RU2097872C1

RU2097872C1 - Nondestructive method and device for determining mobility of change carriers in semiconductor structures on half-insulating substrates

Info

Publication number: RU2097872C1
Application number: RU95103452A
Authority: RU
Inventors: В.Я. Принц; И.А. Панаев
Original assignee: Институт физики полупроводников СО РАН
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1997-11-27
Also published as: RU95103452A

Abstract

FIELD: semiconductor engineering; nondestructive inspection of semiconductor materials. SUBSTANCE: this nondestructive microwave measurement method involves formation of nondestructive contacts for structure: liquid one, transparent for microwave radiation on half-insulating substrate side and hold-down contact on conducting layer side. Applied to n-i film-to-half-insulating structure transition through these contacts is DC reverse bias voltage V_sub which changes width of n-i transition packing area and thickness of n-i transition is modulated by applying through these contacts ac bias voltage V

\binom{~}{sub}

, thereby modulating layer conductance on end of packing area of n-i transition; V_sub+V

\binom{~}{sub}

sum does not exceed breakdown voltage of n-i transition. Separated from reflected microwave power being measured is ac component whose magnetic-field dependence is used to determine mobility as function of reverse bias voltage applied to n-i transition using equation ΔP_mw(B,V_sub)=ΔP_mw(B=0,V_sub)/[I + (μ(V_sub)B)²],, where ΔP_mw is ac component of reflected microwave power; μ(V_sub) is mobility as function of reverse bias voltage V_sub; B is magnetic flux density. EFFECT: facilitated procedure, improved accuracy. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для неразрушающего контроля параметров полупроводников, для научных исследований, а также для определения качества материалов, применяемых в полупроводниковом приборостроении. The invention relates to semiconductor technology and can be used for non-destructive testing of semiconductor parameters, for scientific research, as well as for determining the quality of materials used in semiconductor instrument making.

Основным фактором, сдерживающим развитие СВЧ и сверхбыстродействующей микроэлектроники на основе соединений A³B⁵, является недостаточно высокое качество и воспроизводимость используемых для изготовления приборов тонкопленочных многослойных структур и невоспроизводимость параметров отдельных слоев. Так, например, многослойные структуры GaAs, которые используются для изготовления полевых транзисторов (ПТ) и интегральных схем (ИС), состоят из полуизолирующей подложки, высокоомного буферного слоя, активной пленки и верхнего контактного высокопроводящего слоя. Учитывая, что в малошумящем ПТ ток локализуется вблизи границы раздела активная пленка буферный слой (подложка), степень совершенства кристаллической структуры именно в этой области многослойной структуры оказывает сильное влияние на характеристики прибора. Особенно нежелательным является снижение подвижности носителей заряда в переходной области активной пленки, прилегающей к буферному слою (подложке), которое приводит к значительному снижению быстродействия и увеличению уровня шумов транзистора (Полевые транзисторы на арсениде галлия. Под ред. Д.В.Ди Лоренцо и Д.Д.Канделуола, -М. Радио и связь, 1988, с.95).The main factor hindering the development of microwave and ultrafast microelectronics based on A ³ B ⁵ compounds is the insufficiently high quality and reproducibility of thin-film multilayer structures used for the manufacture of devices and the irreproducibility of the parameters of individual layers. For example, the multilayer GaAs structures that are used to fabricate field-effect transistors (PTs) and integrated circuits (ICs) consist of a semi-insulating substrate, a high-resistance buffer layer, an active film, and an upper contact highly conducting layer. Considering that in a low-noise PT, the current is localized near the interface between the active film and the buffer layer (substrate), the degree of perfection of the crystal structure precisely in this region of the multilayer structure has a strong effect on the characteristics of the device. Particularly undesirable is a decrease in the mobility of charge carriers in the transition region of the active film adjacent to the buffer layer (substrate), which leads to a significant decrease in speed and an increase in the noise level of the transistor (Field effect transistors on gallium arsenide. Edited by D.V. Di Lorenzo and D. .D. Candeluola, M. Radio and Communications, 1988, p. 95).

Из перечисленного выше следует необходимость контроля подвижности в структурах. В настоящее время подвижность носителей заряда во внутреннем слое структуры может быть определена либо путем последовательного стравливания слоев структуры, либо используются методы, основанные на управлении толщиной проводящего слоя эффектом поля в МДП-структурах или в структурах с барьером Шоттки со стравленным верхним высокопроводящим слоем (Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования, М. Радио и связь, 1990, с. 152-160). Эти методы требуют изготовления омических контактов, барьеров Шоттки, МДП-структур и измерения в них проводимости, эффекта Холла или магнитопроводимости. Операции, связанные с травлением и изготовлением образцов, трудоемки, дорогостоящи и разрушают исходную структуру. По эти причинам массовый контроль подвижности внутренних слоев структур отсутствует. В то же время неразрушающий анализ профиля подвижности вблизи границы раздела позволил бы как оптимизировать технологию выращивания таких структур, так и осуществлять входной контроль на предмет годности структур для изготовления из них в дальнейшем полупроводниковых приборов. Проблемы контроля подвижности носителей заряда во внутренних слоях не ограничиваются GaAs структурами, они возникают и в других многослойных структурах на основе соединений A³B⁵, A²B⁶ (например, гетероструктуры GaAs/AlGaAs, Si-GaAs, GaAs-ZnSe, GaAs-CdHgTe и другие), в которых также необходимо знать подвижность носителей заряда вблизи границы раздела активного и буферного слоев. Так, например, в гетероструктурах GaAs/AlGaAs с модулированным легированием, которые предназначены для изготовления сверхбыстродействующих транзисторов, важнейшим параметром является подвижность двумерных носителей заряда, находящихся в квантовой яме, сформированной на гетерогранице, разделяющей сильнолегированный широкозонный и нелегированный узкозонный слои. Еще раз отметим, что важность неразрушающего анализа профиля подвижности носителей заряда вблизи границы раздела связана в первую очередь с тем, что он позволяет производить отбраковку полупроводниковых заготовок для приборов без разрушения пленки. Это дает возможность использовать апробированные образцы для производства из них в дальнейшем полупроводниковых приборов. Кроме этого, информация о поведении подвижности вблизи границы раздела дает представление о процессах роста на границе раздела, что позволяет оптимизировать технологию выращивания таких структур.From the above, the need for mobility control in structures follows. At present, the mobility of charge carriers in the inner layer of a structure can be determined either by sequential etching of the layers of the structure, or methods based on controlling the thickness of the conducting layer by the field effect in MIS structures or in structures with a Schottky barrier with an etched upper highly conductive layer can be used (Kuchis E .V. Galvanomagnetic effects and methods for their investigation, M. Radio and communications, 1990, p. 152-160). These methods require the fabrication of ohmic contacts, Schottky barriers, MIS structures, and measurement of their conductivity, Hall effect, or magnetic conductivity. Operations associated with etching and manufacturing of samples are laborious, expensive and destroy the original structure. For these reasons, there is no mass control of the mobility of the inner layers of structures. At the same time, a non-destructive analysis of the mobility profile near the interface would allow both to optimize the technology for growing such structures and to carry out an incoming inspection on the suitability of structures for the further manufacture of semiconductor devices from them. The problems of controlling the mobility of charge carriers in the inner layers are not limited to GaAs structures; they arise in other multilayer structures based on A ³ B ⁵ , A ² B ⁶ compounds (for example, GaAs / AlGaAs, Si-GaAs, GaAs-ZnSe, GaAs- CdHgTe and others), in which it is also necessary to know the mobility of charge carriers near the interface between the active and buffer layers. So, for example, in GaAs / AlGaAs heterostructures with modulated doping, which are designed for the manufacture of ultrafast transistors, the most important parameter is the mobility of two-dimensional charge carriers located in a quantum well formed at the heteroboundary separating the heavily doped wide-gap and undoped narrow-gap layers. We note again that the importance of non-destructive analysis of the profile of the mobility of charge carriers near the interface is primarily due to the fact that it allows the rejection of semiconductor blanks for devices without destroying the film. This makes it possible to use approved samples for the production of semiconductor devices from them in the future. In addition, information on the behavior of mobility near the interface gives an idea of the growth processes at the interface, which allows optimizing the technology for growing such structures.

