RU2028697C1 - Method of determination of parameters of semiconductor materials and heterostructures - Google Patents
Method of determination of parameters of semiconductor materials and heterostructures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2028697C1 RU2028697C1 SU4934589A RU2028697C1 RU 2028697 C1 RU2028697 C1 RU 2028697C1 SU 4934589 A SU4934589 A SU 4934589A RU 2028697 C1 RU2028697 C1 RU 2028697C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charge
- sample
- voltage
- structures
- parameters
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контролю электрофизических параметров материалов и может быть использовано для исследования и контроля параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур (МДП, МДМ). The invention relates to the control of the electrophysical parameters of materials and can be used to study and control the parameters of semiconductor materials and heterostructures (MIS, MDM).
Известен способ определения параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур (в частности, определение профиля легирования высоты потенциального барьера на границе раздела и др.), заключающийся в измерении зависимости дифференциальной емкости структуры СD от внешнего напряжения смещения, приложенного к образцу. В наиболее распространенном на практике варианте способа, прикладываемое к образцу напряжение смещения V медленно меняется в заданном интервале значений, а измерение емкости СD производится с использованием одновременно с V подаваемого на образец переменного синусоидального напряжения U постоянной амплитуды [1].A known method for determining the parameters of semiconductor materials and heterostructures (in particular, determining the doping profile of the height of the potential barrier at the interface, etc.), which consists in measuring the dependence of the differential capacitance of the structure C D on the external bias voltage applied to the sample. In the most common variant of the method in practice, the bias voltage V applied to the sample slowly changes in a given range of values, and the capacitance C D is measured using an alternating sinusoidal voltage U of constant amplitude supplied to the sample simultaneously [V].
Недостатком этого способа является невозможность определения параметров (потенциальных барьеров на границе раздела диэлектрик - полупроводник, профиля легирования полупроводниковых материалов) в гетероструктурах с большой плотностью состояний (ловушек), захват носителей на которые приводит к экранированию прикладываемого к структуре напряжения смещения. The disadvantage of this method is the inability to determine the parameters (potential barriers at the insulator - semiconductor interface, doping profile of semiconductor materials) in heterostructures with a high density of states (traps), the capture of carriers on which leads to screening of the bias voltage applied to the structure.
Известен способ, позволяющий устранить этот недостаток [2]. Это достигается приложением к образцу напряжения смещения в виде последовательности прямоугольных импульсов с различной амплитудой, меняющейся в заданном диапазоне. Длительность импульсов напряжения смещения V и частоту переменного синусоидального напряжения U, одновременно с V подаваемого на образец, можно выбрать так, что не будет успевать происходить перезарядка состояний в исследуемой структуре, а соответственно, экранирование V. Кроме того, импульсный режим приложения V позволяет исключить или существенно уменьшит экранирование напряжения смещения свободными неосновными носителями заряда. A known method to eliminate this drawback [2]. This is achieved by applying a bias voltage to the sample in the form of a sequence of rectangular pulses with different amplitudes that vary in a given range. The duration of the pulses of the bias voltage V and the frequency of the alternating sinusoidal voltage U, simultaneously with V supplied to the sample, can be chosen so that there is no time to recharge the states in the structure under study, and accordingly, the screening of V. In addition, the pulse mode of application V allows you to exclude or significantly reduce the screening of the bias voltage by free minority charge carriers.
Недостатком этого способа является его непригодность для определения параметров в большом классе структур, дифференциальная высокочастотная емкость которых СD не зависит как от медленно меняющегося, так и от импульсного напряжения смещения, а также не зависит от зарядового состояния ловушек, например, в гетероструктурах с полупроводниковыми слоями, толщина которых значительно меньше ожидаемой ширины области пространственного заряда, в структурах металл-диэлектрик-металл или в p-i-n-струк- турах.The disadvantage of this method is its unsuitability for determining parameters in a large class of structures whose differential high-frequency capacitance C D does not depend on both slowly varying and impulse bias voltage, and also does not depend on the charge state of traps, for example, in heterostructures with semiconductor layers , the thickness of which is much less than the expected width of the space-charge region, in metal-dielectric-metal structures or in pin structures.
