RU2010256C1

RU2010256C1 - Device to measure specific resistance of semiconductor materials

Info

Publication number: RU2010256C1
Authority: RU
Inventors: В.Н. Власов; А.И. Крупный
Original assignee: Филиал Института кристаллографии РАН
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1994-03-30

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device to measure specific resistance of semiconductor material has RC generator with Wien bridge in circuit of positive feedback and frequency meter connected to output of RC generator. Series RC circuit of Wien bridge presents capacitor between which plates measured sample is positioned. EFFECT: enhanced accuracy of measurements and expanded upper boundary of measurements of values of specific resistance. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения электрофизических параметров полупроводниковых материалов, а точнее к технике измерения их удельного сопротивления. The invention relates to a technique for measuring the electrophysical parameters of semiconductor materials, and more specifically to a technique for measuring their resistivity.

Известно устройство для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов, содержащее зондовую головку, источник тока и милливольтметр [1] . Недостатком этого устройства является наличие механического контакта между зондовой головкой и полупроводниковым материалом. Это приводит к повреждению поверхности полупроводникового материала. A device for measuring the resistivity of semiconductor materials containing a probe head, a current source and a millivoltmeter [1]. The disadvantage of this device is the presence of mechanical contact between the probe head and the semiconductor material. This causes damage to the surface of the semiconductor material.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения удельного сопротивления, включающее в себя LC-контур, конденсатор, подключенный параллельно LC-контуру, и измеритель добротности, причем измеряемый образец помещается между обкладками конденсатора [2] . The closest in technical essence to the proposed device is a device for measuring resistivity, which includes an LC circuit, a capacitor connected in parallel with the LC circuit, and a quality factor meter, and the measured sample is placed between the capacitor plates [2].

Недостатками этого устройства являются недостаточная точность измерений удельного сопротивления, связанная с невысокой точностью измерений величины добротности LC-контура, а также невозможность измерений больших значений величин удельного сопротивления (>10⁹ Ом˙см). Это связано с тем, что для таких измерений необходим LC-контур с очень низкой резонансной частотой, порядка нескольких герц, для получения большого волнового сопротивления LC-контура (10⁹-10¹⁰ Ом). Емкость конденсатора обычно не превышает 10 пФ. Отсюда следует, что индуктивность LC-контура должна иметь величину 10⁵ Гн. Это очень большая величина индуктивности. Изготовление катушки с такой величиной индуктивности, обладающей малой собственной емкостью (<< 10 пФ), - непростая техническая задача.The disadvantages of this device are the insufficient accuracy of the measurements of the resistivity associated with the low accuracy of the measurements of the Q factor of the LC circuit, as well as the inability to measure large values of the values of resistivity (> 10 ⁹ Ohm˙cm). This is due to the fact that for such measurements, an LC circuit with a very low resonant frequency, of the order of several hertz, is required to obtain a large wave impedance of the LC circuit (10 ⁹ -10 ¹⁰ Ohms). Capacitor capacitance usually does not exceed 10 pF. It follows that the inductance of the LC circuit must have a value of 10 ⁵ GN. This is a very large inductance. The manufacture of a coil with such an inductance with a low intrinsic capacitance (<< 10 pF) is a difficult technical task.

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение границы измерения величины удельного сопротивления полупроводниковых материалов в сторону ее большего значения. The aim of the invention is to increase the accuracy of measurements and the expansion of the boundary of the measurement of the resistivity of semiconductor materials in the direction of its greater value.

Цель достигается тем, что устройство, содержащее конденсатор, снабжено RC-генератором с мостом Вина в цепи положительной обратной связи, частотометром, который соединен с выходом RC-генератора, причем конденсатор представляет собой последовательную RC-цепь моста Вина. The goal is achieved in that the device containing the capacitor is equipped with an RC generator with a Wien bridge in the positive feedback circuit, a frequency meter that is connected to the output of the RC generator, the capacitor being a serial RC circuit of the Wien bridge.