Стремление изучать электрические параметры полупроводников без нанесения контактов на их поверхность привело к разработке сверхчастотных (СВЧ) методов измерения. Возможность регистрации параметров полупроводников на СВЧ связана с поглощением электромагнитной энергии свободными носителями заряда. Образец в СВЧ-измерениях является неоднородностью, внесенной в волноводную или коаксиальную линию или в резонатор. Вызванное введением образца изменение коэффициента отражения или передачи, либо добротности и собственной частоты резонатора зависит от параметров полупроводникового образца и может быть использовано для их определения. The desire to study the electrical parameters of semiconductors without applying contacts to their surface led to the development of superfrequency (microwave) measurement methods. The possibility of registering the parameters of semiconductors on microwave is associated with the absorption of electromagnetic energy by free charge carriers. A sample in microwave measurements is an inhomogeneity introduced into a waveguide or coaxial line or into a resonator. The change in the reflection or transmission coefficient, or the quality factor and natural frequency of the resonator caused by the introduction of the sample, depends on the parameters of the semiconductor sample and can be used to determine them.

Известен неразрушающий способ измерения подвижности носителей заряда, включающий помещение образца в магнитное поле, подачу на него СВЧ- излучения и измерение затухания СВЧ-мощности в полупроводниковой структуре в зависимости от величины внешнего магнитного поля (магниторезистивного эффекта) СВЧ-резонатором квазистационарного типа. Образец устанавливается на внешней стенке квазистационарного резонатора над отверстием, затухание СВЧ-мощности в полупроводниковой структуре измеряется по изменению добротности резонатора и с помощью расчетных формул определяется подвижность свободных носителей заряда (Медведев Ю. В. и др. Электромагнитные методы измерения и контроля, Томск, 1985, с. 170-175). A non-destructive method is known for measuring the mobility of charge carriers, including placing a sample in a magnetic field, applying microwave radiation to it, and measuring the attenuation of microwave power in a semiconductor structure, depending on the magnitude of the external magnetic field (magnetoresistive effect) of a quasistationary type microwave resonator. The sample is mounted on the outer wall of the quasistationary resonator above the hole, the microwave attenuation in the semiconductor structure is measured by the change in the Q factor of the resonator, and the mobility of free charge carriers is determined using calculation formulas (Medvedev Yu.V. et al. Electromagnetic methods of measurement and control, Tomsk, 1985 , p. 170-175).

Данный способ применяется для измерения подвижности в объемных образцах или однослойных эпитаксиальных структурах. Причем измеряется усредненная по слою подвижность. Недостатком способа является невозможность определения с его помощью профиля подвижности или подвижности в отдельном внутреннем слое многослойной структуры. В частности, способ не пригоден для стандартных структур с сильно проводящим контактным слоем, используемых для производства ПТ и ИС. This method is used to measure mobility in bulk samples or single-layer epitaxial structures. Moreover, the mobility averaged over the layer is measured. The disadvantage of this method is the inability to determine with its help the profile of mobility or mobility in a separate inner layer of the multilayer structure. In particular, the method is not suitable for standard structures with a highly conductive contact layer used for the production of PT and IC.

Известно устройство для неразрушающего измерения подвижности свободных носителей заряда (авт.св. СССР N 1148006 А, Медведев Ю.В. и др. опубл. в БИ N 12, 1985), которое содержит генератор СВЧ-излучения, соединенный через развязывающий вентиль с квазистатическим СВЧ- резонатором, содержащим измерительное отверстие и размещенным между полюсами электромагнита, кроме того к выходу квазистатического СВЧ-резонатора подсоединен детектор отраженной СВЧ-мощности, соединенный с устройством индексации (вывода) информации. A device for non-destructive measurement of the mobility of free charge carriers (ed. St. USSR N 1148006 A, Medvedev Yu.V. et al. Published in BI N 12, 1985), which contains a microwave radiation generator connected through a decoupling valve with a quasistatic A microwave resonator containing a measuring hole and located between the poles of the electromagnet; in addition, a reflected microwave power detector connected to an information indexing (output) device is connected to the output of the quasistatic microwave resonator.

Для проведения измерений полупроводниковая структура помещается на измерительное отверстие СВЧ-резонатора. Измеряется добротность СВЧ- резонатора с исследуемым образцом (затухание СВЧ- мощности в полупроводниковой структуре) в магнитном поле и в отсутствии магнитного поля. С помощью измеренных данных по известным формулам определяется подвижность. For measurements, the semiconductor structure is placed on the measuring hole of the microwave resonator. The quality factor of a microwave resonator with the sample under study (attenuation of microwave power in a semiconductor structure) in a magnetic field and in the absence of a magnetic field is measured. Using measured data according to well-known formulas, mobility is determined.

Данное устройство позволяет измерять подвижность в полупроводниковых объемных образцах или однослойных эпитаксиальных структурах. Причем измеряется усредненная по толщине слоя подвижность. Недостатком устройства является невозможность определения с его помощью профиля подвижности или подвижности в отдельном внутреннем слое многослойной структуры. В частности, устройство не пригодно для определения подвижности в активном слое стандартных структур с контактным слоем, используемых для производства ПТ и ИС. This device allows measuring mobility in semiconductor bulk samples or single-layer epitaxial structures. Moreover, the mobility averaged over the thickness of the layer is measured. The disadvantage of this device is the inability to determine with its help the profile of mobility or mobility in a separate inner layer of the multilayer structure. In particular, the device is not suitable for determining mobility in the active layer of standard structures with a contact layer used for the production of PT and IP.

