RU2080611C1 - Method for determining electrophysical properties of semiconductors - Google Patents

Method for determining electrophysical properties of semiconductors Download PDF

Info

Publication number
RU2080611C1
RU2080611C1 RU94028132/07A RU94028132A RU2080611C1 RU 2080611 C1 RU2080611 C1 RU 2080611C1 RU 94028132/07 A RU94028132/07 A RU 94028132/07A RU 94028132 A RU94028132 A RU 94028132A RU 2080611 C1 RU2080611 C1 RU 2080611C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
semiconductor
parameters
plates
electromagnetic radiation
pulses
Prior art date
Application number
RU94028132/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU94028132A (en
Inventor
Н.В. Русаков
Л.Н. Кравченко
В.Н. Подшивалов
Original Assignee
Подшивалов Владимир Николаевич
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 Подшивалов Владимир Николаевич filed Critical Подшивалов Владимир Николаевич
Priority to RU94028132/07A priority Critical patent/RU2080611C1/en
Publication of RU94028132A publication Critical patent/RU94028132A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2080611C1 publication Critical patent/RU2080611C1/en

Links

Images

Landscapes

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

Abstract

FIELD: semiconductor engineering; local check-up of deep center parameters. SUBSTANCE: semiconductor strip under check is placed between two conducting plates one of which is transparent plate, nonequilibrium potential difference is set up across barrier junction by irradiating semiconductor plate through transparent plate with electromagnetic rays and generating photoelectromotive force. Data on relaxation processes are taken by using capacitive coupling between plates and surfaces of semiconductor strip. Tp ensure desired locality, electromagnetic radiation is recorded. In case of semiconductor strips of uniform thickness (such as half-insulating substrates), surface-to-volume semiconductor junction is used as barrier junction. In implementing this method, it will be most natural to irradiate semiconductor strip with square-wave pulses of electromagnetic radiation of fixed intensity and then to determine amplitude and waveform of pulses across conducting plates; parameters of relaxation processes should be between calculated according to parameters of pulses across plates. EFFECT: facilitated procedure. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике контроля параметров полупроводников. Наиболее целесообразно использовать предлагаемое изобретение для локального контроля параметров глубоких центров. The invention relates to techniques for controlling the parameters of semiconductors. It is most advisable to use the present invention for local control of parameters of deep centers.

Известен ряд способов определения параметров полупроводников. Спектрофотометрический способ основан на регистрации поглощения квантов света при стимуляции переходов примесь-зона [1] Этот способ является бесконтактным и позволяет определить основные параметры примеси. Недостатком способа является относительно низкая чувствительность (1016-1017 см-3), малая разрешающая способность (0,2 эВ) и малая локальность (1 мм).A number of known methods for determining the parameters of semiconductors. The spectrophotometric method is based on recording the absorption of light quanta during stimulation of impurity-zone transitions [1] This method is non-contact and allows one to determine the main parameters of the impurity. The disadvantage of this method is the relatively low sensitivity (10 16 -10 17 cm -3 ), low resolution (0.2 eV) and low locality (1 mm).

Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ определения параметров полупроводниковых пластин, имеющих барьерный переход, основанный на релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) [2] При использовании этого способа на полупроводниковый барьерный переход подается импульс напряжения той или иной полярности. В результате воздействия неравновесной разности потенциалов происходит изменение распределения потенциала в барьерном переходе, захват или выброс носителей заряда с глубоких уровней, изменение ширины и емкости барьерного перехода. Процесс релаксации к стационарному состоянию, т.е. процесс захвата или выброса носителей заряда регистрируется по изменению емкости барьерного перехода. Измерения проводятся в диапазоне температур. При этом при помощи устройства селекции сигнала по времени релаксации выделяется сигнал с определенной постоянной времени и определяется зависимость этого сигнала от температуры. Затем устройство селекции настраивается на другое значение времени релаксации и процедура повторяется. Положение максимумов этих зависимостей, а также их ширина определяют все основные параметры глубокого уровня. Closest to the proposed invention is a method for determining the parameters of semiconductor wafers having a barrier transition based on relaxation spectroscopy of deep levels (RSGU) [2] When using this method, a voltage pulse of one or another polarity is applied to the semiconductor barrier transition. As a result of exposure to a nonequilibrium potential difference, a change in the distribution of potential occurs in the barrier transition, capture or release of charge carriers from deep levels, and a change in the width and capacitance of the barrier transition. The process of relaxation to a stationary state, i.e. the process of capture or ejection of charge carriers is recorded by a change in the capacitance of the barrier transition. Measurements are taken over a temperature range. In this case, using a device for selecting a signal by the relaxation time, a signal with a certain time constant is extracted and the dependence of this signal on temperature is determined. Then the selection device is adjusted to a different value of the relaxation time and the procedure is repeated. The position of the maxima of these dependences, as well as their width, determine all the basic parameters of the deep level.