Целью изобретения является расширение класса исследуемых структур (за счет МДМ и p-i-n-структур, то есть структур, имеющих практически постоянную емкость), а также повышение точности и упрощение схемной реализации измерений. The aim of the invention is to expand the class of structures under study (due to MDM and p-i-n structures, that is, structures having an almost constant capacity), as well as improving accuracy and simplifying the circuitry for measuring.
Поставленная цель достигается тем, что согласно известному способу, включающему приложение к образцу последовательности импульсов напряжения смещения с амплитудой, меняющейся по линейному закону, измерение зависимости электрического параметра от приложенного напряжения смещения и определение параметров структур с использованием полученных зависимостей, в качестве измеряемого электрического параметра выбирают заряд, стекающий с исследуемого образца после отключения приложенного напряжения смещения (то есть в отличие от прототипа не подают на образец одновременно с напряжением смещения V синусоидальное напряжение U, необходимое для измерения дифференциальной емкости), измеряют стекающий заряд Q к задаваемому моменту времени t1 от начала разряда и находят зависимости
ΔQ(Vi)= Qi+1(Vi+1)-Qi(Vi) где Vi - амплитуда импульса напряжения смещения, i = 1,2...n-номер импульса.This goal is achieved by the fact that according to the known method, including applying to the sample a sequence of pulses of bias voltage with an amplitude that varies linearly, measuring the dependence of the electric parameter on the applied bias voltage and determining the parameters of the structures using the obtained dependencies, select the charge as the measured electric parameter flowing down from the test sample after disconnecting the applied bias voltage (i.e., unlike the prototype at the same time, the sinusoidal voltage U necessary for measuring the differential capacitance is not supplied to the sample at the same time as the bias voltage V), the flowing charge Q is measured at a given time t 1 from the beginning of the discharge and the dependencies are found
ΔQ (V i ) = Q i + 1 (V i + 1 ) -Q i (V i ) where V i is the amplitude of the bias voltage pulse, i = 1,2 ... n is the pulse number.
Способ позволяет изменять заполнение перезаpяжающихся центров, меняя длительност τ импульсов напряжения, либо освещая образец светом, поглощаемым в исследуемой структуре, что позволяет получить дополнительную информацию, в частности, о величине сечения захвата перезаряжающихся центров. The method allows you to change the filling of the reloading centers, changing the duration τ of voltage pulses, or by illuminating the sample with light absorbed in the studied structure, which allows you to get additional information, in particular, about the capture cross section of the rechargeable centers.
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, изображенного на фиг. 1. The proposed method is implemented using the device shown in FIG. 1.
Устройство состоит из источника напряжения зарядки 1, интегратора на оперативном усилителе 2, аналоговых ячеек памяти 3, 4 блока автоматизации 5, включающего задающий генератор циклов заряд-разряд, формирователь длительности зарядки, логическую схему управления ключами. Общее управление осуществляется с помощью микроЭВМ 6, результаты выводятся на дисплей и/или графопостроитель 7. The device consists of a
Предлагаемый способ характеризуется следующей последовательностью операций. The proposed method is characterized by the following sequence of operations.
1. Подают на образец импульс напряжения длительностью τ и амплитудой Vi.1. A voltage pulse of duration τ and amplitude V i is applied to the sample.
2. Образец переключают от источника напряжения к измерительной схеме (в момент окончания действия импульса). 2. The sample is switched from the voltage source to the measuring circuit (at the moment the pulse ends).
3. Измеряют величину заряда Qi(Vi), стекшего с образца к заданному моменту времени t1 после переключения.3. Measure the amount of charge Q i (V i ), drained from the sample to a given point in time t 1 after switching.
4. Переключают образец от измерительной схемы к источнику напряжения. 4. Switch the sample from the measuring circuit to the voltage source.
5. Подают на образец импульс напряжения длительностью τ и амплитудой Vi+1 = =Vi + Δ V (в момент подключения образца).5. A voltage pulse of duration τ and amplitude V i + 1 = V i + Δ V is applied to the sample (at the time of connecting the sample).