Известен неразрушающий способ измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232), выбранный в качестве прототипа, включающий помещение образца в магнитное поле, подачу на него СВЧ-излучения и измерение отраженной от образца СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля. При этом образец помещается в закороченной волноводной линии поперек волновода, перекрывая полностью его сечение, и из измерений величин отраженной мощности и фазы стоячей волны в линии с образцом и после замещения образца металлической пластиной определяется удельное сопротивление образца в магнитном поле R(B) и в отсутствие магнитного поля R(0), после чего из простого соотношения для геометрического магнитосопротивления R(B) R(0)•(1+ (μB)²) определяется подвижность носителей заряда в эпитаксиальном слое структуры.A non-destructive method is known for measuring the mobility of charge carriers in semiconductor structures on semi-insulating substrates (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232), selected as a prototype, including placing the sample in a magnetic field, feeding microwave radiation on it and measuring the microwave power reflected from the sample, depending on the magnetic field. In this case, the sample is placed in a shorted waveguide line across the waveguide, completely overlapping its cross section, and the resistivity of the sample in the magnetic field R (B) is determined from the measurements of the reflected power and the phase of the standing wave in the line with the sample and after replacing the sample with a metal plate of the magnetic field R (0), after which, from a simple relation for the geometric magnetoresistance R (B) R (0) • (1+ (μB) ² ), the mobility of charge carriers in the epitaxial layer of the structure is determined.

Недостатком способа является невозможность неразрушающего измерения с его помощью подвижности в стандартных структурах, используемых для производства интегральных схем и полевых транзисторов (например, на основе A³B⁵). Данные структуры всегда содержат контактные высоколегированные слои, которые шунтируют проводимость активных слоев. Поэтому подвижность, определенная из магнитосопротивления, дает некоторую усредненную по слоям величину, а не подвижность в активном слое. Вторым недостатком является то, что даже в отсутствии шунтирующего контактного слоя этот метод дает усредненную по толщине подвижность. Для практических приложений необходимо знать подвижность в активном слое вблизи границы с буферным слоем или подложкой (Полевые транзисторы на арсениде галлия, Под ред. Д.В.Ди Лоренцо и Д.Д.Канделуола, М. Радио и связь, 1988, с.95).The disadvantage of this method is the impossibility of non-destructive measurement of mobility with its help in standard structures used for the production of integrated circuits and field effect transistors (for example, based on A ³ B ⁵ ). These structures always contain highly doped contact layers that shunt the conductivity of the active layers. Therefore, the mobility determined from the magnetoresistance gives a certain value averaged over the layers, and not the mobility in the active layer. The second disadvantage is that even in the absence of a shunt contact layer, this method gives a thickness-averaged mobility. For practical applications, it is necessary to know the mobility in the active layer near the boundary with the buffer layer or substrate (Field effect transistors based on gallium arsenide, Edited by D.V. Di Lorenzo and D.D. Kandeluola, M. Radio and Communications, 1988, p. 95 )

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является устройство для неразрушающего измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232), содержащее генератор СВЧ-излучения, соединенный через аттенюатор, циркулятор, согласующее устройство (волноводная линия, закороченная подвижным поршнем) с держателем полупроводниковой структуры, размещенным между полюсами электромагнита, к выходу циркулятора подсоединен детектор отраженной СВЧ-мощности, соединенный с устройством индексации (вывода) информации. Closest to the technical solution to the proposed is a device for non-destructive measurement of the mobility of charge carriers in semiconductor structures on semi-insulating substrates (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232), containing a microwave radiation generator connected through an attenuator, a circulator, a matching device (a waveguide line shorted by a movable piston) with a semiconductor structure holder located between the poles of an electromagnet, a reflected microwave power detector is connected to the output of the circulator dinined with the device indexing (output) information.

Данное устройство позволяет измерять подвижность в однослойных эпитаксиальных структурах. Причем измеряется усредненная по толщине слоя подвижность. Недостатком устройства является невозможность определения с его помощью неразрушающим образом профиля подвижности или подвижности в отдельном внутреннем слое многослойной структуры. В частности, устройство не пригодно для определения подвижности в активном слое стандартных структур с высокопроводящим контактным слоем, используемых для производства ПТ и ИС. This device allows you to measure mobility in single-layer epitaxial structures. Moreover, the mobility averaged over the thickness of the layer is measured. The disadvantage of this device is the inability to determine with its help a non-destructive manner the profile of mobility or mobility in a separate inner layer of the multilayer structure. In particular, the device is not suitable for determining mobility in the active layer of standard structures with a highly conductive contact layer used for the production of PT and IC.

Поставлена задача увеличить точность способа и расширить функциональные возможности способа и устройства за счет измерения подвижности и профиля подвижности (зависимости подвижности от величины обратного смещения) во внутренних слоях полупроводниковых структур, в том числе в структурах с высокопроводящим контактным n⁺ слоем.The task is to increase the accuracy of the method and expand the functionality of the method and device by measuring the mobility and mobility profile (the dependence of mobility on the magnitude of the reverse bias) in the inner layers of semiconductor structures, including structures with a highly conductive contact n ⁺ layer.

Задача решалась следующим образом. В неразрушающем способе измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках, включающем помещение образца в магнитное поле, перпендикулярное плоскости структуры, подачу на него СВЧ-излучения и измерение отраженной от образца СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля, формируют неразрушающие контакты к структуре: со стороны полуизолирующей подложки жидкий, прозрачный для СВЧ-излучения, например, контактированием со слоем этилового спирта, а со стороны поверхности проводящего слоя прижимной, например, точечный металлический; через данные контакты к n-i переходу пленка полуизолирующая подложка (буферный слой) прикладывают обратное постоянное смещение V_подл, которое изменяет ширину области обеднения n-i перехода, и модулируют толщину n-i перехода, прикладывая через эти контакты переменное смещение V $\binom{~}{подл}$ модулируя тем самым проводимость слоя на краю области обеднения n-i перехода, причем сумма V_подл + V $\binom{~}{подл}$ не превосходит напряжения пробоя n-i перехода; из измеряемой отраженной СВЧ-мощности выделяют переменную составляющую, из магнитополевой зависимости которой определяют подвижность как функцию обратного смещения, приложенного к n-i переходу, по формуле:

где ΔP_СВЧ переменная составляющая отраженной СВЧ-мощности;
μ(V_подл) подвижность как функция обратного смещения V_подл, [M²B^-1C^-1]
B магнитное поле.The problem was solved as follows. In a non-destructive method for measuring the mobility of charge carriers in semiconductor structures on semi-insulating substrates, including placing the sample in a magnetic field perpendicular to the plane of the structure, applying microwave radiation to it and measuring the microwave power reflected from the sample depending on the magnetic field, non-destructive contacts to the structure are formed : from the side of the semi-insulating substrate, liquid, transparent to microwave radiation, for example, by contacting with a layer of ethyl alcohol, and from the side of the surface of the conductive layer, pressing, for example, point metal; through these contacts to the ni junction, the film of the semi-insulating substrate (buffer layer) applies a constant reverse bias V _sub , which changes the width of the depletion region ni of the junction, and modulates the thickness ni of the junction, applying a variable bias V through these contacts

\binom{~}{vile}

thereby modulating the conductivity of the layer at the edge of the depletion region ni transition, and the sum V + V _vile

\binom{~}{vile}

does not exceed the breakdown voltage of the ni junction; from the measured reflected microwave power, an alternating component is isolated, from the magnetic field dependence of which the mobility is determined as a function of the reverse bias applied to the ni junction according to the formula:

where ΔP _microwave variable component of the reflected microwave power;
μ (V _sub ) mobility as a function of reverse bias V _sub , [M ² B ^-1 C ^-1 ]
B magnetic field.

