RU2248068C1 - Method for contactless detection of near-surface bend of semiconductor energy band - Google Patents
Method for contactless detection of near-surface bend of semiconductor energy band Download PDFInfo
- Publication number
- RU2248068C1 RU2248068C1 RU2004101308/28A RU2004101308A RU2248068C1 RU 2248068 C1 RU2248068 C1 RU 2248068C1 RU 2004101308/28 A RU2004101308/28 A RU 2004101308/28A RU 2004101308 A RU2004101308 A RU 2004101308A RU 2248068 C1 RU2248068 C1 RU 2248068C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor
- light
- ratio
- dark
- contact potential
- Prior art date
Links
Landscapes
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для бесконтактного определения приповерхностного изгиба зон полупроводниковых образцов, включая пластины с естественным окислом или нанесенным диэлектриком, методом измерения контактной разности потенциалов между поверхностью и вибрирующим зондом Кельвина.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used for non-contact determination of surface bending of zones of semiconductor samples, including plates with natural oxide or deposited dielectric, by measuring the contact potential difference between the surface and a Kelvin vibrating probe.
Наиболее близким является способ бесконтактного определения приповерхностного изгиба энергетических зон полупроводника, основанный на компенсационном измерении поверхностной фотоЭДС динамическим зондом Кельвина (Бормонтов Е.Н. и др. Определение параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник методом вибрационного динамического конденсатора. Конденсированные среды и межфазные границы, 1999, т.1, №.1, с.98-101).The closest is the method of non-contact determination of the surface bending of the semiconductor energy zones, based on the compensation measurement of the surface photo-emf by a Kelvin dynamic probe (E. Bormontov et al. Determination of dielectric-semiconductor interface parameters by the method of vibrational dynamic capacitor. Condensed media and interphase boundaries, 1999, vol. 1, No. 1, pp. 98-101).
При этом зондом Кельвина измеряют контактную разность потенциалов (КРП) между вибрирующим электродом и исследуемым полупроводником в темноте (VkТ) и при освещении (Vkc) светом из области собственного поглощения полупроводника. Причем интенсивность освещения должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить предельный уровень фотоинжекции, т.е. полное спрямление энергетических зон вблизи поверхности полупроводника. В этом случае разность (VkТ-Vkc) и дает величину приповерхностного изгиба зон полупроводника.In this case, the Kelvin probe measures the contact potential difference (RPC) between the vibrating electrode and the investigated semiconductor in the dark (V kT ) and when illuminated (V kc ) with light from the intrinsic absorption region of the semiconductor. Moreover, the illumination intensity should be large enough to provide the maximum level of photo-injection, i.e. complete rectification of energy zones near the surface of a semiconductor. In this case, the difference (V kT -V kc ) gives the value of the surface bending of the semiconductor zones.
Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает необходимой точности измерения при высоких абсолютных значениях величины приповерхностного изгиба зон полупроводника, т.к. в этом случае для достижения предельного уровня фотоинжекции требуются столь значительные освещенности поверхности полупроводника, которые приводят к его перегреву и даже плавлению.The disadvantage of this method is that it does not provide the necessary measurement accuracy at high absolute values of the surface bending of the semiconductor zones, because in this case, to achieve the maximum level of photoinjection, such a significant illumination of the semiconductor surface is required that leads to its overheating and even melting.
Техническая задача изобретения - расширение диапазона и повышение точности бесконтактного определения приповерхностного изгиба энергетических зон полупроводника.The technical task of the invention is to expand the range and improve the accuracy of non-contact determination of the surface bending of the energy zones of a semiconductor.