6. Повторяют операции по п.п. 2, 3, 4, определяя при этом Qi+1(Vi+1).6. Repeat the operation in p.p. 2, 3, 4, while determining Q i + 1 (V i + 1 ).
7. Определяют Δ Q = Vi+1(Vi+1) - Qi(Vi).7. Determine Δ Q = V i + 1 (V i + 1 ) - Q i (V i ).
8. Повторяют операции по п.п. 1-7, изменяя каждый раз амплитуду импульса на Δ V. 8. Repeat the operation in p.p. 1-7, changing each time the amplitude of the pulse by Δ V.
9. Используя измеренные и известные величины, проводят расчет параметров структур (например, методом численного дифференцирования находят концентрацию носителей заряда). 9. Using the measured and known values, structural parameters are calculated (for example, the concentration of charge carriers is determined by numerical differentiation).
Отличительными особенностями предлагаемого способа по сравнению с прототипом являются следующие. Distinctive features of the proposed method in comparison with the prototype are the following.
Поскольку в отличие от прототипа измеряемым параметром является не емкость, а заряд, то становится возможным проводить измерения на структурах, высокочастотная емкость которых не зависит от напряжения зарядового смещения и от состояния уровней, например, p+-i-n+-структуры (в том числе структуры с квантовыми ямами). Since, unlike the prototype, the measured parameter is not the capacitance, but the charge, it becomes possible to carry out measurements on structures whose high-frequency capacitance does not depend on the charge bias voltage and on the state of levels, for example, p + -i-n + structures (including structures with quantum wells).
Предлагаемый способ обладает большей информативностью по сравнению с прототипом и в отношении тех структур, исследование которых возможно с помощью прототипа, так как позволяет изменять заполнение перезаряживающихся центров, меняя длительность τ импульсов напряжения, либо освещая образец светом, поглощаемым в исследуемой структуре, что дает возможность учесть вклад ловушек с различными постоянными времени перезарядки для большого набора структур, представляющих практический интерес. The proposed method is more informative compared to the prototype and in relation to those structures whose study is possible using the prototype, as it allows you to change the filling of rechargeable centers, changing the duration τ of voltage pulses, or illuminating the sample with light absorbed in the studied structure, which makes it possible to take into account contribution of traps with different recharge time constants for a large set of structures of practical interest.
Зарядовые измерения по сравнению с емкостными во многих случаях дают существенный выигрыш по точности. Например, для МДП-структур, величину измеряемого заряда можно представить в виде. Charge measurements in comparison with capacitive measurements in many cases give a significant gain in accuracy. For example, for MIS structures, the magnitude of the measured charge can be represented as.
ΔQi(Vi) = - q A k T ln(t2/t1)Nss(Eo) где Со - емкость диэлектрика,
Csc(t1) - емкость области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника в момент времени t1,
q - заряд электрона,
А - площадь электродов,
k - постоянная Больцмана,
Т - температура,
Nss - плотность поверхностных состояний,
Eo = Ec - kTln [σnUnNc (t2-t1)]/ln(t2/t1),
σn - cечение захвата для электронов,
Vn - их тепловая скорость,
Nc - эффективная плотность состояний в зоне проводимости,
Ес - энергетическое положение дна зоны проводимости.ΔQ i (V i ) = - q A k T ln (t 2 / t 1 ) N ss (E o ) where С о is the dielectric capacity,
C sc (t 1 ) is the capacity of the space charge region (SCR) of the semiconductor at time t 1 ,
q is the electron charge,
A is the area of the electrodes,
k is the Boltzmann constant,
T is the temperature
N ss is the density of surface states,
E o = E c - kTln [σ n U n N c (t 2 -t 1 )] / ln (t 2 / t 1 ),
σ n is the capture cross section for electrons,
V n is their thermal velocity,
N c is the effective density of states in the conduction band,
E with - the energy position of the bottom of the conduction band.