В устройстве для неразрушающего измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках, которое содержит генератор СВЧ-излучения, соединенный через аттенюатор, циркулятор, согласующее устройство (волноводная линия, закороченная подвижным поршнем) с держателем полупроводниковой структуры, который размещен между полюсами электромагнита, а к выходу циркулятора подсоединен измеритель отраженной СВЧ-мощности, держатель образца содержит металлический зонд, позволяющий прикладывать прижимной контакт к поверхности проводящего слоя структуры и прозрачный для СВЧ жидкий контакт (спирт, электролит) для контактирования с полуизолирующей подложкой. К этим контактам подсоединены источники постоянного и переменного напряжения. Выход измерителя мощности соединен с входом усилителя с синхронным детектором, опорный вход которого соединен с выходом источника переменного смещения. In a device for non-destructive measurement of the mobility of charge carriers in semiconductor structures on semi-insulating substrates, which contains a microwave radiation generator connected through an attenuator, a circulator, a matching device (a waveguide line shorted by a moving piston) with a semiconductor structure holder that is placed between the poles of the electromagnet, and a reflected microwave power meter is connected to the output of the circulator, the sample holder contains a metal probe that allows you to apply pressure contact to the surface of the conductive layer of the structure and transparent to microwave liquid contact (alcohol, electrolyte) for contact with a semi-insulating substrate. DC and AC voltage sources are connected to these contacts. The output of the power meter is connected to the input of the amplifier with a synchronous detector, the reference input of which is connected to the output of the variable bias source.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 данные, полученные для образца АГ-1 при разных значениях V_подл:1 (а) экспериментальные зависимости ΔP_СВЧ(B); (б) теоретические кривые (сплошные линии), описываемые выражением (1), подогнанные к экспериментальным данным (символы) методом наименьших квадратов; на фиг.3 - профили подвижности вблизи границы раздела активный слой -буферный слой, измеренные в структурах АГ-1 и АГ-2.Figure 1 shows a functional diagram of a device that implements the proposed method; figure 2 the data obtained for the sample AG-1 at different values of V _sub : 1 (a) experimental dependence ΔP _microwave (B); (b) theoretical curves (solid lines) described by expression (1), fitted to the experimental data (symbols) by the least squares method; figure 3 - mobility profiles near the interface between the active layer and the buffer layer, measured in the structures of AG-1 and AG-2.

Физическая сущность способа поясняется следующим. The physical nature of the method is illustrated by the following.

Рассмотрим структуру n-типа (для p-типа аналогично), предназначенную для изготовления ИС и ПТ. Это структуры типа n⁺-n-буф-i, n⁺-n-i, где n⁺-контактный слой, n активный слой, буф буферный слой, i - полуизолирующая подложка. Необходимо получить значение подвижности у границы n-буф. Для этого необходимо выделить при измерениях эту область из других областей n⁺ и n-слоев. Для осуществления этого в предлагаемом способе используется наличие встроенного слоя обеднения, который всегда формируется в таких структурах на границе n-буф или n-i. Если удастся увеличивать или уменьшать толщину этого слоя, то можно будет модулировать проводимость интересующей нас области активного слоя. Этого можно достичь, если приложить напряжение к слою обеднения границы раздела. В данном способе неразрушающее приложение напряжения к области обеднения осуществляют путем формирования неразрушающих контактов к полуизолирующей подложке и к верхнему n⁺(n)-слою. Для этого в той области, где проходит СВЧ- излучение, подложку смачивают тонким слоем изопропилового или этилового спирта, который прозрачен для СВЧ-излучения. К n⁺(n)-слою с края полупроводниковой структуры прижимают точечный металлический зонд-шарик (достаточно легкого касания n⁺-слоя). Прикладываемое к данным контактам напряжение падает в основном на области обеднения. Это неочевидное утверждение экспериментально доказано нами. Были изучены свойства контакта спирт полуизолирующая подложка. Спирт не формирует омического контакта к подложке. Спирт, а также вода и электролит образуют выпрямляющий контакт к полупроводниковой полуизолирующей подложке при приложенном напряжении больше 5В, однако при малых напряжениях этот контакт почти омический, причем сопротивление его меньше, чем сопротивление спирта и полуизолирующей подложки. Сопротивление полуизолирующей подложки с удельным сопротивлением 10⁸ Ом•см при толщине подложки 300 мкм и площади контакта 0,1 см² приблизительно равно 10 30 МОм. В электрической цепи жидкость (спирт)-i-буф-n-n⁺-металлический зонд, как показывает выполненные нами эксперименты, самым высокоомным оказывается именно слой обеднения на границе буф-n, на который падает около 90% приложенного напряжения. Поэтому, прикладывая обратное смещение V_подл к этим контактам, мы увеличиваем толщину области обеднения перехода буф-n и модулируем толщину этой области обеднения, прикладывая переменное смещение V $\binom{~}{подл}$ . Изменение толщины слоя области обеднения на границе буферного и активного слоев приводит к изменению проводимости канала. Поэтому, прикладывая переменное смещение с подложки, можно модулировать проводимость канала на краю области обеднения, и, прикладывая одновременно отрицательное постоянное смещение (следовательно, увеличивая ширину области обеднения), продвигать край слоя обеднения вглубь пленки. Измеряя с помощью СВЧ-метода модуляцию проводимости Δσ в магнитном поле и без магнитного поля, можно таким образом определять локальную подвижность по мере удаления от границы раздела (по мере увеличения обратного постоянного смещения), тем самым определять профиль подвижности. Поясним это утверждение и выведем формулу для определения локальной подвижности как функции обратного смещения.Consider an n-type structure (similarly for a p-type), intended for the fabrication of IS and PT. These are structures of the type n ⁺ -n-puff-i, n ⁺ -ni, where the n ⁺ -contact layer, n is the active layer, puff buffer layer, i is a semi-insulating substrate. It is necessary to obtain the mobility value at the n-buffer boundary. For this, it is necessary to separate this region from other regions of n ⁺ and n-layers during measurements. To accomplish this, the proposed method uses the presence of a built-in depletion layer, which is always formed in such structures at the n-puff or ni boundary. If it is possible to increase or decrease the thickness of this layer, then it will be possible to modulate the conductivity of the region of interest of the active layer of interest to us. This can be achieved by applying voltage to the depletion layer of the interface. In this method, non-destructive application of voltage to the depletion region is carried out by forming non-destructive contacts to the semi-insulating substrate and to the upper n ⁺ (n) -layer. For this, in the region where microwave radiation passes, the substrate is wetted with a thin layer of isopropyl or ethyl alcohol, which is transparent to microwave radiation. To the n ⁺ (n) -layer from the edge of the semiconductor structure, a point metal probe ball is pressed (it is enough to lightly touch the n ⁺ -layer). The voltage applied to these contacts falls mainly on the depletion region. This non-obvious statement has been experimentally proved by us. The properties of the alcohol contact were studied on a semi-insulating substrate. Alcohol does not form an ohmic contact to the substrate. Alcohol, as well as water and electrolyte form a rectifying contact to the semiconductor semi-insulating substrate at an applied voltage of more than 5V, but at low voltages this contact is almost ohmic, and its resistance is less than the resistance of alcohol and a semi-insulating substrate. The resistance of a semi-insulating substrate with a specific resistance of 10 ⁸ Ohm • cm with a substrate thickness of 300 μm and a contact area of 0.1 cm ^{2 is} approximately equal to 10 30 MΩ. In the electric circuit, the liquid (alcohol) -i-puff-nn ⁺ -metal probe, as shown by our experiments, turns out to be the highest impedance layer of depletion at the puff-n boundary, on which about 90% of the applied voltage falls. Therefore, applying a reverse bias V _vile to these terminals, we increase the thickness of the depletion region of the transition and puff-n modulate the thickness of the depletion region, applying an AC bias V $\binom{~}{vile}$ . A change in the layer thickness of the depletion region at the interface between the buffer and active layers leads to a change in the channel conductivity. Therefore, by applying a variable bias from the substrate, it is possible to modulate the channel conductivity at the edge of the depletion region, and while applying a negative constant bias (hence, increasing the width of the depletion region), push the edge of the depletion layer deeper into the film. By measuring the modulation of the conductivity Δσ in a magnetic field and without a magnetic field using the microwave method, one can thus determine the local mobility with increasing distance from the interface (with increasing inverse constant bias), thereby determining the mobility profile. We clarify this statement and derive a formula for determining local mobility as a function of reverse bias.