Указанная задача достигается тем, что в способе бесконтактного определения приповерхностного изгиба энергетических зон полупроводника, включающем измерение зондом Кельвина контактной разности потенциалов между вибрирующим электродом и исследуемым полупроводником в темноте VkT и на свету из области собственного поглощения полупроводника, новым является то, что измерения контактной разности потенциалов на свету проводят не менее двух раз Vkc1 и Vkс2 с заданным отношением освещенностей поверхности образца для каждой пары световых измерений находят разности (VkT-Vkc1) и (VkT-Vkc2), решают любым численным методом уравнение относительно х:This problem is achieved by the fact that in the method of non-contact determination of the surface bending of the energy zones of a semiconductor, including the measurement by a Kelvin probe of the contact potential difference between the vibrating electrode and the investigated semiconductor in the dark V kT and in the light from the intrinsic absorption region of the semiconductor, it is new that the contact difference measurements potentials in the light carry out at least two times V kc1 and V kc2 with a given ratio of illumination of the surface of the sample for each pair of light measurements, the differences (V kT -V kc1 ) and (V kT -V kc2 ) are found, the equation for x is solved by any numerical method:
и находят приповерхностный изгиб энергетических зон полупроводника φso по формуле где:and find the surface bending of the energy zones of the semiconductor φ so according to the formula Where:
- уровень легирования полупроводника, - doping level of the semiconductor,
р - концентрация дырок в полупроводнике,p is the concentration of holes in the semiconductor,
ni - концентрация электронов в собственном полупроводнике,n i is the concentration of electrons in its own semiconductor,
k - постоянная Больцмана,k is the Boltzmann constant,
Т - абсолютная термодинамическая температура,T is the absolute thermodynamic temperature,
q - заряд электрона, причем отношение интенсивностей света Z должно быть таким, чтобы модули разностей |VkT-Vkc1|, |VkT-Vkc2| и |Vkc1-Vkc2| значительно превышали погрешности измерения контактных разностей потенциалов VkT, Vkc1 и Vkc2, а статистическая обработка φso, найденных для различных значений отношения уровней освещенности Z, дает среднее значение приповерхностного изгиба энергетических зон полупроводника.q is the electron charge, and the ratio of light intensities Z should be such that the moduli of differences | V kT -V kc1 |, | V kT -V kc2 | and | V kc1 -V kc2 | significantly exceeded the errors in measuring the contact potential differences V kT , V kc1 and V kc2 , and the statistical processing of φ so found for various values of the ratio of light levels Z gives an average value surface bending of the energy zones of a semiconductor.
В способе бесконтактного определения приповерхностного изгиба энергетических зон полупроводника, включающем измерения зондом Кельвина контактной разности потенциалов в темноте VkT вместо измерения на свету, обеспечивающем предельный уровень фотоинжекции, измеряют не менее двух раз КРП на свету из полосы собственного поглощения полупроводника Vkci (где i - номер измерения на свету, т.е. i должно быть не менее двух), причем отношение интенсивностей при i-м и j-м измерениях (i≠j) должно быть известно. Это отношение в точности равно отношению уровней фотоинжекции, которое, в свою очередь, позволяет рассчитать начальный приповерхностный изгиб энергетических зон полупроводника.In the method of non-contact determination of the near-surface bending of the semiconductor energy zones, including measuring the contact potential difference in darkness V kT with a Kelvin probe, instead of measuring in the light, which provides the maximum level of photo-injection, measure at least two times the CRF in the light from the semiconductor intrinsic absorption band V kci (where i is number of measurements in the light, i.e., i must be at least two), and the ratio of intensities for the ith and jth measurements (i ≠ j) should be known. This ratio is exactly equal to the ratio of the levels of photoinjection, which, in turn, allows us to calculate the initial surface bending of the energy zones of the semiconductor.
Способ бесконтактного определения приповерхностного изгиба энергетических зон полупроводника реализуется следующим образом.The method of contactless determination of surface bending of the energy zones of a semiconductor is implemented as follows.
Значения контактных разностей потенциалов между платиновым зондом и исследуемым полупроводником получают с помощью измерителя потенциала поверхности в темноте VkT и при двукратном освещении Vkc1 и Vkc2 из области собственного поглощения полупроводника с известным отношением интенсивностей которое определяется заранее любым известным методом.The values of the contact potential differences between the platinum probe and the investigated semiconductor are obtained using a surface potential meter in the dark V kT and double illumination V kc1 and V kc2 from the intrinsic absorption region of the semiconductor with a known intensity ratio which is determined in advance by any known method.