Достоинством метода РСГУ является то, что он позволяет определить все основные параметры глубоких уровней. Метод обладает высокой чувствительностью (до 108-109 см-3) и высоким разрешением (лучше 10-2 эВ). Недостатком способа является то, что он является разрушающим, так как требует создания на поверхности полупроводника барьерного и омического контактов, а также низкая локальность, связанная с необходимостью создания контакта диаметром около 1 мм.The advantage of the RSGU method is that it allows you to determine all the basic parameters of deep levels. The method has high sensitivity (up to 10 8 -10 9 cm -3 ) and high resolution (better than 10 -2 eV). The disadvantage of this method is that it is destructive, since it requires the creation of barrier and ohmic contacts on the semiconductor surface, as well as low locality associated with the need to create a contact with a diameter of about 1 mm.

Целью изобретения является прежде всего обеспечение неразрушающего контроля за счет устранения необратимых воздействий на полупроводник. The aim of the invention is primarily to provide non-destructive testing by eliminating irreversible effects on the semiconductor.

Цель достигается тем, что в известном способе определения электрофизических параметров полупроводников, включающем охлаждение и (или) нагрев полупроводниковой пластины, содержащей барьерный переход, в диапазоне температур, при которых постоянная времени релаксации глубоких уровней находится в пределах, позволяющих определить ее с достаточной точностью (обычно в диапазоне 90 450 K, создание и изменение неравновесной разности потенциала на полупроводниковом барьерном переходе, регистрацию процессов релаксации, происходящих в полупроводнике, определение зависимости параметров процессов релаксации от температуры полупроводника и расчет по этим зависимостям параметров глубоких примесных центров полупроводника, полупроводниковую пластину помещают между двумя проводящими параллельными плоскостями (обкладками), одна из которых прозрачна, параллельно этим плоскостям. Неравновесную разность потенциалов на барьерном переходе создают путем облучения полупроводниковой пластины через прозрачную обкладку электромагнитным излучением, энергия кванта которого выше порога генерации свободных носителей. The goal is achieved by the fact that in the known method for determining the electrophysical parameters of semiconductors, which includes cooling and (or) heating a semiconductor wafer containing a barrier transition in a temperature range at which the relaxation time constant of deep levels is within a range that allows it to be determined with sufficient accuracy (usually in the range of 90 450 K, creation and change of the nonequilibrium potential difference at the semiconductor barrier junction, registration of relaxation processes occurring in the semiconductor On the other hand, determining the dependence of the parameters of relaxation processes on the temperature of the semiconductor and calculating from these dependences the parameters of the deep impurity centers of the semiconductor, the semiconductor wafer is placed between two conducting parallel planes (plates), one of which is transparent, parallel to these planes. irradiation of a semiconductor wafer through a transparent lining with electromagnetic radiation, the quantum energy of which is above the threshold g neratsii free carriers.

Изменение неравновесной разности потенциалов осуществляют путем периодического или импульсного изменения интенсивности излучения во времени. Регистрацию релаксационных процессов осуществляют путем определения амплитуды и формы напряжения, возникающего на обкладках, и последующего расчета значений параметров релаксационных процессов по амплитуде и форме напряжения на обкладках с учетом зависимости от времени интенсивности электромагнитного излучения. The change in the nonequilibrium potential difference is carried out by periodic or pulsed changes in the radiation intensity over time. The registration of relaxation processes is carried out by determining the amplitude and shape of the stress arising on the plates, and then calculating the values of the parameters of the relaxation processes by the amplitude and shape of the voltage on the plates, taking into account the time dependence of the intensity of electromagnetic radiation.

Для обеспечения требуемой локальности измерений электромагнитное излучение фокусируют таким образом, чтобы фокальное пятно находилось на поверхности полупроводника и его диаметр не превышал требуемой локальности измерений. To ensure the required measurement locality, electromagnetic radiation is focused so that the focal spot is on the surface of the semiconductor and its diameter does not exceed the required measurement locality.

В качестве полупроводникового барьерного перехода в ряде случаев (например, при контроле полуизолирующих полупроводниковых подложек) целесообразно использовать переход поверхность-внутренний объем полупроводника; для создания этого барьерного перехода не требуется каких-либо дополнительных технологических операций. In a number of cases (for example, when controlling semi-insulating semiconductor substrates) as a semiconductor barrier transition, it is advisable to use the surface-internal volume of the semiconductor; to create this barrier transition does not require any additional technological operations.

При реализации предлагаемого способа определения параметров полупроводников наиболее естественно облучать полупроводниковую пластину прямоугольными импульсами электромагнитного излучения фиксированной интенсивности, далее определять амплитуду и форму импульсов на проводящих обкладках, а значения параметров релаксационных процессов рассчитывать по значениям параметров импульсов напряжения на обкладках. При этом для обработки сигнала целесообразно использовать устройство селекции сигнала по времени релаксации, которое позволяет выделить сигнал с определенной постоянной времени релаксации. When implementing the proposed method for determining the parameters of semiconductors, it is most natural to irradiate a semiconductor wafer with rectangular pulses of electromagnetic radiation of fixed intensity, then determine the amplitude and shape of the pulses on the conductive plates, and calculate the values of the parameters of the relaxation processes from the values of the parameters of the voltage pulses on the plates. In this case, it is advisable to use a signal selection device for the relaxation time to process the signal, which allows you to select a signal with a certain relaxation time constant.