В СВЧ-измерениях мы, как и в прототипе, использовали волну типа TE₁₀. Следовательно, только диагональный элемент s_xx тензора проводимости принимается во внимание при вычислении отраженной СВЧ-мощности и формула для определения подвижности из магнитопроводимости имеет следующий простой вид для структуры с одним слоем (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232), подвижность в котором не зависит от глубины:
σ_xx(B) = σ_xx(B=0)/(1+(μB)²); (2)
где μ подвижность;
B магнитное поле.In the microwave measurements, we, as in the prototype, used a wave of the type TE ₁₀ . Therefore, only the diagonal element s _xx of the conductivity tensor is taken into account when calculating the reflected microwave power and the formula for determining the mobility from the magnetic conductivity has the following simple form for a single-layer structure (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45 , p. 225-232), in which mobility does not depend on depth:
σ _xx (B) = σ _xx (B = 0) / (1+ (μB) ² ); (2)
where μ is mobility;
B magnetic field.

Когда подвижность в структуре является функцией толщины слоя, т.е. когда носители заряда на разной глубине имеют разную подвижность, полная проводимость вычисляется как интеграл по всей толщине структуры, учитывающий вклады в проводимость от всех слоев структуры:

где s(ζ)- проводимость носителей заряда в слое от ζ до ζ+dζ;;
μ(ζ) подвижность носителей заряда в слое от ζ до ζ+dζ;;
z край области обеднения;
d-z толщина проводящего слоя.When mobility in a structure is a function of layer thickness, i.e. when charge carriers at different depths have different mobility, the total conductivity is calculated as an integral over the entire thickness of the structure, taking into account the contributions to the conductivity from all layers of the structure:

where s (ζ) is the carrier conductivity in the layer from ζ to ζ + dζ ;;
μ (ζ) carrier mobility in the layer from ζ to ζ + dζ ;;
z edge of the depletion region;
dz thickness of the conductive layer.

Сдвигая край области обеднения на величину Δzмы изменяем толщину проводящего слоя на величину Δz и тем самым изменяем полную проводимость структуры на величину:
Δσ_xx(B,z) = σ_xx(B,z+Δz)-σ_xx(B,z); (4)
Величина Δσ_xx (B,z) проводимость слоя толщиной ΔZ находящегося на глубине z, т.е. на краю области обеднения. С учетом формулы (3):

Формула (5) преобразуется к виду:

При слабой модуляции, когда Δz _→ 0 формула (6) принимает следующий простой вид:
Δσ_xx(B,z) = Δσ_xx(B=0,z)/[1+(μ(z)B)²] 7
где μ(z) - подвижность в слое модуляции на глубине z.Shifting the edge of the depletion region by Δz we change the thickness of the conductive layer by Δz and thereby change the total conductivity of the structure by:
Δσ _xx (B, z) = σ _xx (B, z + Δz) -σ _xx (B, z); (4)
The value Δσ _xx (B, z) is the conductivity of a layer of thickness ΔZ located at a depth of z, i.e. on the edge of the depletion region. Given the formula (3):

Formula (5) is converted to the form:

With weak modulation, when Δz _ → 0, formula (6) takes the following simple form:
Δσ _xx (B, z) = Δσ _xx (B = 0, z) / [1+ (μ (z) B) ² ] 7
where μ (z) is the mobility in the modulation layer at depth z.

Таким образом, измеряя модуляцию проводимости слоя, находящегося на глубине z, как функцию магнитного поля B, мы определяем подвижность носителей заряда, находящихся на глубине z по формуле (7). Так как в нашем случае глубина z определяется положением края области обеднения n-i перехода, которое в свою очередь зависит от величины обратного смещения V_подл, то эту формулу можно переписать следующим образом:

Подвижность μ(V_подл) полученная из этой формулы, позволяет также определить "профиль" подвижности, но уже не как функцию глубины, а в зависимости от приложенного к структуре обратного смещения V_подл.Thus, by measuring the modulation of the conductivity of a layer located at a depth of z, as a function of magnetic field B, we determine the mobility of charge carriers located at a depth of z according to formula (7). Since in our case the depth z is determined by the position of the edge of the depletion region ni of the junction, which in turn depends on the value of the reverse bias V _sub , this formula can be rewritten as follows:

The mobility μ (V _sub ) obtained from this formula also allows one to determine the “profile” of mobility, but not as a function of depth, but depending on the reverse bias V _sub applied to the structure.