В темноте и при двух освещенностях I1 и I2 поверхностная плотность приповерхностного заряда в полупроводнике Qsc связана с поверхностными потенциалами Ψso, Ψs1, Ψs2 (изгибами зон) и параметрами полупроводника формулой Гэрретта и Браттэна (Пека Г.П. Физические явления на поверхности полупроводников. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1984, с.71-162):In the dark and at two illuminations I 1 and I 2, the surface density of the surface charge in the semiconductor Q sc is related to the surface potentials Ψ so , Ψ s1 , Ψ s2 (band bends) and the semiconductor parameters by the Garrett and Bratten formula (G. Peka Physical phenomena on the surface of semiconductors. - Kiev: Vishcha school. Head publishing house, 1984, pp. 71-162):
Qsc=2qniLDF(Ψs0, λ, 0) - в темноте (δ=0),Q sc = 2qn i L D F (Ψ s0 , λ, 0) - in the dark (δ = 0),
Qsc=2qniLDF(Ψs1, λ, δ1) - при освещенности I1 (δ1=δ0),Q sc = 2qn i L D F (Ψ s1 , λ, δ 1 ) - at illumination I 1 (δ 1 = δ 0 ),
Qsc=2qniLDF(Ψs2, λ, δ2) - при освещенности I2 (δ2=Zδ0), гдеQ sc = 2qn i L D F (Ψ s2 , λ, δ 2 ) - at illumination I 2 (δ 2 = Zδ 0 ), where
q - заряд электрона,q is the electron charge,
ni - концентрация носителей в собственном полупроводнике,n i is the concentration of carriers in its own semiconductor,
- дебаевская длина экранирования в собственном полупроводнике, - Debye shielding length in its own semiconductor,
εε0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводника,εε 0 is the absolute dielectric constant of the semiconductor,
k - постоянная Больцмана,k is the Boltzmann constant,
Т - абсолютная термодинамическая температура,T is the absolute thermodynamic temperature,
F(Ψs, λ, δ)=-sign Ψs{(λ+δ)[exp(-Ψs)-1]+(λ-1+δ)[expΨs-1]+(λ-λ-1)Ψs}1/2,F (Ψ s , λ, δ) = - sign Ψ s {(λ + δ) [exp (-Ψ s ) -1] + (λ -1 + δ) [expΨ s -1] + (λ-λ - 1 ) Ψ s } 1/2 ,
параметр - характеризует уровень легирования полупроводника,parameter - characterizes the doping level of the semiconductor,
р0 и n0 - равновесные (темновые) концентрации дырок и электронов, соответственно,p 0 and n 0 are the equilibrium (dark) concentrations of holes and electrons, respectively,
- уровень фотоинжекции, - level of photo-injection,
- отношение интенсивностей, - ratio of intensities,
- безразмерный поверхностный потенциал, - dimensionless surface potential,
- функция, характеризующая знак Ψs. is a function characterizing the sign of Ψ s .
Как правило, приповерхностный заряд полупроводника не зависит от уровня освещенности. Поэтому из приведенных выше формул для безразмерного начального поверхностного потенциала Ψs0 получается уравнение:As a rule, the surface charge of a semiconductor does not depend on the level of illumination. Therefore, from the above formulas for the dimensionless initial surface potential Ψ s0, we obtain the equation:
в котором введены следующие обозначения:which introduced the following notation:
х=ехрΨso;x = expΨ so ;
- отношение интенсивностей падающего света, а следовательно, и уровней фотоинжекции электронно-дырочных пар, - the ratio of the intensities of the incident light, and hence the levels of photo-injection of electron-hole pairs,
VkT - КРП в темноте,V kT - PKK in the dark,
Vkc1 - КРП при освещенности поверхности полупроводника с интенсивностью I1 (при уровне фотоинжекции δ1),V kc1 - KRP when illuminating the surface of a semiconductor with an intensity of I 1 (at the level of photo-injection δ 1 ),
Vkc2 - то же, но при интенсивности I2 (фотоинжекции δ2).V kc2 - the same, but at an intensity of I 2 (photoinjection δ 2 ).
