RU2431216C1 - Method of determining ionisation energy of deep levels in semiconductor barrier structures and device for realising said method - Google Patents
Method of determining ionisation energy of deep levels in semiconductor barrier structures and device for realising said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2431216C1 RU2431216C1 RU2010124341/28A RU2010124341A RU2431216C1 RU 2431216 C1 RU2431216 C1 RU 2431216C1 RU 2010124341/28 A RU2010124341/28 A RU 2010124341/28A RU 2010124341 A RU2010124341 A RU 2010124341A RU 2431216 C1 RU2431216 C1 RU 2431216C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplitude
- relaxation time
- sample
- deep
- dlts
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электронной техники, микро- и наноэлектроники и может быть использовано для исследования энергетического спектра электронных состояний, исследования дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых материалах и барьерных структурах.The invention relates to the field of electronic technology, micro- and nanoelectronics and can be used to study the energy spectrum of electronic states, the study of defects with deep levels in semiconductor materials and barrier structures.
Известен способ исследования энергетического спектра электронных состояний и дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых барьерных структурах методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ), основанный на изучении температурной зависимости релаксации электрического тока, заряда или емкости барьерной структуры [1-4].There is a method of studying the energy spectrum of electronic states and defects with deep levels in semiconductor barrier structures by the method of relaxation spectroscopy of deep levels (RSGU), based on the study of the temperature dependence of relaxation of electric current, charge or capacity of the barrier structure [1-4].
Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:
1. Энергию ионизации глубоких уровней определяют по наклону графика Аррениуса, который строится при различных температурах в допущении, что сечение захвата (σ) не зависит от температуры. На самом деле σ может зависеть от температуры, что вносит дополнительную погрешность в определение энергии ионизации.1. The ionization energy of deep levels is determined by the slope of the Arrhenius graph, which is plotted at different temperatures under the assumption that the capture cross section (σ) is independent of temperature. In fact, σ can depend on temperature, which introduces an additional error in determining the ionization energy.
2. В ряде случаев для построения графика Аррениуса необходимо проводить температурное сканирование образца несколько раз, что увеличивает время проведения измерений.2. In some cases, to construct an Arrhenius graph, it is necessary to conduct a temperature scan of the sample several times, which increases the measurement time.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является метод Лэнга [1], заключающийся в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V1, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), с помощью устройства селекции по времени релаксации (DLTS-спектрометра) и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS (Тмакс). Недостатком данного способа является обязательное в ряде случаев многократное температурное сканирование, так как энергию ионизации глубоких уровней в методе DLTS традиционно определяют по графику Аррениуса [1]. Устройства для реализации метода Лэнга, известные в англоязычной аббревиатуре как DLTS-спектрометры, выпускаются за рубежом. Отечественная промышленность такие устройства не выпускает.Closest to the proposed method (prototype) is the Lang method [1], which consists in the fact that a sample of the semiconductor barrier structure is placed in the measuring cell, the temperature dependence of the relaxation time is determined under external influences by reverse bias voltage pulses with amplitude V 1 , the received signal from the sample multiply by the reference signal F (t) using the relaxation time selection device (DLTS spectrometer) and determine the maximum output voltage ΔU and the peak temperature maximum of the DLT spectrum S (T max ). The disadvantage of this method is the obligatory in some cases multiple temperature scanning, since the ionization energy of deep levels in the DLTS method is traditionally determined according to the Arrhenius chart [1]. Devices for implementing the Lang method, known in the English abbreviation as DLTS spectrometers, are manufactured abroad. The domestic industry does not produce such devices.
Предлагаемый способ позволяет определять энергию ионизации глубоких уровней в результате одного температурного сканирования и без построения прямой Аррениуса и устранить недостаток прототипа.The proposed method allows to determine the ionization energy of deep levels as a result of a single temperature scan and without building a direct Arrhenius line and eliminate the disadvantage of the prototype.