В нашем случае переменное смещение V $\binom{~}{подл}$ вызывает малые изменения проводимости структуры, которые малы по сравнению с полной проводимостью структуры Δσ/σ ≪ 1 Известно, что в этом случае относительное изменение отраженной СВЧ-мощности пропорционально изменению проводимости структуры ΛP_СВЧ ~ Λσ Линейная связь между производными сигнала отраженной СВЧ-мощности и проводимости ΛP_СВЧ ~ Λσ_xx обеспечивает возможность определения локальной подвижности носителей заряда из измерений переменной составляющей сигнала на выходе измерителя СВЧ-мощности при фиксированном значении напряжения обратного смещения по формуле (1), которая легко получается из формулы (8), поскольку ΛP_СВЧ~ Λσ_xx.
Новым по отношению к прототипу в предлагаемом способе является то, что для получения профиля подвижности и измерения подвижности во внутреннем слое многослойной структуры, проводимость структуры изменяется и модулируется вблизи границы раздела активного и буферного слоев напряжением, поданным со стороны подложки через неразрушающие спиртовой (с подложки) и прижимной (с пленки), например точечный металлический, контакты. Кроме того, для определения подвижности нет необходимости знать абсолютные значения удельной проводимости всей структуры, а требуется измерять производную сигнала на выходе измерителя СВЧ- мощности, пропорциональную относительному изменению проводимости вблизи границы раздела активного и буферного слоев структуры, что существенно упрощает измерения, повышает точность определения подвижности и позволяет определять профиль подвижности в многослойной структуре. Таким образом, заявляемый способ и устройство соответствует критериям "новизна" и "изобретательный уровень".In our case, the variable offset V $\binom{~}{vile}$ causes small changes in the conductivity of the structure, which are small compared with the total conductivity of the structure Δσ / σ ≪ 1 It is known that in this case the relative change in the reflected microwave power is proportional to the change in the conductivity of the structure ΛP _microwave ~ Λσ The linear relationship between the derivatives of the signal of the reflected microwave power and conductivity ΛP _Microwave ~ Λσ _xx provides the ability to determine the local mobility of charge carriers from measurements of the variable component of the signal at the output of the microwave power meter at a fixed voltage the reverse bias according to formula (1), which is easily obtained from formula (8), since ΛP _microwave ~ Λσ _xx .
New in relation to the prototype in the proposed method is that to obtain the mobility profile and measure the mobility in the inner layer of the multilayer structure, the conductivity of the structure is changed and modulated near the interface between the active and buffer layers by the voltage applied from the side of the substrate through non-destructive alcohol (from the substrate) and pressure (from the film), for example, point metal, contacts. In addition, to determine the mobility, it is not necessary to know the absolute values of the specific conductivity of the entire structure, but it is necessary to measure the derivative of the signal at the output of the microwave power meter, which is proportional to the relative change in conductivity near the interface between the active and buffer layers of the structure, which greatly simplifies the measurements and increases the accuracy of determining mobility and allows you to determine the mobility profile in a multilayer structure. Thus, the claimed method and device meets the criteria of "novelty" and "inventive step".

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Figure 1 shows a functional diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство для неразрушающего измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках содержит источник СВЧ-излучения 1, соединенный через аттенюатор 2, циркулятор 3, согласующее устройство (волноводная линия 4, закороченная подвижным поршнем 5) с держателем полупроводниковой структуры 6, размещенным между полюсами электромагнита 7. Держатель образца 6 содержит металлический зонд, позволяющий прикладывать прижимной контакт 8 к поверхности проводящего слоя структуры 9 и тонкий жидкий контакт (спирт, электролит) 10 для контактирования с полуизолирующей подложкой 11. К этим контактам подсоединены источники постоянного 12 и переменного напряжения 13. К выходу циркулятора 3 подсоединен измеритель отраженной СВЧ-мощности 14, выход которого соединен с входом усилителя с синхронным детектором 15, опорный вход которого соединен с выходом источника переменного напряжения 13. Выход усилителя 15 соединен с Y входом самописца 16, вход X которого соединен с датчиком магнитного поля 17. A device for non-destructively measuring the mobility of charge carriers in semiconductor structures on semi-insulating substrates contains a microwave radiation source 1 connected through an attenuator 2, a circulator 3, a matching device (waveguide line 4 shorted by a movable piston 5) with a semiconductor structure holder 6 placed between the poles of an electromagnet 7. The sample holder 6 contains a metal probe that allows you to apply the pressure contact 8 to the surface of the conductive layer of the structure 9 and a thin liquid contact (sp irt, electrolyte) 10 for contacting with a semi-insulating substrate 11. A constant 12 and alternating voltage sources 13 are connected to these contacts. A reflected microwave power meter 14 is connected to the output of the circulator 3, the output of which is connected to the input of the amplifier with a synchronous detector 15, the reference input of which connected to the output of the AC voltage source 13. The output of the amplifier 15 is connected to the Y input of the recorder 16, the input X of which is connected to the magnetic field sensor 17.

В качестве источника СВЧ-излучения использовался диод Ганна, излучающий на длине волны λ 8 мм (f 38ГГц). В качестве измерителя СВЧ-мощности использовался СВЧ-диод. Прямоугольный волновод имел сечение 7,2х3,4 мм². В качестве усилителя с синхронным детектором использовался универсальный прибор типа "Unipan-232". В качестве источника переменного напряжения использовался генератор сигналов низкочастотный Г3-122/1. В качестве источника постоянного напряжения использовался ТЕС-42. Для регистрации и индикации обработанных сигналов использовался двухкоординатный самописец ENDIM 620.02. В качестве датчика магнитного поля использовался стандартный датчик Холла.A Gunn diode emitting at a wavelength of λ 8 mm (f 38 GHz) was used as a source of microwave radiation. A microwave diode was used as a microwave power meter. The rectangular waveguide had a cross section of 7.2x3.4 mm ² . As an amplifier with a synchronous detector, a universal device of the Unipan-232 type was used. A low-frequency signal generator G3-122 / 1 was used as an AC voltage source. As a constant voltage source, TEC-42 was used. For registration and indication of the processed signals, a two-coordinate recorder ENDIM 620.02 was used. A standard Hall sensor was used as a magnetic field sensor.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

СВЧ-излучение от СВЧ-генератора 1 через аттенюатор 2 и циркулятор 3 поступает в волноводную линию 4, закороченную подвижным поршнем 5, с держателем полупроводниковой структуры 6, падает на полупроводниковый образец, закрепленный на держателе, отражается от образца и по волноводу через второе плечо циркулятора 3 поступает на измеритель СВЧ-мощности 14. Для модуляции проводимости полупроводникового образца к структуре через неразрушающие контакты 8 и 10 прикладывается переменное смещение от источника переменного напряжения 13 и одновременно с переменным подается постоянное отрицательное смещение от источника постоянного напряжения 12. С выхода измерителя мощности 14 сигнал поступает на вход усилителя с синхронным детектором 15, на опорный вход которого поступает сигнал от источника переменного напряжения 13. Усиленный и выпрямленный сигнал, пропорциональный малым изменениям отраженной от образца СВЧ-мощности, поступает на вход Y самописца 16, на вход X которого поступает сигнал с датчика магнитного поля 17, регистрирующего изменение индукции магнитного поля, создаваемого электромагнитом 7. Microwave radiation from the microwave generator 1 through the attenuator 2 and the circulator 3 enters the waveguide line 4, shorted by the movable piston 5, with the holder of the semiconductor structure 6, falls on the semiconductor sample mounted on the holder, is reflected from the sample and through the waveguide through the second arm of the circulator 3 is fed to the microwave power meter 14. To modulate the conductivity of the semiconductor sample, a variable bias from the alternating voltage source 13 and simultaneously with the variables are fed with a constant negative bias from the DC voltage source 12. From the output of the power meter 14, the signal is fed to the amplifier input with a synchronous detector 15, the reference input of which receives a signal from the AC voltage source 13. An amplified and rectified signal proportional to small changes in the microwave reflected from the sample -power, is fed to the input Y of the recorder 16, to the input X of which a signal is received from the magnetic field sensor 17, which registers the change in the induction of the magnetic field generated by the electric magnet 7.