Таким образом, измерив VkT, Vkc1, Vkc2, зная уровень легирования полупроводника λ и отношение освещенностей поверхности полупроводника Z и решив (любым численным методом) полученное уравнение относительно х, получим искомое значение приповерхностного изгиба энергетических зон полупроводникаThus, by measuring V kT , V kc1 , V kc2 , knowing the doping level of the semiconductor λ and the illumination ratio of the semiconductor surface Z and solving (by any numerical method) the obtained equation for x, we obtain the desired value of the surface bending of the energy bands of the semiconductor
Критерием применимости предложенного способа является совпадение φso, найденных при различных значениях отношения освещенности поверхности полупроводника Z.The applicability criterion of the proposed method is the coincidence of φ so found for different values of the ratio of the illuminance of the surface of the semiconductor Z.
Способ поясняется примером:The method is illustrated by an example:
Измерения проводились на измерителе потенциала поверхности, в котором вблизи вертикально вибрирующего платинового зонда диаметром 0,3 мм расположены под углом 45° к вертикали два светодиода АЛ 107В. Расстояние между исследуемой полупроводниковой пластиной и измерительным зондом 30-50 мкм, амплитуда колебаний 7 мкм, частота колебаний 820 Гц. Расстояние от линзы светодиода до освещаемого участка поверхности исследуемого образца, над которым располагается вибрирующий зонд, составляло 10 мм, а ток через светодиод варьировался в пределах 40-90 мА, что обеспечивало отношение освещенностей 1:2, которое контролировалось заранее с помощью радиационного компенсированного термоэлемента РТН - 30 С.The measurements were carried out on a surface potential meter, in which two AL 107V LEDs are located at an angle of 45 ° to the vertical near a vertically vibrating platinum probe. The distance between the studied semiconductor wafer and the measuring probe is 30–50 μm, the amplitude of oscillations is 7 μm, and the frequency of oscillations is 820 Hz. The distance from the LED lens to the illuminated portion of the surface of the test sample, above which the vibrating probe is located, was 10 mm, and the current through the LED varied within 40-90 mA, which ensured the illumination ratio of 1: 2, which was controlled in advance using the RTN compensated thermoelement - 30 C.
Пластина кремния марки КЭФ 7,5 помещалась в установку и проводилось по 9 измерений КРП в темноте (VkT), при единичной (Vkc1), двойной (Vkc2) и тройной (Vkc3) освещенностях. Усредненные по всем девяти измерениям значения этих величин оказались равными:A KEF 7.5 grade silicon wafer was placed in the apparatus and 9 measurements were made of the CRF in the dark (V kT ), with single (V kc1 ), double (V kc2 ) and triple (V kc3 ) illumination. The values of these values averaged over all nine measurements turned out to be equal:
без освещения (δ=0) VkT=697,1 мВ;without lighting (δ = 0) V kT = 697.1 mV;
с единичным освещением (δ=δ0) Vkc1=809,2 мВ;with single lighting (δ = δ 0 ) V kc1 = 809.2 mV;
с двойным освещением (δ=2δ0) Vkc2=825,8 мВ;with double lighting (δ = 2δ 0 ) V kc2 = 825.8 mV;
с тройным освещением (δ=3δ0) Vkc3=835,3 мВ.with triple illumination (δ = 3δ 0 ) V kc3 = 835.3 mV.
Используя эти значения путем их попарного объединения, находим величины , a1 и a2, подставляя которые в уравнениеUsing these values by combining them in pairs, we find the quantities , a 1 and a 2 , substituting which in the equation
рассчитываем значения х и φso. Все результаты сведены в таблицу.calculate the values of x and φ so . All results are tabulated.
Таким образом, полученные предлагаемым методом значения приповерхностного изгиба зон полупроводника отклоняются от среднего значения мВ не более чем на 1,5%, что и подтверждает достижение цели заявленного способа.Thus, the values of the surface bending of the semiconductor zones obtained by the proposed method deviate from the average value mV no more than 1.5%, which confirms the achievement of the goal of the claimed method.