Предлагаемый способ определения электрофизических параметров полупроводников является одним из вариантов метода РСГУ, который основан на изучении процессов эмиссии носителей заряда с глубоких уровней, расположенных в слое объемного заряда (СОЗ) (или захвата носителей на эти уровни). Слой объемного заряда связан с каким-либо барьерным переходом (p-n переход, барьер Шоттки, МДП-структура). В равновесном состоянии на этом переходе имеется разность потенциалов, ширина СОЗ определяется этой разностью потенциалов. При подаче внешнего напряжения разность потенциалов на барьерном переходе изменяется, при этом изменяется ширина СОЗ и происходит эмиссия свободных носителей заряда с глубоких уровней, расположенных в СОЗ (или захват на эти уровни). В предлагаемом способе изменение равновесной барьерной разности потенциалов происходит за счет барьерной фотоЭДС, возникающей на барьерном переходе. Процессы, происходящие в СОЗ при возникновении и исчезновении фотоДЭС, аналогичны процессам, происходящим в СОЗ при подаче на него внешнего напряжения. Здесь также происходит изменение ширины СОЗ и перезарядка глубоких уровней. Амплитуда и форма напряжений на барьерном переходе зависят от амплитуды и зависимости от времени интенсивности электромагнитного излучения, которым облучается полупроводник, а также от величины барьерной разности потенциала (высоты барьера) и параметров релаксационных процессов в СОЗ. Напряжение с барьерного перехода подается на входные цепи измерительного усилителя посредством емкостной связи. При этом используются емкости, образованные поверхностями полупроводниковой пластины и проводящими обкладками, которые гальванически соединены с измерительным усилителем. Таким образом контролируемая полупроводниковая пластина не имеет какого-либо гальванического контакта со входом измерительного усилителя; механический контакт также может быть исключен. Какие-либо необратимые воздействия на полупроводник исключены. The proposed method for determining the electrophysical parameters of semiconductors is one of the variants of the RSGU method, which is based on the study of the processes of emission of charge carriers from deep levels located in the space charge layer (POP) (or carrier capture at these levels). The space charge layer is associated with some kind of barrier transition (pn junction, Schottky barrier, MIS structure). In the equilibrium state at this transition there is a potential difference, the width of the POPs is determined by this potential difference. When an external voltage is applied, the potential difference at the barrier transition changes, the width of the POP changes and the emission of free charge carriers from deep levels located in the POP (or capture to these levels) occurs. In the proposed method, the change in the equilibrium barrier potential difference occurs due to the barrier photoEMF arising at the barrier transition. The processes occurring in POPs during the emergence and disappearance of photoDES are similar to the processes occurring in POPs when an external voltage is applied to it. There is also a change in the width of POPs and recharging of deep levels. The amplitude and shape of the stresses at the barrier junction depend on the amplitude and time dependence of the intensity of electromagnetic radiation with which the semiconductor is irradiated, as well as on the value of the barrier potential difference (barrier height) and the parameters of relaxation processes in POPs. The voltage from the barrier junction is applied to the input circuits of the measuring amplifier via capacitive coupling. In this case, capacitances formed by the surfaces of the semiconductor wafer and the conductive plates, which are galvanically connected to the measuring amplifier, are used. Thus, the controlled semiconductor wafer does not have any galvanic contact with the input of the measuring amplifier; mechanical contact can also be eliminated. Any irreversible effects on the semiconductor are excluded.

Согласно второму варианту изобретения используется сфокусированное электромагнитное излучение, например, инфракрасного диапазона, которое фокусируется в пятно диаметром несколько микрон, что обеспечивает высокую локальность контроля. According to a second embodiment of the invention, focused electromagnetic radiation is used, for example, in the infrared range, which is focused into a spot with a diameter of several microns, which ensures high locality of control.

Согласно третьему варианту изобретения в качестве полупроводникового барьерного перехода используется переход поверхность внутренний объем полупроводника и соответственно приповерхностный СОЗ. Это существенно расширяет область использования метода, т.к. появляется возможность контролировать однородные полупроводники, в частности полуизолирующие подложки из арсенида галлия. According to a third embodiment of the invention, the surface-to-internal volume of the semiconductor and, accordingly, surface POPs are used as a semiconductor barrier transition. This significantly expands the scope of the method, since it becomes possible to control homogeneous semiconductors, in particular semi-insulating gallium arsenide substrates.