В результате самописец выдает график зависимости переменной составляющей, отраженной от образца СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля LP_СВЧ(B,V_подл) Таким образом измеряется переменная составляющая проводимости образца в зависимости от магнитного поля при разных значениях постоянного обратного смещения, приложенного к подложке Δσ(B,V_подл) поскольку в нашем случае изменения отраженной СВЧ-мощности пропорциональны изменениям проводимости образца ΔP_СВЧ ~ Δσ По формуле (1) определяется подвижность как функция обратного смещения.As a result, the recorder gives a graph of the dependence of the variable component reflected from the microwave power sample on the magnetic field LP _microwave (B, V _sub ). Thus, the variable component of the conductivity of the sample is measured as a function of the magnetic field for different values of constant reverse bias applied to the substrate Δσ (B, V _sub ), since in our case the changes in the reflected microwave power are proportional to the changes in the conductivity of the sample ΔP _microwave ~ Δσ Using formula (1), mobility is determined as a function of reverse bias.

СВЧ сигнал с f 38 ГГц от генератора, через аттенюатор и циркулятор поступает в волновод с образцом, закрепленным на держателе. Для модуляции проводимости полупроводникового образца к структуре через неразрушающие контакты прикладывается переменное смещение от Г3-112/1 с частотой следования импульсов 100-1000 Гц и амплитудой 5-60 В. Для получения профиля подвижности на образец одновременно с переменным подается постоянное отрицательное смещение от ТЕС-42 в пределах от 0 до -500 В. Индукция магнитного поля, создаваемого электромагнитом, непрерывно изменяется от 0 до 10кГс, при этом сигнал с датчика Холла, размещенного между полюсами электромагнита, поступает на вход X самописца ENDIM 620.02. На вход Y самописца ENDIM 620.02 поступает выходной сигнал измерителя мощности, пропорциональный малым изменениям отраженной от образца СВЧ мощности при модуляции проводимости переменным смещением, усиленный и выпрямленный усилителем с синхронным детектором "Unipan-232". В результате самописец выдает график зависимости переменной составляющей, отраженной от образца СВЧ-мощности в зависимости от магнитного поля ΔP_СВЧ(B,V_подл) По формуле (1) определяется подвижность как функция обратного смещения.The microwave signal with f 38 GHz from the generator, through the attenuator and the circulator enters the waveguide with the sample mounted on the holder. To modulate the conductivity of a semiconductor sample, a variable bias from G3-112 / 1 is applied to the structure through non-destructive contacts with a pulse repetition rate of 100-1000 Hz and an amplitude of 5-60 V. To obtain a mobility profile, a constant negative bias from TEC 42 in the range from 0 to -500 V. The induction of the magnetic field created by the electromagnet continuously changes from 0 to 10 kG, while the signal from the Hall sensor located between the poles of the electromagnet is fed to the input X of the recorder tsa ENDIM 620.02. The Y signal of the ENDIM 620.02 recorder receives the output signal of a power meter proportional to small changes in the microwave power reflected from the sample during modulation of conductivity with variable bias, amplified and rectified by an amplifier with a Unipan-232 synchronous detector. As a result, the recorder gives a graph of the dependence of the variable component reflected from the microwave power sample depending on the magnetic field ΔP _microwave (B, V _sub ) Formula (1) is used to determine the mobility as a function of reverse bias.

Проверка способа была осуществлена на многослойных структурах GaAs, InP, AlGaAs/GaAs, CdHgTe/GaAs. Ниже дано описание процедуры измерения для двух GaAs-структур (именуемых в дальнейшем АГ-1 и АГ-2) n⁺-n-буф-i, предназначенных для изготовления ПТ. Структуры содержали n⁺-слой толщиной 0,2 мкм, легированный до уровня N_D=10¹⁸см^-3, n-слой (0,2 мкм, N_D 2•10¹⁷см^-3, буферный слой (1 мкм), i-подложка (300 мкм). На фиг.2,а приведены экспериментальные результаты для структуры АГ-1, полученные нами описанным выше неразрушающим СВЧ-способом. На фиг. 2, б показаны теоретические кривые (сплошные линии), описываемые выражением (1), подогнанные к экспериментальным данным (символы) методом наименьших квадратов. По наклону прямых определяется локальная подвижность носителей заряда при различных значениях обратного смещения, приложенного к подложке. Таким образом определяется профиль подвижности носителей заряда. На фиг.3 показаны профили подвижности вблизи границы раздела активный слой буферный слой, измеренные в этих двух GaAs-структурах. Мы сравнили значения подвижности, полученные предлагаемым СВЧ-способом с подвижностями, определенными стандартным методом Холла на этих же структурах. Холловские измерения проводились на специально изготовленных холловских мостиках с вожженными омическими контактами после тщательного стравливания верхнего шунтирующего высокопроводящего n⁺-слоя. Значения холловских подвижностей в этих структурах мало отличаются и равны 3700 см²/Вс (на чертеже это значение показано пунктирной линией). Как видно из фиг.3 полученные значения холловских подвижностей и локальных подвижностей, определенных при больших величинах обратного смещения (а следовательно в глубине активного слоя), совпадают для обоих образцов с точностью не менее 10% Такое хорошее совпадение связано с тем, что область структуры вблизи границы раздела активный слой буферный слой, в которой подвижность может изменяться достаточно сильно, мала по сравнению с толщиной всего активного слоя и, следовательно, усредненная холловская подвижность должна достаточно хорошо совпадать с локальной подвижностью, определенной в глубине активного слоя, которая мало изменяется при удалении от границы раздела. Однако, вблизи границы раздела активный слой буферный слой подвижность образца АГ-1 резко уменьшается, что является типичным для структур с плохим качеством границы раздела (дефекты, примеси и т. д. вблизи границы раздела). В это же время у структуры АГ-2 подвижность остается неизменной и даже слегка увеличивается. Транзистор, приготовленный из первой структуры, будет иметь худшие параметры, чем транзистор из второй структуры, поэтому плохую структуру можно отбраковать и не запускать в производство. Кроме того, эта информация позволяет корректировать технологию выращивания структур.Testing of the method was carried out on multilayer structures GaAs, InP, AlGaAs / GaAs, CdHgTe / GaAs. Below is a description of the measurement procedure for two GaAs structures (hereinafter referred to as AG-1 and AG-2) n ⁺ -n-buff-i, intended for the manufacture of PTs. The structures contained an n ⁺ layer with a thickness of 0.2 μm, doped to a level of N _D = 10 ¹⁸ cm ^-3 , an n-layer (0.2 μm, N _D 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 , a buffer layer (1 μm), i-substrate (300 μm). Fig. 2a shows the experimental results for the AG-1 structure obtained by the non-destructive microwave method described above. Fig. 2b shows the theoretical curves (solid lines) described by the expression (1 ), fitted to the experimental data (symbols) by the least squares method.The slope of the straight lines determines the local mobility of charge carriers at various values of the inverse of the substrate attached to the substrate. This determines the mobility profile of the charge carriers. Figure 3 shows the mobility profiles near the active layer interface buffer layer measured in these two GaAs structures. We compared the mobility values obtained by the proposed microwave method with the mobilities determined by the standard Hall method on the same structures. Hall measurements were carried out on specially made Hall bridges with burnt ohmic contacts after thorough etching of the upper high-conductive n ⁺ -layer. The values of the Hall mobilities in these structures differ little and are equal to 3700 cm ² / Vs (in the drawing this value is shown by a dashed line). As can be seen from figure 3, the obtained values of the Hall mobilities and local mobilities determined for large values of the reverse bias (and therefore in the depth of the active layer) coincide for both samples with an accuracy of at least 10%. Such a good coincidence is due to the fact that the region of the structure near the boundary of the active layer, the buffer layer, in which the mobility can vary quite strongly, is small compared with the thickness of the entire active layer and, therefore, the average Hall mobility should be good enough with fall to a local mobility, a certain depth in the active layer, which varies little with the distance from the interface. However, near the active layer interface, the buffer layer mobility of the AG-1 sample sharply decreases, which is typical for structures with poor interface quality (defects, impurities, etc. near the interface). At the same time, the mobility of the AG-2 structure remains unchanged and even slightly increases. A transistor prepared from the first structure will have worse parameters than a transistor from the second structure, so a bad structure can be rejected and not put into production. In addition, this information allows you to adjust the technology of growing structures.