Величину измеряемого изменения емкости можно записать в виде
ΔCi= - q A k T ln(t2/t1)Nss(Eo) где εs - диэлектрическая проницаемость полупроводника,
w - ширина ОПЗ,
С(t1) = CoCsc(t1)/(Co+Csc(t1))
На фиг. 2 приведены полученные при анализе выражений для Δ Qi и Ci расчетные зависимости минимально определяемой концентрации поверхностных состояний Nss для емкостного (2) и зарядового (1) способов измерений от отношения емкостей диэлектрика Со и области пространственного заряда Csc(t). Видно, что эти способы имеют примерно равную чувствительность при малых величинах отношения Со/Csc(t1), а по мере увеличения этого отношения чувствительность, а соответственно и точность зарядовых измерений становится выше, чем у емкостных. Таким образом, использование зарядовых измерений может дать существенные преимущества, например, при исследовании МДП-структур с тонким диэлектриком, для которых Со/Csc(t1) > 10.The value of the measured change in capacitance can be written as
ΔC i = - q A k T ln (t 2 / t 1 ) N ss (E o ) where ε s is the dielectric constant of the semiconductor,
w is the width of the SCR,
C (t 1 ) = C o C sc (t 1 ) / (C o + C sc (t 1 ))
In FIG. Figure 2 shows the calculated dependences of the minimum determined concentration of surface states N ss for the capacitive (2) and charge (1) measurement methods obtained from the analysis of the expressions for Δ Q i and C i on the ratio of the capacitances of the dielectric С о and the space charge region C sc (t). It can be seen that these methods have approximately equal sensitivity at small values of the C o / C sc ratio (t 1 ), and as this ratio increases, the sensitivity and, accordingly, the accuracy of charge measurements becomes higher than that of capacitive ones. Thus, the use of charge measurements can provide significant advantages, for example, in the study of MIS structures with a thin dielectric for which С о / C sc (t 1 )> 10.
4. В предлагаемом способе измерения проводят с разделением цепи заряда и разряда, например, с помощью электронных ключей, переключающих исследуемый образец от источника напряжения к измерительной схеме. Это исключает ошибки, возникающие при использовании прототипа и связанные с влиянием сквозного тока (тока от прикладываемых напряжений) на результаты измерений. Соответственно, повышается точность определения параметров. 4. In the proposed method, the measurements are carried out with the separation of the charge and discharge circuits, for example, using electronic keys that switch the test sample from the voltage source to the measuring circuit. This eliminates the errors that occur when using the prototype and associated with the influence of through current (current from the applied voltage) on the measurement results. Accordingly, the accuracy of determining the parameters increases.
5. Схемная реализация предлагаемого способа проще прототипа, так как здесь не используется генератор высокочастотного сигнала и относительно сложная система его регистрации для нахождения дифференциальной емкости. 5. The circuit implementation of the proposed method is simpler than the prototype, since it does not use a high-frequency signal generator and a relatively complex system of its registration to find the differential capacitance.
Авторам неизвестно техническое решение, характеризующееся совокупностью признаков предлагаемого способа, которые и обеспечивают достижение новых качеств, отсутствующих в известных решениях. The authors do not know the technical solution, characterized by a combination of features of the proposed method, which ensure the achievement of new qualities that are absent in the known solutions.
П р и м е р. Для реализации способа было разработано и изготовлено устройство, схема которого изображена на фиг. 1. PRI me R. To implement the method, a device was developed and manufactured, the circuit of which is shown in FIG. 1.
В качестве интегратора 2 (измеритель заряда) была использована микросхема операционного усилителя (КР544УД2А) с емкостной обратной связью (емкость Сос), а для изготовления ключей были выбраны ключевые сборки КР590КН2.As an integrator 2 (charge meter), an operational amplifier chip (KR544UD2A) with capacitive feedback (capacitance C os ) was used, and key assemblies KR590KN2 were chosen for key production.