Введение в устройство RC-генератора с мостом Вина в цепи положительной обратной связи, причем конденсатор является последовательной RC-цепью моста Вина, и частотометра, соединенного с выходом RC-генератора, позволило заменить измерение добротности LC-контура измерением частоты RC-генератора, что повышает точность измерений удельного сопротивления, так как частота измеряется точнее, чем добротность, а также проводить измерения величины удельного сопротивления на низких частотах и тем самым расширить границу измерений удельного сопротивления в сторону ее больших величин. The introduction of an RC generator with a Wien bridge in the positive feedback circuit, the capacitor being a serial RC circuit of the Wien bridge, and a frequency meter connected to the output of the RC generator, made it possible to replace the Q-factor of the LC circuit by measuring the frequency of the RC generator, which increases the accuracy of measurements of resistivity, since the frequency is measured more accurately than the quality factor, and also to measure the value of resistivity at low frequencies and thereby expand the boundary of measurements of resistivity in the direction of its large sizes.

Известно устройство, предназначенное для измерения удельного сопротивления высокоомного полупроводника на основе GaAs (Аненко М. М. и др. Малогабаритная установка для измерения электрофизических параметров полуизолирующего GaAs -ИНХ-1. Электронная техника, сер. Материалы, 1990, N 3, с. 54). Однако верхняя граница диапазона измерений удельного сопротивления этого устройства в отличие от заявляемого устройства ограничена величиной 10⁹ Ом˙см. Это связано с тем, что с повышением удельного сопротивления полупроводникового материала возрастают трудности в подведении к нему омических контактов, что существенно снижает точность измерений удельного сопротивления.A device is known for measuring the resistivity of a high-impedance semiconductor based on GaAs (Anenko M.M. et al. A small-sized installation for measuring the electrophysical parameters of a semi-insulating GaAs -INX-1. Electronic Engineering, ser. Materials, 1990, N 3, p. 54 ) However, the upper limit of the range of measurements of the resistivity of this device, unlike the claimed device, is limited to 10 ⁹ Ohm˙cm. This is due to the fact that with an increase in the resistivity of a semiconductor material, difficulties in bringing ohmic contacts to it increase, which significantly reduces the accuracy of measurements of resistivity.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. The drawing shows a diagram of the proposed device.

Устройство содержит RC-генератор с мостом Вина в цепи положительной обратной связи, выполненный на усилителе 1, резисторы 2 и 3, включенные в цепь отрицательной обратной связи усилителя 1 и служащие для изменения величины коэффициента усиления усилителя 1, резистор 4 и конденсатор 5, образующие параллельную RC-цепь моста Вина, конденсатор 6, в который помещен измеряемый образец и представляющий собой последовательную RC-цепь моста Вина, причем мост Вина включен в цепь положительной обратной связи усилителя 1, конденсатор 6 изображен в виде эквивалентной схемы, где 7 - сопротивление участка измеряемого образца, заключенного между пластинами конденсатора 6, 8 - емкость участка измеряемого образца, заключенного между пластинами конденсатора 6 без диэлектрической пленки, изолирующей образец от металлических обкладок конденсатора 6, 9 - емкость, образованная диэлектрической пленкой и металлическими обкладками конденсатора 6, частотометр 10, подключенный к выходу RC-генератора. The device contains an RC generator with a Wien bridge in the positive feedback circuit made on amplifier 1, resistors 2 and 3 included in the negative feedback circuit of amplifier 1 and used to change the gain of amplifier 1, resistor 4 and capacitor 5, forming a parallel RC circuit of the Wien bridge, capacitor 6, in which the measured sample is placed and which is a serial RC circuit of the Wien bridge, with the Wien bridge included in the positive feedback circuit of amplifier 1, the capacitor 6 is shown as an equivalent tape circuit, where 7 is the resistance of the portion of the measured sample enclosed between the plates of the capacitor 6, 8 is the capacity of the portion of the measured sample enclosed between the plates of the capacitor 6 without a dielectric film that insulates the sample from the metal plates of the capacitor 6, 9 is the capacitance formed by the dielectric film and metal capacitor plates 6, a frequency meter 10 connected to the output of the RC generator.

