RU2054748C1 - Method of determination of profile of concentration of current carriers in semiconductor structures with usage of semiconductor-electrolyte contact - Google Patents

Method of determination of profile of concentration of current carriers in semiconductor structures with usage of semiconductor-electrolyte contact Download PDF

Info

Publication number
RU2054748C1
RU2054748C1 RU93020968A RU93020968A RU2054748C1 RU 2054748 C1 RU2054748 C1 RU 2054748C1 RU 93020968 A RU93020968 A RU 93020968A RU 93020968 A RU93020968 A RU 93020968A RU 2054748 C1 RU2054748 C1 RU 2054748C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
semiconductor
concentration
current
profile
current carriers
Prior art date
Application number
RU93020968A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93020968A (en
Inventor
Геннадий Яковлевич Колбасов
Тамара Павловна Колмакова
Владимир Иосифович Пильдон
Татьяна Александровна Таранец
Original Assignee
Тамара Павловна Колмакова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тамара Павловна Колмакова filed Critical Тамара Павловна Колмакова
Priority to RU93020968A priority Critical patent/RU2054748C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2054748C1 publication Critical patent/RU2054748C1/en
Publication of RU93020968A publication Critical patent/RU93020968A/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: method of determination of profile of concentration of current carriers in semiconductor structures with usage of semiconductor-electrolyte contact includes local layer by layer etching of structure, measurement of current of electrochemical reaction and calculated determination of concentration of current carriers. Measurement of current of electrochemical reaction is performed while semiconductor structure is illuminated by light with energy of quantum equal to energy of transition (λ31) of Brillouin zone of semiconductor material of structure. Illumination intensity amounts to 1013-1014 cm-2s-1. External voltage under which photoflux is equal to zero is applied simultaneously with illumination to semiconductor structure. EFFECT: improved authenticity of determination of profile of concentration of current carriers. 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения профиля концентрации носителей тока в многослойных полупроводниковых структурах на основе GaAs, Si, твердых растворов соединений А3В5, включая сверхрешетки.The invention relates to semiconductor technology and can be used to determine the concentration profile of current carriers in multilayer semiconductor structures based on GaAs, Si, solid solutions of compounds A 3 B 5 , including superlattices.

Известен способ определения профиля концентрации носителей тока в полупроводниковых структурах вольт-фарадным методом с электрохимическим травящим зондом [1]
Недостатками способа являются ограничения в определении профиля концентрации носителей тока в приповерхностном слое толщиной менее области пространственного заряда (ОПЗ) при нулевом смещении, а также невозможность определения профиля концентрации носителей тока в сверхтонких структурах с толщинами, меньшими ширины ОПЗ при нулевом смещении.
A known method for determining the concentration profile of current carriers in semiconductor structures by the capacitance-voltage method with an electrochemical etching probe [1]
The disadvantages of the method are the limitations in determining the concentration profile of current carriers in the surface layer with a thickness less than the space charge region (SCR) at zero bias, as well as the impossibility of determining the concentration profile of current carriers in ultrathin structures with thicknesses smaller than the width of the SCR at zero bias.

Известен способ определения профиля концентрации носителей тока в полупроводниковых структурах путем измерения фототока электрохимического травления [2] в котором профиль концентрации носителей тока в полупроводниковой структуре n+ n i-типа определяется из измерений фототока в контакте полупроводник-электролит при приложении к полупроводнику анодного потенциала, уменьшающего концентрацию электронов на поверхности и увеличивающего концентрацию фотогенерированных неосновных носителей тока дырок. Глубина травления полупроводника определялась по анодному фарадеевскому току.A known method for determining the concentration profile of current carriers in semiconductor structures by measuring the photocurrent of electrochemical etching [2] in which the concentration profile of current carriers in an n + n i-type semiconductor structure is determined from measurements of the photocurrent in the semiconductor-electrolyte contact when an anode potential is applied to the semiconductor, which reduces the concentration of electrons on the surface and increasing the concentration of photogenerated minority carriers of hole currents. The etching depth of the semiconductor was determined by the anode Faraday current.

Этим способом принципиально невозможно определить концентрацию основных носителей тока (в данном случае электронов) в полупроводниковой структуре, поскольку измеряемой величиной является ток фотогенерированных неосновных носителей заряда, зависящий от интенсивности света и рекомбинационных потерь этих носителей в ОПЗ и на гетерограницах. Способ нельзя также применить для определения профиля концентрации в сверхтонких областях структуры, толщина которых меньше ширины ОПЗ, из-за наличия энергетического изгиба зон в ОПЗ, необходимого для разделения фотогенерированных носителей заряда при протекании фотоэлектрохимического тока. In this way, it is fundamentally impossible to determine the concentration of the main current carriers (in this case, electrons) in the semiconductor structure, since the measured value is the current of the photogenerated minority charge carriers, which depends on the light intensity and the recombination losses of these carriers in the SCR and at the heterointerfaces. The method cannot also be used to determine the concentration profile in ultrathin regions of the structure, the thickness of which is less than the SCR width, due to the presence of energy bending of zones in the SCR, which is necessary for the separation of photogenerated charge carriers during the flow of a photoelectrochemical current.