При зарядке образца напряжением Vi ключ К1 замыкался, а К2 размыкался. Образец подключался к источнику напряжения 1. Через промежуток времени, равный длительности зарядки образца τ, ключ К1 размыкался, а К2 (синхронно с К1) замыкался - образец подключался ко входу интегратора 2. В процессе разряда образца на интегратор ключи К3 и К5 поддерживались в разомкнутом состоянии, а К4 был замкнут, и на емкости С1 первой ячейки памяти накапливался заряд, стекающий с образца. В момент времени от начала разряда ключ К4 размыкался, а напряжение с емкости С1, пропорциональное стекшему заряду Qi/Vi, через эмиттерный повторитель У1 оставалось поданным на первый вход дифференциального усилителя У3.When charging the sample with voltage V i, the key K 1 closed, and K 2 opened. The sample was connected to
Затем ключ К2 размыкался, а К1 замыкался - на образец подавалось напряжение Vi+1. Одновременно при зарядке образца замыкался и размыкался ключ К3, приводя измерительную схему в исходное состояние (нулевое напряжение на входе интегратора 2). После зарядки образца напряжением Vi+1 ключ К1 размыкался, а К2 замыкался. В процессе разряда образца ключи К3 и К4 поддерживались в разомкнутом состоянии, а К5 был замкнут и на емкости С1 второй ячейки памяти накапливался заряд, стекающий с образца. В момент времени t1 от начала разряда ключ К5 размыкался, а напряжение с емкости С'1, пропорциональное стекшему заряду Qi+1(Vi+1) через эмиттерный повторитель У2 оставалась поданным на второй вход дифференцирующего усилителя У3. На выходе же У3 (входе блока автоматизации 5) имеем сигнал, пропорциональный искомой величине Δ Q = Qi+1(Vi+1) - Qi(Vi).Then the key K 2 opened, and K 1 closed - the voltage V i + 1 was applied to the sample. At the same time, when charging the sample, the key K 3 was closed and opened, bringing the measuring circuit to its initial state (zero voltage at the input of the integrator 2). After charging the sample with voltage V i + 1, the key K 1 opened, and K 2 closed. During the discharge of the sample, the keys K 3 and K 4 were maintained in the open state, and K 5 was closed and a charge flowing down from the sample was accumulated on the capacitance C 1 of the second memory cell. At time t 1 from the beginning of the discharge, the key K 5 opened, and the voltage from the capacitance C 1 proportional to the highest charge Q i + 1 (V i + 1 ) through the emitter follower U 2 remained supplied to the second input of the differentiating amplifier U 3 . At the output of U 3 (input of the automation unit 5), we have a signal proportional to the desired value Δ Q = Q i + 1 (V i + 1 ) - Q i (V i ).
Повторяя цикл измерений, управляемый микроЭВМ 6, находим зависимость Δ Q(Vi).Repeating the measurement cycle controlled by the
Предлагаемый способ и изготовленная установка были использованы для исследования структуры Ni/a - C:H/Si с толщиной слоя аморфного углерода ≈ 50 50 . Большая плотность поверхностных состояний на границе раздела а-C: H/Si исключала возможность использования для определения изгиба зон в Si на границе с а-С: H прототипа, так как измеренная с его помощью дифференциальная емкость не менялась от напряжения. На фиг. 3 показана зависимость СD(V), измеренная с помощью прототипа, а также найденная с помощью предлагаемого способа зависимость Δ Qi(Vi). Строя зависимость ( Δ V/Δ Qi)2 и экстраполируя линейный участок, по величине отсечки на оси напряжений определяем величину потенциального барьера на границе раздела а-С:H/Si (в данном случае эта величина составляет ≈ 0,4 В, что совпадает с независимо определенной по кинетике фотоотклика величиной). Кроме того, дифференцируя полученную зависимость, можно определить профиль концентрации свободных носителей. Для исследованного образца зависимость в интервале напряжений 0-1 В представляет собой прямую линию, а = const , что свидетельствует о равномерном (однородном) легировании образца. Используя выражение
NД(x) = получаем ND = 4˙1015 см-3.The proposed method and the fabricated installation were used to study the structure of Ni / a - C: H / Si with an amorphous carbon layer thickness of ≈ 50 fifty . The high density of surface states at the a-C: H / Si interface excluded the possibility of using a prototype for determining the zone bending in Si at the a-C: H interface, since the differential capacitance measured with it did not change with voltage. In FIG. 3 shows the dependence CD (V), measured using the prototype, and also found using the proposed method, the dependence Δ Q i (V i ). Building the dependence (Δ V / Δ Q i ) 2 and extrapolating the linear section, we determine the potential barrier at the a-C: H / Si interface by the cutoff value on the stress axis (in this case, this value is ≈ 0.4 V, which coincides with the value independently determined by the kinetics of the photoresponse). In addition, by differentiating the obtained dependence, it is possible to determine the concentration profile of free carriers. For the studied sample, the dependence in the voltage range 0-1 V is a straight line, and = const, which indicates uniform (uniform) doping of the sample. Using expression
N D (x) = we get N D = 4˙10 15 cm -3 .