Согласно четвертому варианту изобретения полупроводник облучают прямоугольными импульсами электромагнитного излучения фиксированной интенсивности, а значения параметров релаксационных процессов рассчитывают по значениям параметров импульсов напряжения на проводящих обкладках. Возбуждение полупроводника такими импульсами излучения позволяет использовать методические наработки и аппаратурные решения традиционной РСГУ. В частности, в этом случае для обработки сигнала целесообразно использовать устройство селекции сигнала по времени релаксации, которое позволяет выделить сигнал с определенной постоянной времени релаксации. According to a fourth embodiment of the invention, the semiconductor is irradiated with rectangular pulses of electromagnetic radiation of a fixed intensity, and the parameter values of the relaxation processes are calculated from the parameter values of the voltage pulses on the conductive plates. Excitation of the semiconductor by such radiation pulses allows the use of methodological developments and hardware solutions of traditional RSGU. In particular, in this case, it is advisable to use a signal selection device for the relaxation time to process the signal, which allows you to select the signal with a certain relaxation time constant.

Объединение четырех технических решений в одну заявку связано с тем, что все четыре решения решают одну задачу определение электрофизических параметров полупроводников, более конкретно параметры глубоких центров, при этом второе техническое решение обеспечивает высокую локальность контроля, третье решение конкретизирует тип контролируемых полупроводников дает возможность контролировать однородные полупроводники, а четвертое - конкретизирует параметры используемого электромагнитного излучения. The combination of four technical solutions in one application is due to the fact that all four solutions solve one problem: the determination of the electrophysical parameters of semiconductors, more specifically the parameters of deep centers, while the second technical solution provides high locality of control, the third solution specifies the type of controlled semiconductors makes it possible to control homogeneous semiconductors and the fourth - specifies the parameters of the used electromagnetic radiation.

На фиг. 1 приведена функциональная блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ: на фиг. 2 эквивалентная схема измерений: на фиг. 3 - график напряжения на входе измерительного усилителя. In FIG. 1 shows a functional block diagram of a device that implements the proposed method: in FIG. 2 equivalent measurement scheme: in FIG. 3 is a graph of the voltage at the input of a measuring amplifier.

Устройство, реализующее предлагаемой способ определения электрофизических параметров полупроводниковой пластины 1, состоит из двух проводящих плоскостей (обкладок) 2 и 3, одна из которых (2) прозрачна для используемого электромагнитного излучения. Полупроводниковая пластина 1 расположена между этими обкладками и облучается через световод 4 светодиодом 5. Светодиод 5 запитывается от генератора прямоугольных импульсов 6. Сигнал с обкладок поступает на вход усилителя 7 и далее на устройство селекции сигнала по времени релаксации 8. Пластина и обкладки помещаются в термостат 9 с термопарой 10. На вход x самописца 11 подается сигнал с термопары 10. Выходной сигнал с устройства селекции 8 подается на вход y самописца 11. Система линз 12 фокусирует электромагнитное излучение. A device that implements the proposed method for determining the electrophysical parameters of the semiconductor wafer 1, consists of two conductive planes (plates) 2 and 3, one of which (2) is transparent to the used electromagnetic radiation. A semiconductor wafer 1 is located between these plates and is irradiated through the optical fiber 4 by LED 5. The LED 5 is fed from the rectangular pulse generator 6. The signal from the plates is fed to the input of the amplifier 7 and then to the signal selection device according to the relaxation time 8. The plate and plates are placed in the thermostat 9 with a thermocouple 10. A signal from a thermocouple 10 is fed to input x of the recorder 11. An output signal from a selection device 8 is supplied to input y of the recorder 11. A lens system 12 focuses electromagnetic radiation.

На фиг. 2 ε фотоЭДС, генерируемая световым импульсом, Rпп - сопротивление полупроводника, C емкости между верхней и нижней поверхностями полупроводниковой пластины 1 и верхней 2 и нижней 3 обкладками, Rвх - входное сопротивление усилителя 7.In FIG. 2 ε photo-emf generated by a light pulse, R pp is the semiconductor resistance, C is the capacitance between the upper and lower surfaces of the semiconductor wafer 1 and the upper 2 and lower 3 plates, R in is the input resistance of the amplifier 7.

На фиг. 3,а приведен график светового импульса интенсивностью Io и длительностью To. На фиг. 3,б- график зависимости напряжения Uвх на сопротивлении Rвх от времени; t1 длительность переходного процесса возникновения фотоЭДС без учета глубоких центров; τo длительность релаксационных процессов перезарядки глубоких центров при возникновении фотоЭДС; τ2 длительность переходного процесса спада фотоЭДС без учета глубоких центров; τ3 длительность релаксационных процессов при исчезновении фотоЭДС; ε1 величина фтоЭДС без учета глубоких центров; ε2 -величина фотоЭДС с учетом глубоких центров; ε2-u3 спад напряжения на входе усилителя за счет разряда емкостей C с постоянной времени Rвх•C/2.In FIG. 3a, a graph of a light pulse of intensity I o and duration T o is shown. In FIG. 3, b is a graph of the voltage U I on the resistance R I versus time; t 1 the duration of the transition process of the occurrence of photoEMF without taking into account the deep centers; τ o the duration of the relaxation processes of recharging of the deep centers in the event of photo-emf; τ 2 the duration of the transition process of the decline in photoEMF without taking into account the deep centers; τ 3 the duration of relaxation processes with the disappearance of photo-emf; ε 1 is the value of phoEMF excluding deep centers; ε 2 is the value of the photoEMF taking into account the deep centers; ε 2 -u 3 voltage drop at the input of the amplifier due to the discharge of capacitances C with a time constant R in • C / 2.

