet werden. Durch zeitlineares Erhöhen des Bezugspotentials
17 -3
10 'cm, which is roughly in the middle of the logarithmic scale. The exact value does not have to be known in advance, since it is measured with the aid of the electrochemical measuring arrangement. First it is checked whether the dark current (ie without irradiation) is negligible with the usual resolution potential in order to ensure that there is no noticeable conductance component that would falsify the measurement. The 3 kHz phase-sensitive amplifier 40 has five switched capacitance measuring ranges and can therefore be used to measure the capacitance at a given reference potential. By increasing the reference potential linearly over time

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über einen Bereich von etwa 0,5 V und durch Aufnahme dieses Potentials über der durch den 3> kHz-phasenempfindlichen Verstärker 40 gemessenen Kapazität wird eine C-V-Darstellung erhalten, aus der die Trägerdichte durch Kurvenanpassung bestimmbar ist. Dieses Verfahren wird in der Meßanordnung nach Fig. 6 verwendet; es beinhaltet die Anpassung der experimentell erhaltenen Kurve an eine theoretische Kurve, die aus der bekannten Schottky-Randschichtgleichung für die Sperrschichtkapazität abgeleitet ist.over a range of about 0.5V and by absorbing this Potential above that of the 3> kHz phase-sensitive Amplifier 40 measured capacitance becomes a C-V representation obtained from which the carrier density can be determined by curve fitting. This procedure is used in the measuring arrangement used according to Fig. 6; it includes the adaptation of the curve obtained experimentally to a theoretical curve, those from the well-known Schottky boundary layer equation for the junction capacitance is derived.

Die Verstärkung des 30 Hz-phasenempfindlichen Verstärkers 44 wird nachgestellt, bis der abgeleitete Wert der Trägerdichte η durch den X-Y-Schreiber 54 wiedergegeben wird. Gleichzeitig erfolgt eine Phasenkorrektur, während das Detektorstufenausgangssignal des Verstärkers 44 auf dem Oszillographen überwacht wird. Natürlich muß während dieses Vorgangs die genannte Überschußflächen-Kompensation auf die Signalwerte angewandt werden.The gain of the 30 Hz phase sensitive amplifier 44 is readjusted until the derived value of the carrier density η is reproduced by the X-Y recorder 54 will. At the same time, a phase correction takes place while the detector stage output signal of the amplifier 44 is on monitored by the oscilloscope. Of course, the above-mentioned excess area compensation must be carried out during this process applied to the signal values.

Nach Eichung der Meßanordnung auf diese Weise kann der Prüfling genügencpreit abgetragen werden, um die ursprüngliche Annahme zu bestätlgen,daß die Trägerdichte zumindest· im Nahoberflächenbereich gleichmäßig über der Tiefe verläuft, was für die erfolgreiche Anwendung des Kurvenanpaßverfahrens erforderlich ist. Wenn dies nicht der Fall ist, muß der Eichvorgang natürlich mit einem anderen Prüfling wiederholt werden.After the measuring arrangement has been calibrated in this way, the test specimen can be removed sufficiently wide to make the original one To confirm the assumption that the carrier density at least in the near surface area is uniform over the depth runs what for the successful application of the curve fitting procedure is required. If this is not the case, the calibration process must of course be carried out with another test item be repeated.

Wenn die Meßanordnung auf diese Weise geeicht ist, ist die Analyse von n-Typ-Proben desselben Halbleiters äußerst einfach. Das Laden, die Kontakt hers teilung und die Flächenkompensat ions-Korrekturen dauert- nur wenige Minuten,When the measuring arrangement is calibrated in this way, the analysis of n-type samples of the same semiconductor is extremely easy. The loading, the contact distribution and the area compensation corrections take only a few minutes,