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4934589 RU2028697C1 (en) | 1991-05-05 | 1991-05-05 | Method of determination of parameters of semiconductor materials and heterostructures |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4934589 RU2028697C1 (en) | 1991-05-05 | 1991-05-05 | Method of determination of parameters of semiconductor materials and heterostructures |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2028697C1 true RU2028697C1 (en) | 1995-02-09 |
Family
ID=21573632
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4934589 RU2028697C1 (en) | 1991-05-05 | 1991-05-05 | Method of determination of parameters of semiconductor materials and heterostructures |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2028697C1 (en) |
-
1991
- 1991-05-05 RU SU4934589 patent/RU2028697C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Батавин В.В., и др., Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур, М.: Радио и связь, 1985 г., с.82-87. * |
2. J. Fujii etall. J. Appl. Phys, 1988, v.64,N10, р.5020-5025. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1111355A (en) | Capacitance measuring device | |
Sreenath et al. | An improved closed-loop switched capacitor capacitance-to-frequency converter and its evaluation | |
KR930011421B1 (en) | Circuit and process for measuring a valve affecting the capacitance-voltage characteristic of a capacitive component | |
Okabe et al. | Measurement methods of accumulated electric charges on spacer in gas insulated switchgear | |
RU2028697C1 (en) | Method of determination of parameters of semiconductor materials and heterostructures | |
Meng et al. | A technique for improving the linear operating range for a relative phase delay capacitive sensor interface circuit | |
Hu et al. | Built-in capacitance sensor for control rod position measurement in NHR-200 with PEEK material | |
Oliver et al. | Experimental investigation of the low‐frequency capacitive response of a plasma sheath | |
Areekath et al. | An extended study on an interference-insensitive switched capacitor CDC | |
CN107015030B (en) | A kind of surface potential measurement method | |
Nelms et al. | A comparison of two equivalent circuits for double-layer capacitors | |
Sreenath et al. | A novel closed-loop SC capacitance-to-frequency converter with high linearity | |
Rohrer et al. | A new technique for characterization of thin‐film ferroelectric memory devices | |
Sebastian et al. | A Switched-Capacitor CVC and CFC for Capacitive Sensors Representable using $\pi $-Model | |
Taniguchi | Graphical technique to determine minority carrier lifetime and surface generation velocity using triangular-voltage sweep CV method | |
CN109959852A (en) | A kind of system and method for the intrinsic random fluctuation characteristic of high speed measurement device | |
Noras | Charge detection methods for dielectrics–Overview | |
Shiau et al. | Determination of dopant and deep imperfection profiles in p‐type CdTe by improved constant capacitance‐voltage transient measurements | |
Li et al. | Measurement of dynamic potential distribution during the propagation of a local arc along a polluted surface | |
Smy et al. | Variation of the rf response of a Langmuir probe with amplitude and frequency | |
RU2133999C1 (en) | Voltage measurement technique for planar semiconductor regions of metal-insulator- semiconductor structures | |
Beckmann et al. | Analysis of complex impedances in CMOS technology for chemical sensor applications | |
Zhou et al. | A capacitance sensor for on-line monitoring of ultrathin polymeric film growth | |
RU2212078C2 (en) | Procedure determining tension of flat zones of semiconductor in metal-dielectric-semiconductor structures | |
CN2692681Y (en) | Resistor measuring circuit for exchange mode |