Способ реализуется следующим образом. Для конкретности рассмотрим случай, когда однородная полупроводниковая пластина n типа облучается импульсами электромагнитного излучения длительности To и интенсивности Io: потенциал поверхности выше потенциала объема полупроводника. (В случае p-n перехода или барьера Шоттки физические процессы аналогичны). Обозначим через vб разность потенциалов между поверхностью и объемом полупроводника. Толщина приповерхностного СОЗ равна [4]
h = [2εдεovб/e(n+Ni)]1/2, (1)
где εo диэлектрическая постоянная
εд диэлектрическая проницаемость решетки полупроводника,
e заряд электрона,
n концентрация мелких доноров,
N1 концентрация ионизированных глубоких центров.
The method is implemented as follows. For concreteness, we consider the case when a homogeneous semiconductor wafer of type n is irradiated with pulses of electromagnetic radiation of duration T o and intensity I o : the surface potential is higher than the volume potential of the semiconductor. (In the case of the pn junction or Schottky barrier, the physical processes are similar). Let v b denote the potential difference between the surface and the volume of the semiconductor. The thickness of the surface POPs is [4]
h = [2ε d ε o v b / e (n + N i )] 1/2 , (1)
where ε o is the dielectric constant
ε d the dielectric constant of the semiconductor grating,
e is the charge of an electron,
n concentration of small donors,
N 1 concentration of ionized deep centers.

При облучении одной из поверхностей полупроводника свет поглощается на расстоянии l = 1/α, где α коэффициент поглощения. При 1 ≅ h в СОЗ генерируются пары электрон дырка, причем электроны увлекаются в объем полупроводника, а дырки на поверхность. Между освещенной и неосвещенной поверхностями полупроводника возникает барьерная фотоЭДС, равная [5]

Figure 00000002

где k постоянная Больцмана,
T температура полупроводинка,
j1=eg,
g темп генерации пар электрон дырка,
js плотность тока насыщения при обратном включении барьерного перехода поверхность объем, определяемая соотношением [5]
js=AT2exp(-e vб/kT), (3)
где A постоянная Ричардсона. Из (2), (3)
Figure 00000003

Рассмотрим переходные процессы при включении освещения (см. фиг. 21). Будем считать, что ε ≪ vб Постоянная времени τ1 определяется длительностью дрейфовых процессов при возникновении фотоЭДС. Будем считать, что τ1≪ τ2 Зависимость vб(t) при t ≥ τ1 может быть представлена в виде
vб= vбо+Δv(t). (5)
Здесь vбо барьерная разность потенциалов, обусловленная наличием мелких доноров, а Δv барьерная разность потенциалов, обусловленная перезарядкой глубоких центров. Подставив (5) в (4) получим при t ≥ τ1
Figure 00000004

где ε1= (kg/AT)exp(evбо/KT). В свою очередь
Δv(t) = Δvк[1-exp(-t/τ2)],)](7)
где
Figure 00000005
постоянная времени релаксационного процесса перезарядки глубокого уровня Eti, a Δvк, согласно [4] определяется соотношением
Figure 00000006

где Nдг концентрация глубоких уровней, U разность между потенциалом глубокого уровня и потенциалом Ферми в объеме полупроводника. Таким образом
Figure 00000007

При t< Rвх•C ε равно напряжению на входе усилителя 7; при t ≈Rвх•C необходимо учитывать влияние разряда емкостей C. При n > Nдг соотношение (9) упрощается
Figure 00000008

Отметим что при включении освещения происходит заполнение глубокого уровня.When one of the semiconductor surfaces is irradiated, light is absorbed at a distance l = 1 / α, where α is the absorption coefficient. At 1 ≅ h, electron – hole pairs are generated in the POPs, with the electrons being carried away into the semiconductor bulk, and the holes to the surface. Between the illuminated and unlit surfaces of the semiconductor, a barrier photoEMF equal to [5]
Figure 00000002

where k is the Boltzmann constant,
T temperature semiconductor,
j 1 = eg,
g rate of generation of electron-hole pairs,
j s the saturation current density when the barrier junction is switched back on, the surface is the volume defined by the relation [5]
j s = AT 2 exp (-ev b / kT), (3)
where A is Richardson's constant. From (2), (3)
Figure 00000003

Consider the transients when the lighting is turned on (see Fig. 21). We assume that ε ≪ v b The time constant τ 1 is determined by the duration of the drift processes when photo-emf occurs. We assume that τ 1 ≪ τ 2 The dependence v b (t) for t ≥ τ 1 can be represented as
v b = v bo + Δv (t). (5)
Here v bo barrier potential difference due to the presence of shallow donors and Δv barrier potential difference caused by charge of deep centers. Substituting (5) into (4) we obtain for t ≥ τ 1
Figure 00000004

where ε 1 = (kg / AT) exp (ev bo / KT). In turn
Δv (t) = Δv to [1-exp (-t / τ 2 )],)] (7)
Where
Figure 00000005
the time constant of the relaxation process of recharging a deep level E ti , a Δv k , according to [4] is determined by the relation
Figure 00000006

where N dg is the concentration of deep levels, U is the difference between the potential of the deep level and the Fermi potential in the semiconductor bulk. Thus
Figure 00000007

When t <R I • C ε is equal to the voltage at the input of amplifier 7; at t ≈ R in • C, it is necessary to take into account the influence of the discharge of capacitances C. For n> N dg, relation (9) is simplified
Figure 00000008

Note that when the lighting is turned on, a deep level is filled.