Прототипом предлагаемого способа является способ определения профиля концентрации носителей тока в полупроводниковых структурах [3] согласно которому профиль концентрации носителей тока, например электронов, возможно определить по току электрохимической реакции контакта электролит полупроводник по расчетной формуле
in Ano l-yзe-αlΔEг/KT, (1) где in ток электрохимической реакции;
no определяемая концентрация электронов;
yз изгиб энергетических зон на поверхности полупроводника;
α коэффициент переноса электрохимической реакции;
Δ Ег изменение скачка потенциала в слое Гельмгольца при протекании реакции по отношению к его равновесному значению.
The prototype of the proposed method is a method for determining the concentration profile of current carriers in semiconductor structures [3] according to which the concentration profile of current carriers, for example electrons, can be determined from the current of the electrochemical reaction of the contact electrolyte semiconductor by the calculation formula
i n An o l -y z -αlΔE g / KT , (1) where i n current of the electrochemical reaction;
n o determined electron concentration;
y z bending of energy zones on the surface of the semiconductor;
α transfer coefficient of the electrochemical reaction;
Δ E g the change in potential jump in the Helmholtz layer during the course of the reaction with respect to its equilibrium value.

Расчетная формула (1) использована как предпосылка для разработки способа измерения профиля концентрации носителей тока в полупроводниковых структурах. The calculation formula (1) is used as a prerequisite for developing a method for measuring the concentration profile of current carriers in semiconductor structures.

Анализ расчетной формулы (1) показывает, что основным недостатком способа-прототипа является его невысокая точность из-за наличия на границе раздела энергетического изгиба зон (yз), практическое и расчетное определение которого чрезвычайно трудоемко и имеет большую погрешность. Способ неприменим для определения профиля концентрации носителей тока в многослойных полупроводниковых структурах со сверхтонкими слоями из-за наличия энергетического изгиба зон, распространяющегося на расстояния, во многих случаях большие, чем области легирования сверхтонких слоев в измеряемой структуре.Analysis of the calculation formula (1) shows that the main disadvantage of the prototype method is its low accuracy due to the presence of zones of energy bending (y s ) at the interface, the practical and calculated determination of which is extremely time-consuming and has a large error. The method is not applicable for determining the concentration profile of current carriers in multilayer semiconductor structures with ultrathin layers due to the presence of energy bending of zones extending over distances, in many cases larger than the doping regions of ultrathin layers in the measured structure.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения профиля концентрации носителей тока и обеспечение возможности определения профиля концентрации носителей тока в многослойных сверхтонких структурах. The technical result of the invention is to increase the accuracy of determining the concentration profile of current carriers and providing the ability to determine the concentration profile of current carriers in multilayer ultrathin structures.

Технический результат достигается тем, что по способу определения профиля концентрации носителей тока в полупроводниковой структуре с использованием контакта полупроводник-электролит, включающему локальное послойное травление структуры, измерение тока электрохимической реакции и расчетное определение концентрации носителей тока, измерение тока электрохимической реакции производят при освещении полупроводниковой структуры светом с энергией кванта, равной энергии перехода (λ31) зоны Бриллюэна полупроводникового материала структуры, при этом интенсивность освещения составляет 1013 1014 см-2 с-1, и одновременно с освещением к структуре прикладывают внешнее напряжение, при котором фототок равен нулю.The technical result is achieved by the fact that according to the method for determining the concentration profile of current carriers in a semiconductor structure using a semiconductor-electrolyte contact, including local layer-by-layer etching of the structure, measuring the current of the electrochemical reaction and calculating the concentration of current carriers, measuring the current of the electrochemical reaction is carried out when the semiconductor structure is illuminated with light with a quantum energy equal to the transition energy (λ 31 ) of the Brillouin zone of a semiconductor material structure, while the illumination intensity is 10 13 10 14 cm -2 s -1 , and simultaneously with the illumination, an external voltage is applied to the structure at which the photocurrent is zero.

Сущность предлагаемого способа, позволяющая реализовать поставленную цель, заключается в том, чтобы свести энергетический изгиб зон к постоянной и в оптимальном случае минимальной величине, не зависящей от свойств электролита и материала полупроводника. В предлагаемом способе изменение изгиба энергетических зон в приповерхностном слое полупроводника достигается приложением внешнего электрического напряжения, причем за счет изменения величины внешнего напряжения изгиб энергетических зон уменьшают до нулевого значения. Достижение нулевого значения изгиба энергетических зон полупроводника (спрямление энергетических зон на гетерогранице) контролируется с помощью фототока, для чего одновременно с воздействием внешнего напряжения полупроводник облучают сильно поглощаемым в нем светом, который генерирует носители заряда вблизи поверхности. The essence of the proposed method, which allows to achieve the goal, is to reduce the energy bending of the zones to a constant and, in the optimal case, minimum value that does not depend on the properties of the electrolyte and the material of the semiconductor. In the proposed method, the change in the bending of the energy zones in the surface layer of the semiconductor is achieved by applying an external electric voltage, and due to a change in the magnitude of the external voltage, the bending of the energy zones is reduced to zero. The achievement of the zero value of the bending of the energy bands of the semiconductor (rectification of the energy bands at the heteroboundary) is controlled by a photocurrent, for which, simultaneously with the action of an external voltage, the semiconductor is irradiated with strongly absorbed light that generates charge carriers near the surface.

