DE4105018A1

DE4105018A1 - Semiconductor film analogue investigation method for duration wave HFETs mfr. - evaluating photoluminescence spectrum to identify high charge carrier density component rates

Info

Publication number: DE4105018A1
Application number: DE19914105018
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Rer Nat Brugger
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1991-02-19
Filing date: 1991-02-19
Publication date: 1992-08-20

Abstract

The method takes a photoluminescence spectrum of the semiconducting layer structure after manufacture of the component plates. The energy band interval of the spectrum is compared with the two=dimensional state density of a suitable referernce curve and the charge carrier density of the hetero-structure quantum wave derived directly from it. The HFET is finally manufactured. USE/ADVANTAGE - Enables suitable component plates, i.e. those with high charge carrier density in conducting channel, to be rapidly and simply identified.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Die Erfindung findet Verwendung bei der Herstellung von Heterofeldeffekttransistoren, bei denen eine hohe Ladungsträgerdichte im leitenden Kanal erforderlich ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Vorauswahl von Bauelementscheiben vor der Herstellung der Transisto ren erfolgen.The invention finds use in the manufacture of Heterofield effect transistors, in which a high Charge carrier density in the conductive channel is required. A pre-selection can be carried out using the method according to the invention of component disks before manufacturing the Transisto ren done.

Bekannte Verfahren zur Bestimmung der Ladungsträgerdichte von Halbleitmaterialien sind elektrische Verfahren, wie die Hall-Technik und die Shubnikov-de Haas-Technik. Beide Verfahren sind jedoch auf reale, zur Transistorfertigung notwendigen Bauelementscheiben nicht anwendbar. Die Schei ben müssen für derartige Untersuchungen zerstört werden, da sie nicht als Ganzes untersucht werden können. Bei der Shubnikov-de-Haas-Technik ist außerdem ein erheblicher ap parativer Aufwand für die Ladungsträgerdichtebestimmung notwendig.Known methods for determining the carrier density of semiconductor materials are electrical processes such as the Hall technique and the Shubnikov-de Haas technique. Both However, methods are based on real ones, for transistor manufacturing necessary component disks not applicable. The shit must be destroyed for such investigations, since they cannot be examined as a whole. In the Shubnikov-de-Haas technique is also a significant ap parative effort for the determination of charge density necessary.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Untersuchung von Halbleiterschichtstrukturen anzuge ben, mit dem für die Transistorherstellung geeignete Bau elementscheiben schnell und technisch einfach ausgewählt werden können.The invention has for its object a method to investigate semiconductor layer structures ben, with the construction suitable for transistor production element discs quickly and easily selected can be.

Die erfindungsgemäßen Merkmale sind dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.The features of the invention are characteristic Part of claim 1 can be seen. Beneficial Refinements are contained in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es an fertigungsreifen Bauelementscheiben durchführbar ist und zwischen Materialherstellung (Substrat mit aufgewachsener Halbleiterschichtenfolge) und technologischem Prozeßdurch lauf (Transistorherstellung) durchgeführt werden kann.The inventive method has the advantage that it component disks ready for production is feasible and between material production (substrate with grown Semiconductor layer sequence) and technological process run (transistor production) can be performed.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels er läutert unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung.The invention is based on an exemplary embodiment explains with reference to a schematic drawing.

Eine Bauelementscheibe bestehend aus einem Substrat und einer darauf epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschich tenfolge, z. B. eine AlGaAs/InGaAs/GaAs-Heterostruktur- Schichtenfolge wird in einem Kryostaten auf eine Tempera tur von unter 77 K abgekühlt. Anschließend wird die Bauelementscheibe mit einem Laser bestrahlt, dessen Wel lenlänge mindestens über der effektiven Energiebandlücke des Elektronenkanalmaterials liegt. Die Aufnahme des Pho tolumineszenz-Spektrums erfolgt bei niedriger Anregungsleistungsdichte des Lasers bei ca. 1 mW/cm². Das Photolumineszenz-Spektrum wird in einem ge eigneten Spektrometer zusammen mit einem Detektor analy siert. Als Spektrometer eignen sich Fourier- oder Gitter spektrometer.A component wafer consisting of a substrate and an epitaxially grown semiconductor layer sequence, z. B. an AlGaAs / InGaAs / GaAs heterostructure layer sequence is cooled in a cryostat to a temperature of below 77 K. The component wafer is then irradiated with a laser whose wavelength is at least above the effective energy band gap of the electron channel material. The photoluminescence spectrum is recorded at a low excitation power density of the laser at approximately 1 mW / cm ² . The photoluminescence spectrum is analyzed in a suitable spectrometer together with a detector. Fourier or grating spectrometers are suitable as spectrometers.