При t > τ2/ спад вершины импульса определяется разрядом емкостей C через сопротивления Rвх и Rпп. Постоянная времени этого спада равна 0,5(Rвх+Rпп)•C.At t> τ 2 / the drop in the peak of the pulse is determined by the discharge of capacitances C through the resistances R I and R pp . The time constant of this decline is 0.5 (R I + R pp ) • C.

При выключении источника излучения (при t > To) спад напряжения определяется теми же процессами, что и при выключении прямого смещения на несимметричном p-n переходе. В соответствии с этим τ2 равно половине времени жизни неосновных носителей, а τ3 = τo определяется релаксационными процессами перезарядки глубоких центров (при выключении освещения происходит опустошение глубоких центров).When the radiation source is turned off (at t> T o ), the voltage drop is determined by the same processes as when the forward bias is turned off at the asymmetric pn junction. In accordance with this, τ 2 is equal to half the lifetime of minority carriers, and τ 3 = τ o is determined by the relaxation processes of recharging deep centers (when the lighting is turned off, deep centers are emptied).

Постоянная времени τo связана с параметрами глубокого уровня Eti соотношением [2, 3, 4]

Figure 00000009

где σi сечение захвата носителей заряда,
<vn >- средняя тепловая скорость электронов,
No эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника,
gi коэффициент вырождения глубокого уровня.The time constant τ o is associated with the parameters of the deep level E ti by the relation [2, 3, 4]
Figure 00000009

where σ i is the carrier capture cross section,
<v n > is the average thermal velocity of electrons,
N o effective density of states in the conduction band of the semiconductor,
g i the coefficient of degeneracy of the deep level.

Eti энергия ионизации глубокого уровня.E ti deep level ionization energy.

Для определения Eti необходимо провести измерения в диапазоне температур при настройке устройства селекции сигнала по времени релаксации на два значения постоянной времени сигнала τ01 и τ02 Значение Eti, согласно (10), определяется соотношением
Eti= [ln(τ01)-ln(τ02)]/[1/kTm1-1/kTm2], (11)
где Tm1 и Tm2 значение температуры, при которых выходной сигнал с устройства селекции максимален при настройке его на времена τ01 и τ02 соответственно. Сечение захвата σi может быть вычисленно из (10) по известным значениям No, Eti, <vn >.
To determine E ti, it is necessary to carry out measurements in the temperature range when tuning the signal selection device for the relaxation time to two values of the signal time constant τ 01 and τ 02 The value of E ti , according to (10), is determined by the relation
E ti = [ln (τ 01 ) -ln (τ 02 )] / [1 / kT m1 -1 / kT m2 ], (11)
where T m1 and T m2 are the temperature values at which the output signal from the selection device is maximum when it is tuned to the times τ 01 and τ 02, respectively. The capture cross section σ i can be calculated from (10) using the known values of N o , E ti , <v n >.

Амплитуда сигнала с устройства селекции пропорциональна концентрации носителей заряда, захваченных на глубокие уровни (или эмитируемых с этих уровней), т. е. концентрации глубоких уровней. Кроме того, на нее влияет ряд других факторов тип глубокого уровня, способ регистрации сигнала, величина постоянной времени, температура и т.д. В связи с этим возможны лишь относительные измерения концентрации глубоких уровней. Чувствительность по концентрации может быть оценена по соотношению

Figure 00000010

где (Δv)min чувствительность определения изменения напряжения.The amplitude of the signal from the selection device is proportional to the concentration of charge carriers captured at deep levels (or emitted from these levels), i.e., the concentration of deep levels. In addition, it is influenced by a number of other factors such as a deep level, the method of recording the signal, the value of the time constant, temperature, etc. In this regard, only relative measurements of the concentration of deep levels are possible. Sensitivity by concentration can be estimated by the ratio
Figure 00000010

where (Δv) min is the sensitivity of determining the change in voltage.