При наличии изгиба энергетических зон у поверхности эти носители заряда разделяются полем ОПЗ, в результате чего при замкнутой внешней цепи возникает фототок. В отсутствии изгиба зон на поверхности этот процесс прекращается, вследствие чего фототок падает до нулевого значения. Таким образом, методом фототока контролируется нулевой изгиб зон на поверхности полупроводника. Поскольку в области сильного поглощения света полупроводником свет поглощается в тонкой приповерхностной области, то нулевой изгиб зон контролируется в этой же области. Таким образом, толщина приповерхностного слоя, где происходит поглощение света, определяет точность способа и соответственно применимость способа для измерения профиля концентрации носителей тока в сверхтонких полупроводниковых структурах. Максимальный коэффициент поглощения, когда поглощение происходит на расстоянии ≅ 10 нм, достигается на переходах (λ31) зоны Бриллюэна полупроводникового материала. Поэтому для сильного поглощения света в полупроводнике (на расстояние от поверхности ≅ 10 нм) энергия кванта света должна быть равна величине энергетического зазора (λ31) зоны Бриллюэна полупроводника. Эта энергия кванта света представляет собой одновременно минимальное и номинальное значение в предлагаемом диапазоне значений энергии кванта. Ограничения по верхнему пределу (не более 0,5 kТ), где k постоянная Больцмана; Т абсолютная температура) обусловлено соображениями механической прочности, химической устойчивости, отсутствием кристаллографических изменений, которые могут быть в результате облучения светом и т.д. т.е. факторами, которые характеризуют способ как неразрушающий. Значения энергетических переходов (λ31) зоны Бриллюэна могут быть рассчитаны по разработанным схемам и для многих полупроводников известны. Известна также для многих материалов глубина поглощения света, например для GaAs при длине волны света λ 280 нм, d 8,7 нм, для GaP при λ 270 нм d 9 нм, для InP при λ 270 нм d 8,1 нм. Интенсивность освещения при измерениях должна быть слабой (1013.1014 см-2 с-1) с целью устранения влияния освещения на потенциал полупроводника в электролите и ошибок, вызванных фотоЭДС Дембара.In the presence of a bend of energy zones at the surface, these charge carriers are separated by the SCR field, as a result of which a photocurrent occurs with a closed external circuit. In the absence of bending of zones on the surface, this process stops, as a result of which the photocurrent drops to zero. Thus, the method of photocurrent controls the zero bending of zones on the surface of the semiconductor. Since light is absorbed in a thin surface region in the region of strong light absorption by a semiconductor, the zero bending of the zones is controlled in the same region. Thus, the thickness of the surface layer where light is absorbed determines the accuracy of the method and, accordingly, the applicability of the method for measuring the concentration profile of current carriers in ultrathin semiconductor structures. The maximum absorption coefficient, when absorption occurs at a distance of ≅ 10 nm, is achieved at the transitions (λ 31 ) of the Brillouin zone of the semiconductor material. Therefore, for strong light absorption in a semiconductor (at a distance of ≅ 10 nm from the surface), the energy of the light quantum should be equal to the energy gap (λ 31 ) of the Brillouin zone of the semiconductor. This quantum energy of light is both the minimum and nominal value in the proposed range of quantum energy values. Limitations on the upper limit (not more than 0.5 kT), where k is the Boltzmann constant; T absolute temperature) due to considerations of mechanical strength, chemical stability, the absence of crystallographic changes that may result from exposure to light, etc. those. factors that characterize the method as non-destructive. The energy transitions (λ 31 ) of the Brillouin zone can be calculated according to the developed schemes and are known for many semiconductors. The depth of light absorption is also known for many materials, for example, for GaAs at a wavelength of λ 280 nm, d 8.7 nm, for GaP at λ 270 nm d 9 nm, for InP at λ 270 nm d 8.1 nm. The illumination intensity during measurements should be weak (10 13 .10 14 cm -2 s -1 ) in order to eliminate the effect of lighting on the semiconductor potential in the electrolyte and errors caused by the Dembar photo-emf.

В условиях, когда изгиб энергетических зон на поверхности близок к нулю, необходимо выбирать электролиты, обеспечивающие протекание токов реакции вблизи потенциалов плоских зон полупроводника. Такими электролитами могут быть растворы кислот, в которых протекает реакция выделения водорода. В этих электролитах ультрафиолетовый свет практически не поглощается. Могут быть выбраны также радокс-системы, не поглощающие ультрафиолетовый свет. Under conditions when the bending of energy zones on the surface is close to zero, it is necessary to choose electrolytes that ensure the flow of reaction currents near the potentials of the planar zones of the semiconductor. Such electrolytes can be acid solutions in which the hydrogen evolution reaction proceeds. In these electrolytes, ultraviolet light is practically not absorbed. Radox systems that do not absorb ultraviolet light can also be selected.