Следует отметить, что применение для расчета φso формулы наиболее близкого способа φso=VkT-Vkc даже для тройной интенсивности дает значение φso=-138,2 мВ. Это значение в 4,7 раза меньше φso=-645 мВ, найденного вышеописанным способом, что свидетельствует о неприменимости наиболее близкого способа к данному эксперименту, в котором не достигается предельный уровень фотоинжекции, т.е. полное спрямление энергетических зон вблизи поверхности полупроводника.It should be noted that the use of the closest method for calculating φ so the formula φ so = V kT -V kc even for triple intensity gives the value φ so = -138.2 mV. This value is 4.7 times less than φ so = -645 mV, found by the above method, which indicates the inapplicability of the closest method to this experiment, in which the maximum level of photo-injection is not achieved, i.e. complete rectification of energy zones near the surface of a semiconductor.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004101308/28A RU2248068C1 (en) | 2004-01-15 | 2004-01-15 | Method for contactless detection of near-surface bend of semiconductor energy band |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004101308/28A RU2248068C1 (en) | 2004-01-15 | 2004-01-15 | Method for contactless detection of near-surface bend of semiconductor energy band |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2248068C1 true RU2248068C1 (en) | 2005-03-10 |
Family
ID=35364720
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004101308/28A RU2248068C1 (en) | 2004-01-15 | 2004-01-15 | Method for contactless detection of near-surface bend of semiconductor energy band |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2248068C1 (en) |
-
2004
- 2004-01-15 RU RU2004101308/28A patent/RU2248068C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
БОРМОНТОВ Е.Н. и др., Определение параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник методом вибрационного динамического конденсатора. Конденсированные среды и межфазные границы. 1999, т.1, №1, с.98-101. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
PT1982202E (en) | Electrically-modulatable extended light source and a measurement device for characterising a semiconductor including one such source | |
Li et al. | Use of CdTe quantum dots for high temperature thermal sensing | |
JP2015059858A (en) | Semiconductor resistivity inspection apparatus and semiconductor resistivity inspection method | |
RU2248068C1 (en) | Method for contactless detection of near-surface bend of semiconductor energy band | |
Singh et al. | The influence of soft mode adsorbate vibrations on NEXAFS analyses: NO on Pd {110} | |
Stubley et al. | Measurement of inductively coupled plasma emission spectra using a Fourier transform spectrometer | |
Yau et al. | Thermal emission rates and activation energies of electrons and holes at silver centers in silicon | |
Inoue et al. | Quantitative analysis of complexes in electron irradiated CZ silicon | |
Daibo et al. | Non-contact evaluation of semiconductors using a laser SQUID microscope | |
Komkov et al. | Photoreflectance characterization of gallium arsenide | |
Choi et al. | Color spectroscopy for energy-level analysis of single-crystal silicon carbide | |
Batten et al. | Characterising strain/stress and defects in SiC wafers using Raman imaging | |
JPS61228637A (en) | Method and device for temperature measurement of semiconductor substrate | |
Aleksandrov et al. | p–n junctions in the surface region of silicon obtained by evaporation of silicon in ultrahigh vacuum | |
Piskorski et al. | A measurement system for the photoelectric and electrical characterization of modern semiconductor devices | |
RU2828674C1 (en) | Method of determining characteristics of energy illumination of surface from radiation sources and system for its implementation | |
Linn et al. | Quantitative infrared spectroscopy of interstitial oxygen in silicon wafers using multivariate calibration | |
Dittrich | Correlation Between Photoreflectance and CV Measurements of n‐GaAs Epitaxial Layers | |
US20240347399A1 (en) | Semiconductor doping characterization method using photoneutralization time constant of corona surface charge | |
Kwiatkowski et al. | Raman spectra measurements for chemical identification-aspect of uncertainty sources and reduction of their effects | |
Boone et al. | Free carrier density profiling by scanning infrared absorption | |
Porebski et al. | Universal system for photoelectric characterisation of semiconductor structures | |
Aamoum et al. | The Impact of Lighting on Electrical Properties of Metals and 8-hydroxyquinoline Complexes Thin Films | |
RU2006006C1 (en) | Device for spectrometric investigations of dyed solid materials | |
Goodman | Improvements in method and apparatus for determining minority carrier diffusion length |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060116 |