В качестве примера рассмотрим возможность контроля арсенидгаллиевых структур. Арсенид галлия n-типа имеет при комнатной температуре vб≈0,75 B, α ≈ 5 мкм-1 Условие 1/α < h выполняется при концентрации носителей заряда n ≅ 3•1016см-3, т. е. имеется возможность контролировать арсенидгаллиевые структуры с меньшей концентрацией, в том числе и полуизолирующие подложки. В качестве источника излучения выберем полупроводниковый светодиод с импульсной мощностью Po=100 мкВт и длиной волны 0,7 мкм. Значение квантового выхода примем равным q=0,1. Площадь полупроводника So=10 см2. Темп генерации пар электрон-дырка равен

Figure 00000011

Примем величину входного сопротивления усилителя Rвх=100 МОм, а зазор обкладка полупроводник 0,1 мм. Тогда постоянная спада вершины импульса равна 10-2 с; при этом имеется возможность фиксировать релаксационные процессы длительностью меньшей ≃ 10-2 с, т.е. контролировать содержание в арсениде галлия большинства глубоких уровней. Электромагнитное излучение с длиной волны 0,7 мкм легко сфокусировать в пятно диаметром ≈2 мкм. Таким образом предлагаемый способ позволяет контролировать глубокие уровни и связанные с ними дефекты в арсенале галлия с локальностью несколько микрон без каких-либо контактов или необратимых воздействий. Предварительные экспериментальные исследования это подтвердили.As an example, we consider the possibility of controlling gallium arsenide structures. Gallium arsenide of n-type has at room temperature v b ≈0.75 B, α ≈ 5 μm -1 The condition 1 / α <h is satisfied at a carrier concentration of n ≅ 3 • 10 16 cm -3 , that is, there is a possibility control gallium arsenide structures with a lower concentration, including semi-insulating substrates. As a radiation source, we choose a semiconductor LED with a pulsed power P o = 100 μW and a wavelength of 0.7 μm. The value of the quantum yield is taken equal to q = 0.1. The area of the semiconductor S o = 10 cm 2 . The rate of generation of electron-hole pairs is
Figure 00000011

We take the value of the input impedance of the amplifier R I = 100 MΩ, and the clearance gap of the semiconductor is 0.1 mm. Then the constant decline of the peak of the pulse is 10 -2 s; in this case, it is possible to fix relaxation processes with a duration of less than ≃ 10 -2 s, i.e. control the content of gallium arsenide at most deep levels. Electromagnetic radiation with a wavelength of 0.7 μm is easy to focus into a spot with a diameter of ≈2 μm. Thus, the proposed method allows you to control deep levels and related defects in the gallium arsenal with a locality of several microns without any contacts or irreversible effects. Preliminary experimental studies have confirmed this.

Claims (4)

1. Способ определения электрофизических параметров полупроводников, включающий охлаждение и(или) нагрев полупроводниковой пластины, содержащей барьерный переход, создание и изменение неравновесной разности потенциалов на полупроводниковом барьерном переходе, регистрацию релаксационных процессов, происходящих в полупроводнике определение зависимости параметров релаксационных процессов от температуры полупроводника и расчет по этим зависимостям параметров глубоких уровней, отличающийся тем, что полупроводниковую пластину помещают между двумя параллельными проводящими обкладками, одна из которых прозрачна, параллельно этим обкладкам, неравновесную разность потенциалов на барьерном переходе создают путем облучения через прозрачную обкладку полупроводниковой пластины электромагнитным облучением, энергия кванта которого выше энергетического порога генерации свободных носителей заряда в полупроводнике, изменение неравновесной разности потенциалов осуществляют путем периодического или импульсного изменения интенсивности излучения во времени, а регистрацию релаксационных процессов осуществляют путем определения амплитуды и формы напряжения, возникающего на проводящих обкладках, и последующего расчета значений параметров релаксационных процессов по амплитуде и форме этого напряжения с учетом зависимости от времени интенсивности электромагнитного излучения. 1. A method for determining the electrophysical parameters of semiconductors, including cooling and (or) heating a semiconductor wafer containing a barrier junction, creating and modifying a nonequilibrium potential difference at a semiconductor barrier junction, recording relaxation processes occurring in a semiconductor, determining the dependence of relaxation process parameters on the semiconductor temperature, and calculating according to these dependences of the parameters of deep levels, characterized in that the semiconductor wafer is placed m between two parallel conductive plates, one of which is transparent, parallel to these plates, the nonequilibrium potential difference at the barrier junction is created by irradiation through the transparent plate of the semiconductor wafer with electromagnetic radiation, the quantum energy of which is higher than the energy threshold of generation of free charge carriers in the semiconductor, a change in the nonequilibrium potential difference carried out by periodic or pulsed changes in radiation intensity over time, and registration relaxation processes carried out by determining the amplitude and shape of voltage produced in conductive plates, and the subsequent calculation of the parameter values of the relaxation processes in the amplitude and shape of voltage given time depends on the intensity of the electromagnetic radiation. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используемое электромагнитное излучение фокусируют так, чтобы фокальное пятно находилось на поверхности полупроводниковой пластины и его диаметр не превышал требуемой локальности измерений. 2. The method according to claim 1, characterized in that the used electromagnetic radiation is focused so that the focal spot is on the surface of the semiconductor wafer and its diameter does not exceed the required locality of the measurements. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового барьерного перехода используют переход поверхность - внутренний объем полупроводника. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as a semiconductor barrier transition, a surface-internal volume transition of the semiconductor is used. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что полупроводниковую пластину облучают прямоугольными импульсами электромагнитного излучения фиксированной интенсивности, определяют амплитуду и форму импульсов напряжения, возникающих на проводящих обкладках, а значения параметров релаксационных процессов рассчитывают по значениям параметров импульсов напряжения на этих обкладках. 4. The method according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the semiconductor wafer is irradiated with rectangular pulses of electromagnetic radiation of a fixed intensity, the amplitude and shape of the voltage pulses arising on the conductive plates are determined, and the values of the parameters of the relaxation processes are calculated from the values of the parameters of the pulses voltage on these plates.
RU94028132/07A 1994-07-18 1994-07-18 Method for determining electrophysical properties of semiconductors RU2080611C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94028132/07A RU2080611C1 (en) 1994-07-18 1994-07-18 Method for determining electrophysical properties of semiconductors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94028132/07A RU2080611C1 (en) 1994-07-18 1994-07-18 Method for determining electrophysical properties of semiconductors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94028132A RU94028132A (en) 1996-10-20
RU2080611C1 true RU2080611C1 (en) 1997-05-27