Расчетная формула определения профиля концентрации носителей тока, которую используют в качестве способа-прототипа, не раскрывает подходов его практической реализации. До настоящего времени практическая реализация способа не была осуществлена, поэтому представляет собой самостоятельную задачу, решение которой не является тривиальным в силу необходимости изыскания оптимального подхода в построении последовательности технических приемов и в изыскании самих технических приемов. The calculation formula for determining the concentration profile of current carriers, which is used as a prototype method, does not disclose approaches for its practical implementation. Until now, the practical implementation of the method has not been carried out, therefore, it is an independent task, the solution of which is not trivial due to the need to find the optimal approach in building a sequence of techniques and in finding the techniques themselves.

Из патентной и научно-технической литературы неизвестна совокупность технических приемов, включающих диапазоны значений отдельных параметров процесса, а также последовательность приемов, которые однозначно приводили бы к достижению поставленной цели. Самостоя- тельность и оригинальность подхода к решению поставленной цели, из которого следует заявленная последовательность технических приемов, позволяет считать, что предлагаемый способ отвечает критерию "изобретательский уровень". From the patent and scientific and technical literature, a set of techniques is not known, including ranges of values of individual process parameters, as well as a sequence of techniques that would unambiguously lead to the achievement of the goal. The independence and originality of the approach to solving the goal, from which the stated sequence of technical methods follows, allows us to assume that the proposed method meets the criterion of "inventive step".

Кроме того, из технической и патентной литературы известно, что в настоящее время отсутствуют методы измерения профиля концентрации носителей тока в сверхтонких многослойных полупроводниковых структурах, обеспечивающие такую же или более высокую точность измерения, чем описанный способ. In addition, from the technical and patent literature it is known that at present there are no methods for measuring the concentration profile of current carriers in ultrathin multilayer semiconductor structures that provide the same or higher measurement accuracy than the described method.

Конструктивное оформление способа проще и дешевле по сравнению с установками аналогичного назначения (метод вторичной ионной масс-спектроскопии ВИМС). Предлагаемый способ не имеет теоретических и практических ограничений при использовании его для измерения профиля концентрации в полупроводниковых структурах различных номиналов. The design of the method is simpler and cheaper compared to installations of a similar purpose (SIMS secondary ion mass spectroscopy). The proposed method does not have theoretical and practical limitations when used to measure the concentration profile in semiconductor structures of various ratings.

Данные обстоятельства позволяют считать, что предлагаемый способ обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью. These circumstances suggest that the proposed method has novelty, inventive step and industrial applicability.

На фиг. 1 представлена схема измерительной установки; на фиг. 2 зависимость тока выделения водорода для арсенида галлиевых электродов в 10%-ном водном растворе КОН. Для разных значений концентрации носителей тока no в арсениде галлия
кривая 1 для no 8,3 · 1014 см-3,
кривая 2 для no 1,4 · 1016 см-3,
кривая 3 для no 3,7 · 1016 см-3.
In FIG. 1 shows a diagram of a measuring installation; in FIG. 2 the dependence of the hydrogen evolution current for gallium arsenide in a 10% aqueous KOH solution. For different values of the concentration of current carriers no in gallium arsenide
curve 1 for n o 8.3 · 10 14 cm -3 ,
curve 2 for n o 1.4 · 10 16 cm -3 ,
curve 3 for n o 3.7 · 10 16 cm -3 .

На фиг. 3 изображены профиль распределения концентрации носителей тока и профиля распределения легирующих примесей в структуре арсенида галлия типа n+ i δp i n+, полученной методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), где
кривая 1 профиль распределения концентрации носителей тока, измеренный по предлагаемому способу,
кривая 2 профиль распределения легирующей примеси кремния, полученный методом вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС),
кривая 3 профиль распределения легирующей примеси бериллия, полученный методом ВИМС.
In FIG. 3 shows the distribution profile of the concentration of current carriers and the distribution profile of dopants in the structure of gallium arsenide of the type n + i δ p i n + obtained by molecular beam epitaxy (MBE), where
curve 1 profile of the distribution of the concentration of current carriers, measured by the proposed method,
curve 2 the distribution profile of the dopant silicon obtained by the method of secondary ion mass spectroscopy (SIMS),
curve 3 distribution profile of the dopant of beryllium obtained by SIMS.

На фиг. 4 показаны профиль распределения концентрации носителей тока и профиля распределения легирующих примесей в структуре арсенида галлия типа n+ i δp i n+, полученной методом МЛЭ,
где кривая 1 профиль распределения концентрации носителей тока, измеренный по предлагаемому способу;
кривая 2 профиль распределения легирующей примеси кремния, полученный методом ВИМС,
кривая 3 профиль распределения легирующей примеси бериллия, полученный методом ВИМС.
In FIG. 4 shows the distribution profile of the concentration of current carriers and the distribution profile of dopants in the structure of gallium arsenide of the n + i δ p in + type obtained by the MBE method,
where curve 1 is the distribution profile of the concentration of current carriers, measured by the proposed method;
curve 2 distribution profile of the doping impurity of silicon obtained by SIMS,
curve 3 distribution profile of the dopant of beryllium obtained by SIMS.

На фиг. 5 показан профиль распределения концентрации носителей тока no для монокристаллического фосфида индия, полученный по предлагаемому способу.In FIG. 5 shows the distribution profile of the concentration of current carriers n o for single-crystal indium phosphide obtained by the proposed method.