Работу устройства рассмотрим на конкретном примере. We will consider the operation of the device using a specific example.

Измеряемый образец, выполненный из полуизолирующего GaAs в виде пластины толщиной 1 мм с величиной удельного сопротивления, равной 10¹¹Ом ˙ см, помещается между обкладками конденсатора 6. Конденсатор 6 подключается к RC-генератору, как это показано на чертеже 1. Резистором 3 устанавливают величину коэффициента усилителя 1, при которой возникает генерация RC-генератора. Частота генерации измеряется частотометром 10. Величину удельного сопротивления измеряемого образца определяют из известной зависимости ρ = φ (f), где ρ - величина удельного сопротивления как функция f - частоты генерации RC-генератора. Зависимость ρ = φ (f) может быть получена аналитически или экспериментально. Экспериментальное определение зависимости ρ = φ (f) заключается в измерении частоты генерации RC-генератора с образцами, у которых величина удельного сопротивления известна.The measured sample, made of semi-insulating GaAs in the form of a plate 1 mm thick with a resistivity value of 10 ¹¹ Ohm ˙ cm, is placed between the plates of the capacitor 6. The capacitor 6 is connected to the RC generator, as shown in figure 1. Resistor 3 sets the value amplifier coefficient 1, at which the generation of the RC generator occurs. The generation frequency is measured by a frequency meter 10. The value of the resistivity of the measured sample is determined from the known dependence ρ = φ (f), where ρ is the value of resistivity as a function of f is the generation frequency of the RC generator. The dependence ρ = φ (f) can be obtained analytically or experimentally. The experimental determination of the dependence ρ = φ (f) consists in measuring the generation frequency of an RC generator with samples for which the resistivity is known.

Повышение точности измерений удельного сопротивления устройством связано с тем, что измерение удельного сопротивления в данном случае связано с измерением частоты. В устройстве, принятом за прототип, измерение удельного сопротивления связано с измерением добротности LC-контура. Но измерение частоты всегда точнее, чем измерение добротности. Это связано с тем, что измерение добротности есть сложное измерение, включающее в себя измерение двух частот и двух напряжений (Яворский Б. М. , Детлаф А. А. Справочник по физике. М. : Наука, 1977, с. 484). Improving the accuracy of measurements of resistivity by the device is due to the fact that the measurement of resistivity in this case is associated with measuring the frequency. In the device adopted for the prototype, the measurement of resistivity is associated with the measurement of the quality factor of the LC circuit. But the measurement of frequency is always more accurate than the measurement of quality factor. This is due to the fact that the Q-factor measurement is a complex measurement that includes the measurement of two frequencies and two voltages (Yavorsky B. M., Detlaf A. A. Handbook of Physics. M.: Nauka, 1977, p. 484).

Пусть площадь пластины конденсатора 6 равна 1 см². Тогда параметры элементов эквивалентной электрической схемы конденсатора 6 следующие: R₇ = 10¹⁰ Ом, С₈ = = 10 пФ. Величина С₉ зависит от толщины диэлектрической пленки, изолирующей полупроводниковый материал от металлических пластин конденсатора 6. Поскольку толщина диэлектрической пленки много меньше толщины пластины, то С₉ >> С₈. Пусть С₉ = 100 пФ. Частота генерации RC-генератора, представленного на чертеже, как показывает расчет, проведенный согласно методике, изложенной в книге Герасимов В. Г. и др. Основы промышленной электроники. Ч. II. М. : Высшая школа, 1971, с. 252-274, дается выражением
f=