Суть способа определения энергии ионизации глубоких уровней заключается в следующем. В известный метод Лэнга [1], заключающийся в том, что образец полупроводниковой барьерной структуры помещают в измерительную ячейку, определяют температурную зависимость времени релаксации при внешних воздействиях импульсами напряжения обратного смещения с амплитудой V1, полученный сигнал с образца умножают на опорный сигнал F(t), с помощью устройства селекции по времени релаксации (DLTS-спектрометра) и определяют максимальное выходное напряжение ΔU и температуру максимума пика спектра DLTS, вводят дополнительный импульс напряжения обратного смещения с амплитудой V2>V1, причем |V2-V1|>>k Тмакс/е. На исследуемую полупроводниковую структуру поочередно подают импульсы напряжения обратного смещения V1 и V2 (фиг.1а). После каждого импульса получают токовый релаксационный процесс (фиг.1б). Сигнал, пропорциональный этим процессам, умножают на опорный сигнал F1(t) (фиг.1в) и F2(t) (фиг.1г). В результате производят селекцию по времени релаксации и определяют два значения амплитуды пиков спектра DLTS ΔU1 и ΔU2, соответствующих одной и той же постоянной времени релаксации и различной амплитуде импульсов напряжения обратного смещения V1 и V2.The essence of the method for determining the ionization energy of deep levels is as follows. In the well-known Lang method [1], namely, that a sample of a semiconductor barrier structure is placed in a measuring cell, the temperature dependence of the relaxation time is determined under external influences by reverse bias voltage pulses with amplitude V 1 , the obtained signal from the sample is multiplied by the reference signal F (t ), using the relaxation time selection device (DLTS spectrometer) and determine the maximum output voltage ΔU and the peak temperature maximum of the DLTS spectrum, add an additional voltage pulse back th offset with an amplitude of V 2 > V 1 , and | V 2 -V 1 | >> k T max / e. The reverse bias voltage pulses V 1 and V 2 are alternately applied to the investigated semiconductor structure (Fig. 1a). After each pulse, a current relaxation process is obtained (Fig. 1b). A signal proportional to these processes is multiplied by a reference signal F 1 (t) (FIG. 1 c) and F 2 (t) (FIG. 1 d). As a result, selection is made according to the relaxation time and two values of the amplitude peaks of the DLTS spectrum ΔU 1 and ΔU 2 are determined, corresponding to the same relaxation time constant and different amplitude of the pulses of the reverse bias voltage V 1 and V 2 .
Определение концентрации дефектов с глубокими уровнями (глубоких центров) в случае токового варианта метода DLTS производится по амплитуде пика ΔU спектра глубоких уровней (ГУ), используя соотношение [7]:The concentration of defects with deep levels (deep centers) in the case of the current version of the DLTS method is determined by the amplitude of the peak ΔU of the spectrum of deep levels (GU) using the relation [7]:
где b - множитель, зависящий от величины напряжения обратного смещения на образце [4];where b is a factor depending on the magnitude of the reverse bias voltage on the sample [4];
m - коэффициент передачи сквозного тракта спектрометра DLTS;m is the transmission coefficient of the through path of the DLTS spectrometer;
S - площадь барьерного контакта Шоттки;S is the Schottky barrier contact area;
d - толщина ОПЗ;d is the thickness of the SCR;
θ - множитель, учитывающий эффект смещения границы ОПЗ в процессе релаксации тока [7];θ is the factor taking into account the effect of the SCR boundary shift in the process of current relaxation [7];
λ - толщина слоя неполной ионизации глубокого уровня, определяется по формулеλ - the thickness of the layer of incomplete ionization of a deep level, is determined by the formula
Запишем формулу (1) для двух случаев амплитуды напряжения импульсов обратного смещений V1 и V2 при b=1 и θ=1:We write formula (1) for two cases of the amplitude of the voltage of pulses of reverse biases V 1 and V 2 at b = 1 and θ = 1:
При условии однородного распределения объемного заряда глубоких и мелких центров в ОПЗ:Under the condition of a uniform distribution of the space charge of deep and shallow centers in the SCR:
откуда после преобразований имеем:whence after transformations we have:
где d1 и d2 - толщины ОПЗ соответственно для амплитуды напряжения импульсов обратного смещения V1 и V2.where d 1 and d 2 are the thickness of the SCR for the amplitude of the voltage of the pulses of the reverse bias V 1 and V 2 .
Заменяем в формуле (2) EF-Et=(EC-Et)-(EC-EF)=ΔE-(EC-EF) (3)Replace in the formula (2) E F -E t = (E C -E t ) - (E C -E F ) = ΔE- (E C -E F ) (3)
Используем известное из литературы соотношение для расчета уровня Ферми [2]:We use the relation known from the literature for calculating the Fermi level [2]:
Из формул (2), (3), (4) с учетом того, что n0=N∂м, получаем:From formulas (2), (3), (4), taking into account the fact that n 0 = N ∂м , we obtain:
При расчете ΔЕ по формуле (5), вместо T используем величину Tmax, которую определяем по местоположению пика на спектре DLTS. При наличии в образце нескольких глубоких уровней всю информацию об энергии ионизации получаем в результате одного температурного сканирования. Для расчета плотности состояний в зоне проводимости (валентной зоне) NC(V) применяем стандартную методику. Так, для кремния .When calculating ΔЕ by formula (5), instead of T we use the value of T max , which is determined by the location of the peak in the DLTS spectrum. If there are several deep levels in the sample, all information about the ionization energy is obtained as a result of one temperature scan. To calculate the density of states in the conduction band (valence band) N C (V), we use the standard technique. So for silicon .
Величины d1, d2 и Nдм могут быть легко найдены из соответствующих C-V - зависимостей.The values of d 1 , d 2 and N dm can be easily found from the corresponding CV - dependencies.
Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна", т.к. в известных источниках не обнаружен предложенный способ определения энергии ионизации глубоких уровней. Следовательно, последовательность операций при исследовании энергетического спектра электронных состояний отличается от существующих, а предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty", because in known sources, the proposed method for determining the ionization energy of deep levels was not found. Therefore, the sequence of operations in the study of the energy spectrum of electronic states differs from existing ones, and the proposed technical solution has significant differences.
Данный способ предлагается для реализации научным лабораториям, предприятиям и организациям, занимающимся исследованиями в области микро- и наноэлектроники.This method is proposed for implementation by scientific laboratories, enterprises and organizations involved in research in the field of micro- and nanoelectronics.
Для осуществления способа предлагается устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов сложной формы, измерительную ячейку с возможностью изменения температуры исследуемого образца и DLTS - спектрометр.To implement the method, a device is proposed that contains a rectangular pulse generator of complex shape, a measuring cell with the ability to change the temperature of the test sample, and a DLTS spectrometer.
Прототипом DLTS - спектрометра может служить, например, спектрометр фирмы "Sula Technologies", США [6].The prototype of a DLTS spectrometer can be, for example, a spectrometer manufactured by Sula Technologies, USA [6].
Сущность изобретения и возможные варианты реализации предложенного способа поясняются следующими чертежами:The invention and possible implementations of the proposed method are illustrated by the following drawings:
фиг.1 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства;figure 1 - timing diagrams explaining the operation of the device;
фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ.figure 2 is a structural diagram of a device that implements the proposed method.
Импульсное напряжение сложной формы (фиг.1а) поступает из блока 1 в блок 2 измерительной ячейки. Прототипом измерительной ячейки может служить криостат фирмы JANIS [5]. Далее сигнал релаксации электрического тока, емкости или заряда из блока 2 поступает в блок 3, в котором осуществляется анализ и определение амплитуд пиков спектра DLTS при различных значениях обедняющих импульсов напряжения. Генератор прямоугольных импульсов (1) содержит дополнительный формирователь последовательности прямоугольных импульсов V2 с возможностью раздельной регулировки их амплитуды и длительности, а в устройстве релаксационной спектроскопии глубоких уровней (3) выход селектора постоянной времени соединен с двумя фильтрами низкой частоты (ФНЧ) через коммутатор, управляемый генератором прямоугольных импульсов (1).The pulse voltage of complex shape (figa) comes from
Технико-экономический результат заключается в сокращении времени измерения и повышении достоверности информации о параметрах глубоких центров в полупроводниковых барьерных структурах и материалах.The technical and economic result is to reduce the measurement time and increase the reliability of information about the parameters of deep centers in semiconductor barrier structures and materials.
ЛитератураLiterature
[1] Lang D.V. Deep level transient spectroscopy: a new method to characterize traps in semiconductors // J Appl. Phys. 1974. V.45. P.3023-3032.[1] Lang D.V. Deep level transient spectroscopy: a new method to characterize traps in semiconductors // J Appl. Phys. 1974.V.45. P.3023-3032.
[2] Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука, 1981, 176 с.[2] Berman L.S., Lebedev A.A. Capacitive spectroscopy of deep centers in semiconductors. L .: Nauka, 1981, 176 p.
[3] Денисов А.А., Лактюшкин В.Н., Садофьев Ю.Г. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней // Обзоры по электронной технике. 1985. Сер.7. Вып.15 (1141), 52 с.[3] Denisov A.A., Laktyushkin V.N., Sadofiev Yu.G. Relaxation spectroscopy of deep levels // Reviews on electronic technology. 1985. Ser. 7. Issue 15 (1141), 52 p.
[4] ASTM standard F 978-02 Standard test method for characterizing semiconductor deep levels by transient capacitance techniques.[4] ASTM standard F 978-02 Standard test method for characterizing semiconductor deep levels by transient capacitance techniques.
[5] www.janis.com.[5] www.janis.com.
[6] www.sulatech.com.[6] www.sulatech.com.
[7] Зубков М.В. Определение концентрации глубоких центров с учетом полевой зависимости времени релаксации тока // Электронная техника. Сер.10. Микроэлектронные устройства. Вып.6 (78), 1989. - С.42-45.[7] Zubkov M.V. Determination of the concentration of deep centers taking into account the field dependence of the current relaxation time // Electronic Engineering. Ser. 10. Microelectronic devices. Issue 6 (78), 1989 .-- S. 42-45.