В таблице приведены результаты определения профиля концентрации носителей тока по предлагаемому способу для типа структуры арсенида галлия для типа n+ i δp i n+, полученной в эпитаксиальном процессе по МОС-технологии. Площадь контакта 0,123 см2.The table shows the results of determining the concentration profile of current carriers by the proposed method for the type of structure of gallium arsenide for type n + i δ p in + obtained in the epitaxial process using MOS technology. The contact area is 0.123 cm 2 .

Установка для осуществления способа состоит из батареи 1 питания, ксеноновой лампы 2 высокого давления типа ДКСШ-1000, модулятора 3, кварцевых объективов 4 и 5, монохроматора 6 типа МДР-2, потенциостата 7 типа П5848, ячейки с оптически прозрачным окном 8, содержащей электролит полупроводниковой структуры 9, противоэлектрода 10, электрода 11 сравнения, усилителя 12 переменного тока типа У2-8, синхродетектора 13 типа УПИ-1, самописца 14 типа КСП-4 и вспомогательного генератора 15 типа Г3-56. В схему измерения введена обратная связь между выходным сигналом с синхродетектора 13 УПИ-1 и потенциостатом 7 П5848. Обратная связь содержит выключатель 16. The installation for implementing the method consists of a power battery 1, a high-pressure xenon lamp 2, type DKSh-1000, a modulator 3, quartz lenses 4 and 5, a monochromator 6, type MDR-2, a potentiostat 7, type P5848, a cell with an optically transparent window 8 containing an electrolyte a semiconductor structure 9, a counter electrode 10, a comparison electrode 11, an AC amplifier 12 of type U2-8, a synchrodetector 13 of type UPI-1, a recorder 14 of type KSP-4, and an auxiliary generator 15 of type G3-56. The feedback circuit between the output signal from the synchrodetector 13 UPI-1 and the potentiostat 7 P5848 is introduced into the measurement circuit. Feedback contains switch 16.

Определение концентрации носителей тока no по предлагаемому способу заключается в следующем. Полупроводниковую структуру 9 с омическим прижимным контактом помещают в ячейку с оптически прозрачным кварцевым окном 8, содержащую электролит. Для соединений типа А3В5 электролитом может служить 10%-ный раствор КОН.The determination of the concentration of current carriers n o by the proposed method is as follows. The semiconductor structure 9 with an ohmic clamping contact is placed in a cell with an optically transparent quartz window 8 containing an electrolyte. For compounds of type A 3 B 5 , a 10% KOH solution can serve as an electrolyte.

В качестве противоэлектрода 10 применяется платиновый или угольный электрод. Электродом 11 сравнения является хлорсеребряный электрод. Источником света служит ксеноновая лампа 2 высокого давления типа ДКСШ-1000, свет которой модулируется модулятором 3 на низкой частоте 20 Гц. Свет от лампы фокусируется кварцевым объективом 4 на входную щель монохроматора 6 типа МДР-2, а объективом 5 на полупроводниковую структуру 9 в ячейке. Измерение фототока проводят в потенцио- статическом режиме, потенциал ячейки задается потенциостатом 7 типа П5848. As the counter electrode 10, a platinum or carbon electrode is used. The reference electrode 11 is a silver chloride electrode. The light source is a high-pressure xenon lamp 2 of the DKSSh-1000 type, the light of which is modulated by modulator 3 at a low frequency of 20 Hz. The light from the lamp is focused by a quartz lens 4 on the entrance slit of an MDR-2 type monochromator 6, and by a lens 5 on a semiconductor structure 9 in the cell. The photocurrent is measured in the potentiostatic mode, the cell potential is set by potentiostat 7 of type P5848.

Сигнал, пропорциональный фототоку полупроводника, усиливается усилителем 12 переменного тока типа У2-8 на частоте модуляции светового потока в 20 Гц, затем детектируется синхродетектором 13 типа УПИ-1 и записывается на самописце 14 типа КСП-4. Установка на выходе фиксирует фототок и темновой ток реакции на полупроводнике (реакция выделения водорода). В схему измерения введена обратная связь между выходным сигналом с синхродетектора 13, пропорциональным фототоку, и потенциостатом 7. Обратная связь обеспечивает автоматическую установку потенциала полупроводника, при котором фототок равен нулю. Таким образом, при включенной обратной связи величина контролируемого фототока равна нулю, и установка автоматически определяет величину темнового тока реакции на полупроводнике при потенциале, обеспечивающая нулевое значение фототока. The signal proportional to the semiconductor photocurrent is amplified by a U2-8 type AC amplifier 12 at a light frequency modulation frequency of 20 Hz, then it is detected by a UPI-1 type synchrodetector 13 and recorded on a KSP-4 type 14 recorder. The output installation captures the photocurrent and the dark reaction current on the semiconductor (hydrogen evolution reaction). Feedback has been introduced into the measurement circuit between the output signal from the synchrodetector 13, which is proportional to the photocurrent, and the potentiostat 7. Feedback provides automatic setting of the semiconductor potential, at which the photocurrent is zero. Thus, when feedback is turned on, the magnitude of the monitored photocurrent is zero, and the setup automatically determines the magnitude of the dark reaction current on the semiconductor at a potential that provides zero photocurrent.