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und wenn eine Auflösung gestartet wurde, ist keine weitere Überwachung erforderlich, da die Anordnung automatisch geregelt wird und entweder abschaltet oder einen neuen Durchlauf beginnt, wenn die Maximaltiefe erreicht wird. Mit GaAs wurde mit Auflösungsgeschwindigkeiten von etwa 2 yum pro Stunde gearbeitet, so daß bei der Analyse von Dickenproben die Meßanordnurg normalerweise über fracht laufen gelassen wird.Die Materialanalyse über einen ähnlichen Tiefenbereich mit den bereits entwickelten Verfahren von Copeland und Baxandall u.a. benötigt ein aufwendiges Meßverfahren sowie eine stufenweise chemische Ätzung. Diese Verfahren arbeiten mit einer Prüfung in der Tiefe, indem die angelegte Sperrspannung erhöht und die Sperrschichtweite bis zu der Grenze ausgedehnt wird, die durch den Sperrdurchbruch bestimmt istjdanach ist ein neuer Ätzvorgang erforderlich. Durch die Erfindung wird eine zuverlässige und kontinuierlich ablaufende Herstellung erreicht, indem zum ersten Male ein elektrolytisches Randschicht-Medium verwendet wird. Obwohl das Prinzip der differentiellen Kapazitätsanalyse dasselbe ist wie bei Baxandall u. a., unterscheidet sich der Aufbau der Meßanordnung etwas, damit der volle Vorteil des durch die Erfindung angegebenen elektrochemischen Verfahrens genutzt wird. Die Meßanordnung hat insbesondere einen großen Dynamikbereich bei der Trägerdichtemessung und gestattet eine einzige kontinuierliche Darstellung über dem gesamten Dichtebereich, der in einer Struktur der Probe erwartet wird, ohne daß eine Nachstellung erforderlich ist. Dies wird im wesentlichen erreicht, indem die Analogoperationen auf das 30 Hz-Signal angewandt werden, und nicht durch Signalerfassung in einer früheren Stufe.and once a resolution has started, no further monitoring is required as the arrangement is automatic is controlled and either switches off or a new cycle begins when the maximum depth is reached. With GaAs dissolution rates of about 2 μm per hour were used, so that in the analysis of Thickness tests the measuring arrangement normally run over freight The material analysis over a similar depth range with the methods already developed by Copeland and Baxandall et al. Required an elaborate measuring process as well as a step-by-step chemical etching. These Procedures work with a test in depth by increasing the applied reverse voltage and increasing the barrier width is extended to the limit determined by the barrier breakdown, after which there is a new etching process necessary. The invention achieves a reliable and continuously running production, by using an electrolytic boundary layer medium for the first time. Although the principle of differential Capacitance analysis is the same as with Baxandall et al., The construction of the measuring arrangement differs somewhat, with it the full advantage of the electrochemical process indicated by the invention is used. The measuring arrangement in particular, has a large dynamic range in carrier density measurement and allows a single continuous one Representation over the entire density range that is expected in a structure of the sample without any Adjustment is required. This is essentially achieved by doing the analog operations on the 30 Hz signal rather than by signal detection at an earlier stage.

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Ein deutlicher Vorteil der Meßanordnung nach Fig. 7 gegenüber der einfacheren Meßanordnung nach Fig. 6 ist die bessere Tiefenauflösung bzw. -genauigkeit. Beispielsweise kann in einigen Fällen die einfachere Meßanordnung Wellenverläufe in der Trägerdichte an einer Trennfläche zwischen aktiven und Pufferschichten einer Probe nicht ausreichend genau darstellen. Die Darstellungsgenauigkeit der verbesserten Meßanordnung nach Fig.7 ist durch die Debye-Länge begrenzt, die um den Faktor 10 kleiner als die Sperrschichtweiten ist, die die Auflösungsgenauigkeit der einfacheren Meßanordnung bestimmen. Dies kann insbesondere für Probenuntersuchungen bei bestimmten Anwendungen wichtig sein.A clear advantage of the measuring arrangement according to FIG. 7 over the simpler measuring arrangement according to FIG. 6 is the better depth resolution or accuracy. For example In some cases, the simpler measuring arrangement can have wave profiles in the carrier density at an interface between the active and buffer layers of a sample are insufficiently accurate. The accuracy of representation the improved measuring arrangement according to Fig.7 is limited by the Debye length, which is smaller by a factor of 10 than that Is barrier widths that determine the resolution accuracy of the simpler measuring arrangement. This can in particular be important for sample testing in certain applications.