Family

ID=20158970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU94028132/07A RU2080611C1 (en) 1994-07-18 1994-07-18 Method for determining electrophysical properties of semiconductors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2080611C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011084089A1 (en) * 2010-01-11 2011-07-14 Gavrilov Andrey Yuryevich Method for measuring temperature and thermal radiation parameters
RU2683003C2 (en) * 2017-08-08 2019-03-25 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Краснодарское высшее военное училище имени генерала армии С.М. Штеменко" Министерство обороны Российской Федерации Method of diagnostics of radio electronic devices

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Ж.Панков. Оптические процессы в полупроводниках.- М.: Мир, 1973. 2. D.V. Lang. Deep-level transient spectroscopy: A new method to characte uze traps in semicondactors. Yorn, Apple Phys v. 45, N 7, р.3023 (1974). 3. А.А.Денисов, В.Н.Лактюшкин, Ю.Г.Садофеев. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней. Обзоры по электронной технике. Серия 7. Технология,организация производства и оборудование. Вып. 15 (1141).- М.: изд. ЦНИИ"Электроника", 1985. 4. Л.С.Берман., А.А.Лебедев. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках.- Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1981. 5. В.Л. Бонч-Бруевич, С.Т.Калашников. Физика полупроводников.- М.: Наука, 1990. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011084089A1 (en) * 2010-01-11 2011-07-14 Gavrilov Andrey Yuryevich Method for measuring temperature and thermal radiation parameters
RU2683003C2 (en) * 2017-08-08 2019-03-25 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Краснодарское высшее военное училище имени генерала армии С.М. Штеменко" Министерство обороны Российской Федерации Method of diagnostics of radio electronic devices

Also Published As

Publication number Publication date
RU94028132A (en) 1996-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4758786A (en) Method of analyzing semiconductor systems
Smith et al. Ion implant monitoring with thermal wave technology
Chantre et al. Deep-level optical spectroscopy in GaAs
EP0180780B1 (en) Noncontact dynamic tester for integrated circuits
Fretwurst et al. Investigation of damage-induced defects in silicon by TCT
Sarkisov et al. Dipole antennas based on SI-GaAs: Cr for generation and detection of terahertz radiation
RU2080611C1 (en) Method for determining electrophysical properties of semiconductors
Berwick et al. Studies of charge collection in GaAs radiation detectors
Toney et al. Photocurrent mapping as a probe of transport properties and electric field distributions in cadmium zinc telluride detectors
Gaubas et al. Monitoring of carrier lifetime in GaAs substrate–epi-layer structures by space-resolved transient microwave absorption
Leung et al. Time‐resolved thermionic and photoemission from nanosecond, pulsed laser excited germanium and silicon
Slapa et al. The characterization of CdTe and HgI2 crystals and detectors by light spot scanning (LSS)
RU2079853C1 (en) Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials
Yurchenko et al. Microwave whispering-gallery-mode photoconductivity measurement of recombination lifetime in silicon
RU2101721C1 (en) Device for determining electrophysical parameters of semiconductor plates
McPherson Emission and capture processes in radiation-damaged silicon semiconductor diodes
Weiss et al. Potential beneficial effects of electron-hole plasmas created in silicon sensors by XFEL-like high intensity pulses for detector development
Grube et al. Radiation damage effects from 2 MeV protons in silicon surface barrier detectors
Caywood et al. Charge transport through α-monoclinic selenium
Moeglin et al. Electrical behaviour of laser-damaged silicon photodiodes
Pekárek Room-temperature semiconducting detectors
Roach et al. Shock wave generation in dielectric liquids using Q-switched lasers
Russo et al. Response of semi-insulating GaAs detectors to near-infrared picosecond light pulses
RU2330300C2 (en) Method of defining electrophysical parametres of semiconductors
Li et al. Determination of trapping dynamics of semi-insulating GaAs by frequency-dependent photoconductivity

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040719