Вспомогательный генератор 15, соединенный с модулятором 3 света и синхродетектором 13, служит для согласования фазы модулируемого света и фазы синхродетектора 13. The auxiliary generator 15 connected to the light modulator 3 and the synchrodetector 13 serves to match the phase of the modulated light and the phase of the synchrodetector 13.

Токи электрохимической реакции для полупроводников с разной концентрацией электронов no существенно отличаются (фиг. 2), что позволяет провести калибровку тока i от величины no для одного и того же материала при определенных условиях травления и величине изгиба зон на поверхности yз 0. В результате такой калибровки строится согласно формуле (1) зависимость i(no) для каждого из изучаемых полупроводниковых материалов и определяется значение no для многослойных структур с разрешением по толщине, равной глубине поглощения свете в данном полупроводнике. Величина изгиба зон (yз 0) измеряется методом фотоэлектрохимического тока с точностью КТ/е (≈25 мВ), что определяет точность измерения концентрации носителей заряда не менее чем в полпорядка. Профиль концентрации носителей заряда определяется путем послойного фотоэлектрохимического или химического травления полупроводниковой структуры.The currents of the electrochemical reaction for semiconductors with different electron concentrations n o are significantly different (Fig. 2), which makes it possible to calibrate the current i from the value n o for the same material under certain etching conditions and the amount of bending of the zones on the surface y z 0. V As a result of such a calibration, the dependence i (n o ) for each of the studied semiconductor materials is constructed according to formula (1) and the value of n o for multilayer structures with a resolution in thickness equal to the depth of light absorption in a given semiconductor is determined water tank. The magnitude of the zone bending (y z 0) is measured by the photoelectrochemical current method with an accuracy of CT / e (≈25 mV), which determines the accuracy of measuring the concentration of charge carriers by at least half an order of magnitude. The concentration profile of charge carriers is determined by layer-by-layer photoelectrochemical or chemical etching of the semiconductor structure.

П р и м е р 1. Структуры из арсенида галлия, полученные по МОС-технологии. PRI me R 1. Structures of gallium arsenide obtained by the MOS technology.

Субмикронные структуры, полученные по МОС-технологии, выращенные на подложке из арсенида галлия n-типа, содержали следующие области: n+ i δp i n+, где δp область согласно техническим условием роста имела толщину порядка 10 нм и уровень легирования ≥ 1018 см-3. Определялись границы областей роста и концентрации носителей заряда в каждой из областей. Профиль концентрации для этих образцов определялся путем фотоэлектрохимического травления в 10% -ном растворе КОН и измерения электрохими- ческого тока при нулевом изгибе зон на поверхности структуры по описанной выше методике.The submicron structures obtained by the MOS technology grown on an n-type gallium arsenide substrate contained the following regions: n + i δ p in + , where the δ p region according to the technical growth conditions had a thickness of the order of 10 nm and a doping level ≥ 10 18 cm -3 . The boundaries of the regions of growth and concentration of charge carriers in each of the regions were determined. The concentration profile for these samples was determined by photoelectrochemical etching in a 10% KOH solution and measuring the electrochemical current at zero bending of the zones on the surface of the structure using the method described above.

Глубина травления определялась по формуле
η

Figure 00000001
где η глубина травления, см;
n квантовый выход фототока с учетом отраженного света, n 1;
М молекулярный вес полупроводника, г · экв-1;
Q заряд, пропущенный через межфазную границу раздела полупроводник электролит, К/см2;
Z число электронов в фотоэлектрохимической реакции разложения полупроводника, Z 6;
ρ плотность полупроводника, г/см3, для арсенида галлия ρ 5,317 г/см3;
F число Фарадея, к · г · экВ-1.The etching depth was determined by the formula
η
Figure 00000001
where η is the etching depth, cm;
n quantum output of the photocurrent taking into account the reflected light, n 1;
M molecular weight of the semiconductor, g · equiv -1 ;
Q charge passed through the semiconductor electrolyte interface, K / cm 2 ;
Z is the number of electrons in the photoelectrochemical decomposition reaction of the semiconductor, Z 6;
ρ semiconductor density, g / cm 3 , for gallium arsenide ρ 5.317 g / cm 3 ;
F is the Faraday number, k · g · ecV -1 .

Структура освещалась светом с длиной волны 280 нм. Результаты определения профиля концентрации для структуры представлены в таблице. Из таблицы следует, что катодный ток оставался практически постоянным по глубине n+-области, что свидетельствует об однородном легировании этой области. Глубина i-области составляла 122,3 нм. Эта область также имела однородное легирование. Для δр-области концентрация дырок была высокой и составляла ≈ 1018 см-3, в то время как ее толщина d9,8 нм. Последующая i-область имела толщину 205,1 нм и концентрацию no 5 · 1015 см-3. За i-областью следовала n+-область с концентрацией носителей no ≈ 5 · 1018 см-3.The structure was illuminated with light with a wavelength of 280 nm. The results of determining the concentration profile for the structure are presented in the table. It follows from the table that the cathodic current remained almost constant along the depth of the n + region , which indicates a uniform doping of this region. The depth of the i-region was 122.3 nm. This region also had uniform alloying. For the δ p region , the hole concentration was high and amounted to ≈ 10 18 cm –3 , while its thickness was d9.8 nm. The subsequent i-region had a thickness of 205.1 nm and a concentration of n o 5 · 10 15 cm -3 . The i-region was followed by the n + region with a carrier concentration of n o ≈ 5 · 10 18 cm -3 .