Andere Gesichtspunkte bei der Anwendung der Erfindung sind die Bestrahlungsart und die Bestrahlungsfläche. Eine gleichmäßige Bestrahlung über der untersuchten Fläche ist für eine gleichmäßige Auflösungsgeschwindigkeit wesentlich. Gegenwärtig wird mit einem Mehrfaser-Lichtkanal gearbeitet, der eine gleichmäßige, für die meisten Zwecke ausreichende Bestrahlung ergibt. Natürlich tritt an den Faserenden eine gewisse Lichtstreuung auf, die die Auflösungsgenauigkeit von scharfen Trennflächen bei verhältnismäßig großen Tiefen begrenzt. In dieser Hinsicht lassen sich mit mikroskopoptischen Verfahren einige Verbesserungen erzielen.Other Aspects of Using the Invention are the type of irradiation and the irradiation area. One Uniform irradiation over the examined area is essential for a uniform dissolution rate. A multi-fiber light channel is currently being used, which gives a uniform irradiation sufficient for most purposes. Naturally occurs at the fiber ends a certain light scattering, which the resolution accuracy of sharp dividing surfaces with relatively large Limited depths. In this regard, some improvements can be achieved with microscopic optical methods.

Es wurden Proben mit einer Fläche von etwa 4 mm Durchmesser untersucht. Diese Fläche kann aus praktischen Gründen nicht sehr stark verringert werden,da die Gefahr besteht,daß das Verhältnis zwischen der Überschußfläche und der aufgelösten Fläche sehr groß wird,so daß Fehler bei der KompensationSamples with an area of about 4 mm in diameter were examined. For practical reasons, this area cannot be reduced very much as there is a risk that the The ratio between the excess area and the resolved area becomes very large, so that errors in compensation

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die Aufnahmegenauigkeit verringern, insbesondere bei einer Trennfläche zwischen Zonen * hoher und niedriger Dichte. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine Kontaktmaske zu verwenden, doch würde diese Maßnahme die Meßanordnung komplizieren.Decrease the recording accuracy, especially if there is a separation area between zones * of high and low density. In some cases it may be advantageous to use a contact mask, but this measure would reduce the measuring arrangement complicate.

Mit dem verwendeten Flußmittel ist der Einfluß der Bestrahlung auf die Trägerdichtemessung offensichtlich vernachlässigbar. Das äußere Photopotential wird durch den Potentiostaten berücksichtigt, obwohl eine kleine Zunahme der gemessenen Kapazität (typischerweise weniger als 10 %) bei einem gegebenen anodischen Potential bleibt, wenn bestrahlt wird. Dadurch erscheint im sehr nahe an der Oberfläche liegenden Bereich, in dem das Licht absorbiert wird, eine Impedanzverringerung. In gleichmäßig dotierten Bereichen jedoch kann keine Änderung in der aus der Modulation der Sperrschichtweite abgeleiteten Trägerdichte gemessen werden. Bei sehr hohen Bestrahlungsdichten wurden allerdings Veränderungen festgestellt, wenn die Lichtquelle nicht sehr genau gefiltert ist.With the flux used, the influence of the irradiation on the carrier density measurement is obviously negligible. The external photopotential is taken into account by the potentiostat, although a small increase in the measured capacitance (typically less than 10 %) remains at a given anodic potential when irradiating. As a result, a decrease in impedance appears in the area very close to the surface in which the light is absorbed. In uniformly doped areas, however, no change in the carrier density derived from the modulation of the barrier layer width can be measured. At very high radiation densities, however, changes were found if the light source was not filtered very precisely.