2

.Let the area of the plate of the capacitor 6 is 1 cm ² . Then the parameters of the elements of the equivalent electric circuit of the capacitor 6 are as follows: R ₇ = 10 ¹⁰ Ohm, C ₈ = = 10 pF. The value of C ₉ depends on the thickness of the dielectric film insulating the semiconductor material from the metal plates of the capacitor 6. Since the thickness of the dielectric film is much less than the thickness of the plate, then C ₉ >> C ₈ . Let C ₉ = 100 pF. The oscillation frequency of the RC generator shown in the drawing, as shown by the calculation carried out according to the method described in the book Gerasimov V.G. et al. Fundamentals of industrial electronics. Part II. M.: Higher School, 1971, p. 252-274, given by the expression
f =

2

.

Пусть R₄ = 5˙10⁷ Ом и С₅ = 3˙10³ пФ. Вычислив частоту генерации по вышеприведенной формуле, получают f = 0,8 Гц. Коэффициент усиления по напряжению (К) усилителя 1 имеет величину, равную 360. Изготовление усилителя с таким коэффициентом усиления по напряжению не представляет технических трудностей.Let R ₄ = 5˙10 ⁷ Ohm and C ₅ = 3˙10 ³ pF. By calculating the generation frequency according to the above formula, f = 0.8 Hz is obtained. The voltage gain (K) of the amplifier 1 has a value equal to 360. The manufacture of an amplifier with such a voltage gain does not present technical difficulties.

Промышленность выпускает интегральные операционные усилители с высоким входным сопротивлением и коэффициентом усиления по напряжению до 10⁵ на низких частотах (Якубовский С. В. и др. Справочник. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. М. : Радио и связь. 1989, с. 335-356). Можно показать, что на базе усилителя с К = 10⁵ реализуется устройство, измеряющее удельное сопротивление до 10¹³ Ом˙см в рассмотренном выше примере.The industry produces integrated operational amplifiers with a high input impedance and a voltage gain of up to 10 ⁵ at low frequencies (S. Yakubovsky et al. Directory. Digital and analog integrated circuits. M.: Radio and communications. 1989, pp. 335- 356). It can be shown that, on the basis of an amplifier with K = 10 ⁵ , a device is implemented that measures the resistivity up to 10 ¹³ Ohm˙cm in the above example.

Преимуществом заявляемого устройства является повышение точности измерений величины удельного сопротивления и расширение диапазона измерений удельного сопротивления в сторону его больших значений. Предлагаемое устройство может быть использовано для измерения удельного сопротивления высокоомных полупроводниковых материалов, например полупроводникового полуизолирующего материала на основе GaА. Возможно использование предлагаемого устройства в исследовательских лабораториях, например, для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов при низких температурах, когда величина удельного сопротивления существенно возрастает по сравнению с ее величиной при комнатной температуре. (56) 1. Фистуло В. И. Введение в физику полупроводников. М. : Высшая школа, 1984, с. 274-280. An advantage of the claimed device is to increase the accuracy of measurements of the resistivity value and the expansion of the range of measurements of resistivity in the direction of its large values. The proposed device can be used to measure the resistivity of high-resistance semiconductor materials, such as semiconductor semi-insulating material based on GaA. You can use the proposed device in research laboratories, for example, to measure the resistivity of semiconductor materials at low temperatures, when the resistivity increases significantly compared to its value at room temperature. (56) 1. Fistulo V.I. Introduction to the physics of semiconductors. M.: High School, 1984, p. 274-280.

2. Там же, с. 279-280. 2. In the same place, with. 279-280.

Claims

DEVICE FOR MEASURING SPECIFIC RESISTANCE OF SEMICONDUCTOR MATERIALS, containing a measuring capacitor included in the measuring circuit, and an indicator, characterized in that the indicator is made in the form of a frequency meter, the measuring circuit is made in the form of an RC generator with a measuring circuit with a bridge in the sensor it is connected in series with the resistor of the serial RC circuit of the Wien bridge, and the output of the RC generator is connected to the input of the frequency meter.