Сравнение полученного профиля концентрации носителей заряда с данными ВИМС показало достоверность предложенного способа и хорошее количественное совпадение результатов. Comparison of the obtained profile of the concentration of charge carriers with SIMS data showed the reliability of the proposed method and good quantitative agreement of the results.

П р и м е р 2. Структуры из арсенида галлия, полученные по МЛЭ-технологии. PRI me R 2. Structures of gallium arsenide obtained by MBE technology.

Послойное травление этих структур проводилось химическим методом. Layer-by-layer etching of these structures was carried out by the chemical method.

Химические травители имели состав, мл: H3PO4 60 Н2О2 30 HClO4 30 H2O 240 либо H2O2 30 H2O 100 H3PO4 10
Скорость травления определялась по убыли веса полупроводника и составляла 0,5-2 мкм/мин. Для каждого из экспериментов скорость травления определялась по образцу-спутнику. После травления каждого слоя структура тщательно промывалась дважды дистиллированной водой. Нулевой изгиб зон в контакте полупроводник электролит и величина электрохимического тока контролировалась так же, как и в предыдущем случае, использовался 10%-ный раствор КОН. Структура освещалась светом с длиной волны 280 нм.
Chemical etchants had the composition, ml: H 3 PO 4 60 H 2 O 2 30 HClO 4 30 H 2 O 240 or H 2 O 2 30 H 2 O 100 H 3 PO 4 10
The etching rate was determined by the loss of weight of the semiconductor and amounted to 0.5-2 μm / min. For each of the experiments, the etching rate was determined by the satellite sample. After etching of each layer, the structure was thoroughly washed twice with distilled water. Zero bending of the zones in the semiconductor electrolyte contact and the magnitude of the electrochemical current were controlled in the same way as in the previous case; a 10% KOH solution was used. The structure was illuminated with light with a wavelength of 280 nm.

Результаты измерений профиля концентрации приведены на фиг. 3 и 4 для двух различных структур. Для этих структур также получено хорошее количественное совпадение с данными ВИМС. The concentration profile measurements are shown in FIG. 3 and 4 for two different structures. Good quantitative agreement with SIMS data was also obtained for these structures.

П р и м е р 3. Монокристаллы InP. PRI me R 3. InP single crystals.

Определялся профиль концентрации однородно легированных монокристаллов InP с концентрацией электронов no 2 · 1016 см-3. Послойное травление InP проводилось химическим методом в растворе HCl HO3 (1:1) при комнатной температуре. В качестве электролита использовался 10%-ный раствор КОН. Образец освещался светом с длиной волны 275 нм. Результаты измерения профиля концентрации электронов noприведены на фиг. 5. Видно, что для изученных толщиной InP концентрация электронов постоянна, что соответствует данным или образца InP.The concentration profile of uniformly doped InP single crystals with an electron concentration of n o 2 · 10 16 cm – 3 was determined. Layer-by-layer etching of InP was carried out by a chemical method in a solution of HCl HO 3 (1: 1) at room temperature. A 10% KOH solution was used as an electrolyte. The sample was illuminated with light with a wavelength of 275 nm. The results of measuring the electron concentration profile n o are shown in FIG. 5. It is seen that for the studied InP thicknesses, the electron concentration is constant, which corresponds to the data of either the InP sample.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоят в более высокой точности измерения, способ обеспечивает определение профиля концентрации носителей тока в сверхтонких полупроводниковых структурах, конструктивное оформление способа не требует дорогостоящих комплектующих. Способ прост и надежен в эксплуатации, поэтому найдет широкое применение на предприятиях отрасли. Technical and economic advantages of the proposed method compared to the prototype consist in higher measurement accuracy, the method provides a determination of the concentration profile of current carriers in ultrathin semiconductor structures, the design of the method does not require expensive components. The method is simple and reliable in operation, therefore, it will be widely used at industry enterprises.

Claims (1)

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ТОКА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНТАКТА ПОЛУПРОВОДНИК-ЭЛЕКТРОЛИТ, включающий локальное послойное травление структур, измерение тока электрохимической реакции и расчетное определение концентрации носителей тока, отличающийся тем, что используют электролиты, обеспечивающие протекание токов реакции вблизи потенциалов плоских зон полупроводника, а измерение тока электрохимической реакции производят при освещении полупроводниковой структуры светом с энергией кванта, лежащей в диапазоне от энергии перехода λ31 зоны Бриллюэна полупроводникового материала структуры до энергии 0,5 кТс, при этом интенсивность освещения составляет 1013 - 1014 см-2 с-1 и одновременно с освещением к полупроводниковой структуре прикладывают внешнее напряжение, при котором фототок, равен нулю.THE METHOD FOR DETERMINING THE PROFILE OF CONCENTRATION OF CURRENT CARRIERS IN SEMICONDUCTOR STRUCTURES USING THE CONTACT OF SEMICONDUCTOR-ELECTROLYTES, which includes local layer-by-layer etching of structures, measurement of the current of the electrochemical reaction and the calculation of the concentration of charge carriers near the conductors, which differ in and the measurement of the current of the electrochemical reaction is carried out when the semiconductor structure is illuminated with light with an energy of cable lying in the range from the transition energy λ 31 Brillouin zone of the semiconductor material of the structure to an energy of 0.5 kT, with the illumination intensity of 10 1 3 - 10 1 4 cm - 2 s - 1 and simultaneously with the illumination to the semiconductor structure apply an external voltage at which the photocurrent is zero.
RU93020968A 1993-04-22 1993-04-22 Method of determination of profile of concentration of current carriers in semiconductor structures with usage of semiconductor-electrolyte contact RU2054748C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93020968A RU2054748C1 (en) 1993-04-22 1993-04-22 Method of determination of profile of concentration of current carriers in semiconductor structures with usage of semiconductor-electrolyte contact