Zur Analyse von Ga-As wird eine Quarz-Jod-Wolfram-Lichtquelle verwendet, und zwar mit einem Schmalbandfilter bei 550 nm. Für GaP wird diese Lichtquelle durch eine Blaufilter-Quecksilberbogen-Strahlungsquelle ersetzt.A quartz-iodine-tungsten light source is used to analyze Ga-As used, with a narrow band filter at 550 nm. For GaP this light source is through a Replaced blue filter mercury arc radiation source.

Mit kleineren Abänderungen eignet sich die Meßanordnung und das Meßverfahren der Erfindung auch zur Analyse von ρ-Typ-Material, so daß auch Strukturen mit ρ-η-Übergangen analysierbar sind.With minor modifications, the measuring arrangement and the measuring method of the invention is also suitable for the analysis of ρ-type material, so that also structures with ρ-η transitions can be analyzed.

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Claims (18)

PatentansprücheClaims ( \.JMeßanordnung zum Messen eines vorbestimmten Halbleitermaterial-Parameters derart, daß eine gewünschte Eigenschaft des Halbleitermaterials bestimmbar ist, wobei der Wert des Parameters im Halbleitermaterial veränderlich ist,( \ .J measuring arrangement for measuring a predetermined semiconductor material parameter in such a way that a desired property of the semiconductor material can be determined, the value of the parameter in the semiconductor material being variable, geke nnzeichnet durchmarked by eine elektrolytisehe Zelle (51);an electrolytic cell (51); eine Halterung (7 - 10) zum Aufnehmen des Halbleitermaterials (5; 32) in der Zelle (31 )ja holder (7-10) for receiving the semiconductor material (5; 32) in cell (31) j ein Speiseglied (36) zum Einspeisen einer abgemessenen elektrischen Leisbung in das Halbleitermaterial (32) und in die Zelle (21);a feed member (36) for feeding a measured electrical power into the semiconductor material (32) and into the cell (21); einer
eine Maske zum Definieren / Oberflächen-Fläche (6)
one
a mask for defining / surface area (6)
einer Schottky-Diode im Halbleitermaterial (32);a Schottky diode in the semiconductor material (32); einen Elektrolyten zum kontinuierlichen Ätzen der Oberflächen-Fläche (6) der Schottky-Diode im Halbleitermaterial (32);an electrolyte for continuously etching the surface area (6) the Schottky diode in the semiconductor material (32); eine Kapazitätsmeßeinrichtung (38-40) zum Messen der Kapazität des Halbleitermaterials (32) zwischen der Ober-. flächen-Fläche (6) und einer Rückseite des Halbleitermaterial';a capacitance measuring device (38-40) for measuring the capacitance of the semiconductor material (32) between the upper. surface area (6) and a rear side of the semiconductor material '; eine Anzeigeeinheit (54) zum Beziehen der gemessenen Kapazität auf die abgemessene elektrische Leistung; unda display unit (54) for obtaining the measured Capacitance to the measured electrical power; and einen Lichtkanal (11) zum Einspeisen von Licht in die Schottky-Diode, die unterhalb ihrer kritischen Durchbruchspannung betrieben wird,a light channel (11) for feeding light into the Schottky diode which is below its critical breakdown voltage is operated, wobei die Oberflächen-Fläche (6) durch den Elektrolyten im wesentlichen kontinuierlich abgeätzt wird (Fig.4, 7).whereby the surface area (6) is essentially continuously etched away by the electrolyte (FIGS. 4, 7). 609849/0318609849/0318
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Potentiostaten (37) zum Erzeugen eines vorbestimmten Ätzpotentials, und durch eine Stromüberwachungseinheit (55) zum Überwachen der Auflösungsgeschwindigkeit (Fig. 7).2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized by a potentiostat (37) for generating a predetermined one Etching potential, and by a current monitoring unit (55) to monitor the dissolution rate (Fig. 7). 3. Meßanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Integrator (57) zum Integrieren des überwachten Stroms und zum Bestimmen der Dicke des an der Oberf läehen-Fläche (6) abgeätzten Halbleiters (32) (Fig. 4, 7).3. Measuring arrangement according to claim 2, characterized by an integrator (57) for integrating the monitored current and for determining the thickness of the semiconductor (32) etched off on the surface area (6) (FIGS. 4, 7). 