Die Daten der Photolumineszenz-Spektren werden mit Hilfe eines mathematischen Programms in einem Personalcomputer analysiert. Durch die logarithmische Darstellung der Lumineszenzintensität I gegen die Energie E und durch Bil dung der ersten Ableitung dI/dE in Abhängigkeit der Ener gie E für das lineare Spektrum, läßt sich aus der Linien form für ein besetztes Subband (Fig. 1a) bzw. zwei be setzte Subbänder (Fig. 1b) die gesamte Bandauffüllung ΔE der Ladungsträger im leitenden Kanal des Heterofeldeffekttransistors in einfacher Weise bestimmen. Dazu wird eine Referenzkurve benutzt, die einen Zusammen hang zwischen der Ladungsträgerdichte N und der Bandauf füllung ΔE der zu untersuchenden Halbleiterstruktur angibt und einmalig mit Hilfe einer elektrischen Methode, z. B. der Shubnivkov-de-Haas-Technik geeicht wird. Der Nullpunkt der Referenzkurve wird in den Übergang des ersten elektro nischen Subbandes E₁ gelegt. Je nach Besetzung eines oder zwei Subbänder wird je nach Bandabstand ΔE = E_F-E₁ im Lu mineszenzspektrum auf die Ladungsträgerdichte N der Refe renzkurve extrapoliert (Fig. 1c). The data of the photoluminescence spectra are analyzed with the aid of a mathematical program in a personal computer. Through the logarithmic representation of the luminescence intensity I versus the energy E and by forming the first derivative dI / dE as a function of the energy E for the linear spectrum, the line shape can be used for a occupied subband ( FIG. 1a) or two be set subbands ( Fig. 1b) determine the total band filling ΔE of the charge carriers in the conductive channel of the heterofield effect transistor in a simple manner. For this purpose, a reference curve is used, which indicates a relationship between the charge carrier density N and the band filling ΔE of the semiconductor structure to be examined and is unique using an electrical method, e.g. B. the Shubnivkov-de-Haas technology is calibrated. The zero point of the reference curve is placed in the transition of the first electronic subband E ₁ . Depending on the occupation of one or two subbands, depending on the bandgap ΔE = E _F -E ₁ in the luminescence spectrum, the charge carrier density N of the reference curve is extrapolated ( FIG. 1c).

Aus dem Lumineszenz-Spektrum in Verbindung mit der Refe renzkurve ergeben sich auch die Zahl, die energetischen Lagen und die Besetzungen der einzelnen Subbänder. Aus den energetischen Lagen E₁ und E₂ läßt sich die chemische Zu sammensetzung und die Breite des Elektronenkanals bestim men.The number, the energetic positions and the occupancy of the individual subbands also result from the luminescence spectrum in connection with the reference curve. From the energetic positions E ₁ and E ₂ , the chemical composition and the width of the electron channel can be determined.

Claims

1. Analog method for the investigation of semiconductor structures for quantum well heterofield effect transistors, characterized in that

that after the manufacture of the component wafers, best starting from a substrate with semiconductor layer grown on it, a photoluminescence spectrum of the semiconductor layer sequence is recorded,
- That the energy band gap ΔE of the photoluminescence spectrum is compared with the two-dimensional density of states (2 DOS) of a suitable reference curve and the charge carrier density of the quantum well of the heterostructure is determined therefrom, and
- That the manufacture of the heterofeld defect transistor is then carried out.

2. The method according to claim 1, characterized in that

that the component wafer is cooled in a cryostat,
- That the component disk with a laser radiation, the sen wavelength is at least above the effective band edge of the electron channel material, is irradiated, and
- That the emitted radiation is then analyzed in a spectrometer.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized net that the photoluminescence spectrum with a reference curve is compared, which has a linear relationship between the carrier density and the spectral width the optical recombination radiation from the charge carrier ger quantum well containing the heterostructure.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the charge carrier density in a quan tenwell channel of a heterostructure field effect transistor is determined.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the electron density in the conductive Ka nal of an AlGaAs / InGaAs / GaAs field effect transistor determined becomes.