Claims (2)
,
где d1 и d2 - толщины ОПЗ соответственно для амплитуд напряжения импульсов обратного смещения V1 и V2,
е - заряд электрона,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника,
ε0 - диэлектрическая постоянная,
k - постоянная Больцмана,
Тмакс - температура пика спектра DLTS,
Nм - концентрация мелких центров в ОПЗ.1. The method of determining the ionization energy of deep levels, which consists in the fact that a sample of the semiconductor barrier structure is placed in the measuring cell, the temperature dependence of the relaxation time under external influences by voltage pulses of reverse bias with amplitude V 1 is determined, the obtained signal from the sample is multiplied by the reference signal F ( t), produced by selection of the relaxation time and determine the maximum output voltage ΔU of the spectrum and the maximum peak temperature DLTS (t max), characterized in that the supplement is administered flax reverse bias voltage pulse with amplitude V 2> V 1, and | V 1 -V 2 | >> max kT / e, is defined by two values DLTS spectrum peak amplitude ΔU ΔU 1 and 2 corresponding to the same relaxation time constant and different amplitude pulses of reverse bias voltage V 1 and V 2 , determine the ionization energy of the deep level (AE) by the formula:
,
where d 1 and d 2 are the thickness of the SCR for the amplitudes of the voltage of the pulses of the reverse bias V 1 and V 2 ,
e is the electron charge,
ε is the relative dielectric constant of the semiconductor,
ε 0 is the dielectric constant,
k is the Boltzmann constant,
T max - peak temperature of the DLTS spectrum,
N m - the concentration of small centers in the SCR.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010124341/28A RU2431216C1 (en) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Method of determining ionisation energy of deep levels in semiconductor barrier structures and device for realising said method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010124341/28A RU2431216C1 (en) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Method of determining ionisation energy of deep levels in semiconductor barrier structures and device for realising said method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2431216C1 true RU2431216C1 (en) | 2011-10-10 |
Family
ID=44805188
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010124341/28A RU2431216C1 (en) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Method of determining ionisation energy of deep levels in semiconductor barrier structures and device for realising said method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2431216C1 (en) |
-
2010
- 2010-06-15 RU RU2010124341/28A patent/RU2431216C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Lang D.V. Deep level transient spectroscopy: a new method to characterize traps in semiconductors // 1 Appl. Phys. 1974. V.45. P.3023-3032. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jachalke et al. | How to measure the pyroelectric coefficient? | |
Cerbu et al. | Intrinsic electron traps in atomic-layer deposited HfO2 insulators | |
Basile et al. | Capacitance-voltage and deep-level-transient spectroscopy characterization of defects near SiO2/SiC interfaces | |
Mochizuki et al. | Probing the surface potential of oxidized silicon by assessing terahertz emission | |
CN106528493B (en) | A kind of method for numerical simulation efficiently separating deep level transient spectroscopy test signal | |
Ohashi et al. | Determination of Schottky barrier profile at Pt/SrTiO3: Nb junction by x-ray photoemission | |
Haug et al. | Modulating the field-effect passivation at the SiO2/c-Si interface: Analysis and verification of the photoluminescence imaging under applied bias method | |
Reiner et al. | Inelastic electron tunneling spectroscopy study of thin gate dielectrics | |
Naumann et al. | Efficient Nondestructive 3D Defect Localization by Lock-in Thermography Utilizing Multi-Harmonics Analysis | |
RU2431216C1 (en) | Method of determining ionisation energy of deep levels in semiconductor barrier structures and device for realising said method | |
Boyer et al. | Analysis of data obtained using the thermal-step method on a MOS structure—an electrostatic approach | |
Suvanam et al. | 4H-silicon carbide-dielectric interface recombination analysis using free carrier absorption | |
Dinu et al. | Studies of MPPC detectors down to cryogenic temperatures | |
Khorasani et al. | Optically excited MOS-capacitor for recombination lifetime measurement | |
Lacouture et al. | An open circuit voltage decay system for performing injection dependent lifetime spectroscopy | |
LaRoche et al. | Comparison of Interface State Density Characterization Methods for SiO2/4 H SiC MOS Diodes | |
RU2616876C1 (en) | METHOD FOR MONITORING PRESENCE OF GaAs MATRIX DEEP DEFECTS CONNECTED WITH EMBEDDING INAS QUANTUM DOTS THEREIN | |
Engst et al. | Bulk lifetime characterization of corona charged silicon wafers with high resistivity by means of microwave detected photoconductivity | |
CN113702451B (en) | Defect state space position determination method for excitation energy level capacitance analysis method | |
RU2079853C1 (en) | Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials | |
Chinone et al. | Quantitative Imaging of MOS Interface Trap Distribution by Using Local Deep Level Transient Spectroscopy | |
JP5988958B2 (en) | Evaluation method, evaluation apparatus, and semiconductor device manufacturing method | |
Pop | A composite layered sub-system for front detection calorimetric instrumentation | |
Khorasani | Novel Electrical Measurement Techniques for Silicon Devices | |
RU2415389C1 (en) | Method of analysing power spectrum of electronic states and device to this end |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120616 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20140220 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150616 |