4. Meßanordnung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch ein X-Y-Aufzeichnungsgerät (54), das an die Kapazitätsmeßeinrichtung (38-40) und an den Integrator (57) angeschlossen ist, zum Erzeugen einer kontinuierlichen graphischen Darstellung der Beziehung zwischen der Net to-Donatord ichte an der Oberfläche der Schottky-Diode und der Dicke des an der Oberflächen-Fläche (6) abgeätzten Halbleiters (Fig. 4,7).4. Measuring arrangement according to claim 3 »characterized by a X-Y recorder (54) connected to the capacitance measuring device (38-40) and is connected to the integrator (57) for generating a continuous graphic Representation of the relationship between the Net to Donatord ight on the surface of the Schottky diode and the thickness of the semiconductor etched off on the surface area (6) (Fig. 4,7). 5. Meßanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Fühl- und Wiederbetätigungseinheit (60) zum Erfassen des Maximalbereiches und zum Wiederbetätigen des X-Y-Aufzeichnungsgerät es (54) (Flg. 7).5. Measuring arrangement according to claim 4, characterized by a sensing and re-actuation unit (60) for detecting the Maximum range and to operate the X-Y recorder again es (54) (Flg. 7). 6. Elektrochemische Zeile zum Bestimmen von Donatordichte-Profilen in Halbleiterproben mit Epitaxialstrukturen,6. Electrochemical line for determining donor density profiles in semiconductor samples with epitaxial structures, gekennzeichn e t durch einen Behälter (1) für ein elektrolytisches Fluid; eine erste Elektrode (12), die in den Behälter (1) in einem ersten Bereich (2) hineinragt;gekennzeichn e t by a container (1) for an electrolytic fluid; a first electrode (12) which protrudes into the container (1) in a first region (2); eine zweite Elektrode (13) in einem zweiten Bereich (3) des Behälters (1), wobei der zweite Bereich (3) vom ersten Bereich (2) räumlich getrennt ist;a second electrode (13) in a second area (3) of the container (1), the second area (3) from the first Area (2) is spatially separated; die Halbleiterproben-Halterung (7-10) in einem dritten Bereich (4) des Behälters (1) zwischen dem ersten Bereich (2)the semiconductor sample holder (7-10) in a third Area (4) of the container (1) between the first area (2) 509849/0318509849/0318 und dem zweiten Bereich (3), zum Definieren einer in Berührung mit dem elektrolytischen Fluid stehenden Oberflächen-Fläche (6) des Halbleiters; undand the second region (3) for defining a surface area (6) of the semiconductor in contact with the electrolytic fluid; and einen Lichtleiter (11) zum Definieren eines Weges, über den Licht zum Bestrahlen wenigstens eines Teils der Oberflächen-Fläche (6) des Halbleiters (5) übertragen wird (Fig. 4).a light guide (11) for defining a path over transmit the light for irradiating at least part of the surface area (6) of the semiconductor (5) becomes (Fig. 4). 7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich (4) im Behälter (1) zwischen einem Eintrittstor und einem Austrittstor für das elektrolytisehe Fluid derart angeordnet ist, daß das Fluid an der Oberflächen-Fläche (6) des Halbleiters (5) vorbeifließt und das abgeätzte Material entfernt (Fig. 4).7. Cell according to claim 6, characterized in that the third region (4) in the container (1) between a Entry gate and an exit gate for the electrolyte Fluid is arranged such that the fluid on the surface area (6) of the semiconductor (5) flows past and the etched material is removed (Fig. 4). 8. Zelle nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Hilfselektrode (14) im dritten Bereich (4) des Behälters (1) (Fig.4).8. Cell according to claim 7, characterized by an auxiliary electrode (14) in the third area (4) of the container (1) (Fig. 4). 9. Zelle nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die erste Elektrode (12) aus Kohle, die zweite Elektrode (13) mit einer gesättigten Kalomellösung, und die Hilfselektrode (14) aus Platin (Fig. 4).9. Cell according to claim 8, characterized by the first electrode (12) made of carbon, the second electrode (13) with a saturated calomel solution, and the auxiliary electrode (14) made of platinum (Fig. 4). 10. Zelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Halterung (7-10) mit mehreren elektrischen Sondenanschlüssen (8, 9) zum Kontaktieren der Halbleitexprobe (5) (Fig. 4).10. Cell according to claim 6, characterized by the holder (7-10) with a plurality of electrical probe connections (8, 9) for contacting the half-lex sample (5) (Fig. 4). 11. Zelle nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Halterung (7-10) mit einem Dichtungsring (7) aus Plastikmaterial zum Definieren der Oberflächen-Fläche (6) (Fig. 4).11. Cell according to claim 10, characterized by the holder (7-10) with a sealing ring (7) made of plastic material to define the surface area (6) (Fig. 4). 509849/0318509849/0318 12. Meßverfahren zum Messen eines vorbestimmten HaIbleitermaterial-Parameters derart, daß die Änderung einer gewünschten Eigenschaft des Materials mit der Tiefe bestimmt wird, wobei der Wert des Parameters mit der Materialtiefe veränderlich ist,12. Measurement method for measuring a predetermined semiconductor material parameter such that determines the change in a desired property of the material with depth where the value of the parameter changes with the material depth, gekennzeichnet durchmarked by anodisches Ätzen an der Materialoberfläche mittels einer konzentrierten elektrolyt is chen Lösung durch Anlegen eines PotentlaIsjanodic etching on the material surface using a concentrated electrolyte solution by applying a PotentlaIsj Herstellen eines unterhalb der kritischen Durchbruehspannung betriebenen Schottky-Sperrkontaktes durch den Elektrolyten auf der Materialoberfläche; undEstablish one below the critical breakdown voltage operated Schottky blocking contact through the Electrolytes on the material surface; and Messen des HaIbleitermaterial-Parameters an der Materialoberfläche, die im wesentlichen kontinuierlich abgeätzt wird.Measuring the semiconductor material parameter on the material surface, which is essentially continuously etched away. 13. Meßverfahren zum Messen des Parameters eines p-Typ-Materials nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das angelegte Potential zum Ätzen des Halbleitermaterials kurzzeitig und periodisch umgepolt wird, während dessen eine Kapazitätsmessung durchgeführt wird.13. A measuring method for measuring the parameter of a p-type material according to claim 12, characterized in that the applied potential to etch the semiconductor material the polarity is reversed briefly and periodically, during which a capacitance measurement is carried out. Ik. Meßverfahren zum Messen des Paramters eines η-Typ-MateriaIs nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,daß die Oberfläche entfernt wird, um inoritätsträger an der Oberfläche zu erzeugen und ein Ätzen zu ermöglichen. Ik. A measuring method for measuring the parameter of an η-type material according to claim 12, characterized in that the surface is removed in order to generate inority carriers on the surface and to enable etching. 15« Meßverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das angelegte Potential moduliert und die Kapazität differentiell gemessen wird.15 «measuring method according to claim 12, characterized in that that the applied potential is modulated and the capacitance is measured differentially. 16. Meßverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der angelegten elektrischen Gleichstrom-16. Measuring method according to claim 12, characterized in that that the potential of the applied electrical direct current 509849/03T8509849 / 03T8 leistung im wesentlichen konstantgehalten wird.power is kept essentially constant. 17. Meßverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe des Halbleitermaterials ρ- und n-Typ-Halbleiter aufweist, und daß der Typ des Materials an der abgeätzten Oberfläche erfaßt wird.17. Measuring method according to claim 12, characterized in that the sample of the semiconductor material ρ- and n-type semiconductors and that the type of material on the etched surface is detected. 18. Meßverfahren für η-Typ-Material nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung der Oberfläche Licht niit vorbestimmten! Frequenzbereich verwendet wird.18. Measurement method for η-type material according to claim 14, characterized in that light niit predetermined! Frequency range is used. 509849/0318509849/0318
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