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93020968A RU2054748C1 (en) 1993-04-22 1993-04-22 Method of determination of profile of concentration of current carriers in semiconductor structures with usage of semiconductor-electrolyte contact

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2054748C1 true RU2054748C1 (en) 1996-02-20
RU93020968A RU93020968A (en) 1997-04-10

Family

ID=20140723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93020968A RU2054748C1 (en) 1993-04-22 1993-04-22 Method of determination of profile of concentration of current carriers in semiconductor structures with usage of semiconductor-electrolyte contact

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2054748C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2534382C1 (en) * 2013-04-23 2014-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method for carrier concentration determination in semiconductors and device for its implementation
RU2618598C1 (en) * 2015-11-17 2017-05-04 Акционерное общество "Эпиэл" Measuring probe device and method for measuring electrophysical parameters of semiconductor wafers
RU2802862C1 (en) * 2023-04-03 2023-09-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Method for determining the depth distribution profile of major charge carrier concentration in semiconductor heterostructures

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Патент ФРГ N 3103611, кл. H 01L 31/26, 1986. 2. Антонов О.Ю. и др. Использование измерений фототока электрохимического травления для профилирования эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия. - Оптические и электронные средства обработки информации. Межведомственный сборник научных трудов МИФИ. М., 1990, с.22-27. 3. Гуревич Ю.Я. и Песков Ю.В. Фотоэлектрохимия полупроводников. М.: Наука, 1985, с.312. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2534382C1 (en) * 2013-04-23 2014-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method for carrier concentration determination in semiconductors and device for its implementation
RU2618598C1 (en) * 2015-11-17 2017-05-04 Акционерное общество "Эпиэл" Measuring probe device and method for measuring electrophysical parameters of semiconductor wafers
RU2802862C1 (en) * 2023-04-03 2023-09-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Method for determining the depth distribution profile of major charge carrier concentration in semiconductor heterostructures

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gerischer Electrochemical behavior of semiconductors under illumination
US5431766A (en) System for the photoelectrochemical etching of silicon in an anhydrous environment
Lehmann et al. Minority carrier diffusion length mapping in silicon wafers using a Si‐electrolyte‐contact
Ambridge et al. Applications of Electrochemical Methods for Semiconductor Characterization: I. Highly Reproducible Carrier Concentration Profiling of VPE “Hi‐Lo”
Moritani et al. Electroreflectance Study of CdxHg1− xTe
Frese A high efficiency single‐crystal CdSe photoelectrochemical solar cell and an associated loss mechanism
Lewerenz et al. Semiconductor interface characterization in photoelectrochemical solar cells: the p-indium phosphide (111) A face
Burk et al. Photoluminescent properties of n‐GaAs electrodes: Simultaneous determination of depletion widths and surface hole‐capture velocities in photoelectrochemical cells
McGregor et al. Photoeffects in Fe2O3 sintered semiconductors
Haak et al. Electrochemical photocapacitance spectroscopy method for characterization of deep levels and interface states in semiconductor materials
Peter Photocurrent spectroscopy of anodic films on metal electrodes
Daemi et al. Contactless measurement of the photovoltage in BiVO 4 photoelectrodes
RU2054748C1 (en) Method of determination of profile of concentration of current carriers in semiconductor structures with usage of semiconductor-electrolyte contact
Gautron et al. Photoelectrochemical determination of minority carrier diffusion length in II–VI compounds
Levy‐Clement et al. Photoelectrochemistry of Lamellar n‐and p‐Type InSe in Aqueous Solution
Chen et al. Flat-band potential techniques
Besland et al. In situ studies of the anodic oxidation of indium phosphide
US6127280A (en) Photoelectrochemical capacitance-voltage measurements of wide bandgap semiconductors
Gronet et al. Correlation of the photoelectrochemistry of the amorphous hydrogenated silicon/methanol interface with bulk semiconductor properties
Van Huong et al. The semiconductor-electrolyte junction: Surface and bulk properties of Hg1− xCdxTe (0.6⩽ x⩽ 1)
Nakanishi et al. Photoreflectance study on the behavior of plasma‐induced defects deactivating Si donors in GaAs
Fink et al. Photoelectrochemical etching of GaAs/AlGaAS multilayer structures
Peter Photocurrent spectroscopy
Polla Determination of carrier lifetime in Si by optical modulation
Etcheberry et al. Bias‐dependent photoluminescence of InP in aqueous iodine solutions