Кроме того, описанным выше способом были проведены измерения подвижности двумерного электронного газа (ДЭГ) в многослойных тонкопленочных структурах GaAs/AlGaAs, предназначенных для изготовления сверхбыстродействующих полевых транзисторов (в английской аббревиатуре HEMT). Измеренные предлагаемым способом подвижности ДЭГ показали также очень хорошее совпадение с холловскими подвижностями, измеренными после тщательного стравливания верхнего контактного n⁺-слоя. Величина подвижности ДЭГ позволяет судить о качестве структуры и о ее пригодности для изготовления очень дорогостоящих HEMT транзисторов уже на первом этапе.In addition, the mobility of a two-dimensional electron gas (2DEG) was measured in the GaAs / AlGaAs multilayer thin-film structures intended for the manufacture of ultra-fast field effect transistors (in the English abbreviation HEMT) as described above. The DEG mobilities measured by the proposed method also showed very good agreement with the Hall mobilities measured after a thorough etching of the upper contact n ⁺ layer. The magnitude of the DEG mobility allows us to judge the quality of the structure and its suitability for the manufacture of very expensive HEMT transistors already at the first stage.

Предложенное изобретение позволяет увеличить точность неразрушающего способа определения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках и расширить функциональные возможности способа и устройства за счет измерения подвижности и профиля подвижности (зависимости подвижности от величины обратного смещения) во внутренних слоях полупроводниковых структур, в том числе в структурах с высокопроводящим контактным n⁺ слоем.The proposed invention allows to increase the accuracy of the non-destructive method for determining the mobility of charge carriers in semiconductor structures on semi-insulating substrates and to expand the functionality of the method and device by measuring the mobility and mobility profile (dependence of mobility on the magnitude of the reverse bias) in the inner layers of semiconductor structures, including structures with highly conductive contact n ⁺ layer.

Неразрушающий анализ профиля подвижности вблизи границы раздела активный слой буферный слой и подвижности внутренних слоев многослойных полупроводниковых структур позволяет как оптимизировать технологию выращивания таких структур, так и осуществлять неразрушающий входной контроль на предмет годности структур для изготовления из них в дальнейшем полупроводниковых приборов. Non-destructive analysis of the mobility profile near the interface between the active layer, the buffer layer and the mobility of the inner layers of multilayer semiconductor structures allows both to optimize the growth technology of such structures and to carry out non-destructive input testing for the suitability of structures for further manufacturing of semiconductor devices from them.

Claims

1. Non-destructive method of measuring the mobility of charge carriers in semiconductor structures on semi-insulating substrates, including placing the structure in a magnetic field directed perpendicular to the plane of the structure, applying microwave radiation to the structure and measuring the microwave power reflected from it, depending on the magnetic field, characterized in that form non-destructive contacts to the structure: from the side of the semi-insulating substrate, a liquid contact transparent to microwave radiation, which is used as alcohol or an electrolyte, and on the side surface of the conductive layer of pressure contact, which is used as the metal probe point through the data pins to move the active layer semi-insulating substrate is applied the reverse DC voltage _of V _p _d _l and simultaneously an AC voltage V

\binom{~}{vile}

, the first of which sets the width of the region of depletion of the transition, and the second modulates it, thereby modulating the conductivity of the active layer at the edge of the region of depletion of the transition, and the sum V is _vile + V

\binom{~}{vile}

does not exceed the voltage of the breakdown of the transition, from the measured reflected microwave power, an alternating component is isolated, from the magnetic field dependence of which the mobility is determined as a function of the reverse voltage applied to the transition, according to the formula

where V _p _d _l _of the reverse voltage applied to transition active layer semi-insulating substrate, V;
In the induction of a magnetic field, T;
ΔP _microwave (B, V _vile), ΔP _microwave (B = 0, V _vile) - the variable component of the reflected microwave power, measured in a magnetic field with induction B in the absence of the magnetic field B 0, when applying V _n reverse voltage _of _d _l , arbitrary units;
μ (V _vile) - mobility of charge carriers as a function of reverse voltage V _p _of _d _l, m ² ^- ¹ ^- ^1.

2. A device for non-destructive measurement of the mobility of charge carriers in semiconductor structures on semi-insulating substrates, which contains a microwave radiation source connected through an attenuator, a circulator, a matching device with a semiconductor structure holder, which is placed between the poles of the electromagnet, and a reflected microwave meter is connected to the output of the circulator -power, characterized in that the device further comprises sources of constant and alternating voltage, an amplifier with a synchronous detector rum, and the structure holder additionally contains a clamping metal probe, which allows non-destructive point contact to the surface of the conductive layer of the structure, and a liquid alcohol or electrolyte layer transparent to microwave, for contact with a semi-insulating substrate, DC and AC voltage sources are connected to these contacts, the meter output reflected microwave power is connected to the input of the amplifier with a synchronous detector, the reference input of which is connected to the output of the AC voltage source.