RU2624604C1 - Method for determining relaxation degree of nitrid heterostructure barrier layer - Google Patents

Method for determining relaxation degree of nitrid heterostructure barrier layer Download PDF

Info

Publication number
RU2624604C1
RU2624604C1 RU2016110788A RU2016110788A RU2624604C1 RU 2624604 C1 RU2624604 C1 RU 2624604C1 RU 2016110788 A RU2016110788 A RU 2016110788A RU 2016110788 A RU2016110788 A RU 2016110788A RU 2624604 C1 RU2624604 C1 RU 2624604C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heterostructure
barrier layer
relaxation degree
degree
relaxation
Prior art date
Application number
RU2016110788A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Николаевич Алёшин
Олег Альбертович Рубан
Наталия Александровна Юзеева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН)
Priority to RU2016110788A priority Critical patent/RU2624604C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2624604C1 publication Critical patent/RU2624604C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H01L22/14—Measuring as part of the manufacturing process for electrical parameters, e.g. resistance, deep-levels, CV, diffusions by electrical means

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: relaxation degree is determined from the value ratio of the piezoelectric polarization components determined from the experiment through the measurement of the volt-farad characteristics and from the modified Ambacher model.
EFFECT: ability to use the method of measuring the volt-ferad characteristics to determine the relaxation degree and, thus, in a non-destructive way to determine the relaxation degree in a thin barrier layer of a nitride heterostructure.
3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к электрофизическим способам определения степени релаксации барьерного слоя нитридной гетероструктуры и применяется для оценки качества кристаллической структуры, в которой наблюдается пьезоэлектрическая поляризация.The invention relates to electrophysical methods for determining the degree of relaxation of the barrier layer of a nitride heterostructure and is used to assess the quality of the crystal structure in which piezoelectric polarization is observed.

Известен способ рентгеновской дифракции [1], который позволяет определить степень релаксации в слое. Сущность способа заключается в том, что установка рентгеновской дифракции включает зеркало, имеющее отражательную поверхность, которая сформирована так, чтобы угол в плоскости, параллельной плоскости дифракции, между тангенциальной линией отражательной поверхности, в любой точке на отражательной поверхности, и линейным отрезком, соединяющим любую точку и образец, стал постоянным, и плоскость кристаллической решетки, которая обуславливает отражение, была параллельна отражательной поверхности в любой точке на отражательной поверхности; рентгеновский детектор является одномерным, позиционно-чувствительным в плоскости, параллельной плоскости дифракции; и относительное взаимное расположение зеркала и рентгеновского детектора определено в плоскости, параллельной плоскости дифракции так, чтобы отраженные рентгеновские лучи от различных точек на отражательной поверхности зеркала достигали различных точек на детекторе рентгеновского излучения соответственно. Этот способ не применим для тонких слоев (меньше 50 нм) и требует очень дорогостоящего оборудования.A known method of x-ray diffraction [1], which allows you to determine the degree of relaxation in the layer. The essence of the method lies in the fact that the installation of x-ray diffraction includes a mirror having a reflective surface, which is formed so that the angle in a plane parallel to the diffraction plane, between the tangential line of the reflective surface, at any point on the reflective surface, and a linear segment connecting any point and the sample, became constant, and the plane of the crystal lattice, which causes the reflection, was parallel to the reflective surface at any point on the reflective surface and; X-ray detector is one-dimensional, position-sensitive in a plane parallel to the diffraction plane; and the relative relative position of the mirror and the x-ray detector is determined in a plane parallel to the diffraction plane so that the reflected x-rays from different points on the reflective surface of the mirror reach different points on the x-ray detector, respectively. This method is not applicable for thin layers (less than 50 nm) and requires very expensive equipment.

Известен способ [2, 3] просвечивающей электронной микроскопии, который позволяет определить плотность дислокаций и оценить степень релаксации в слоях. Он заключается в том, что электронный луч формирует изображение с помощью дифрагированной волны. Недостатком способа является то, что он относится к разрушающим.A known method [2, 3] of transmission electron microscopy, which allows you to determine the density of dislocations and evaluate the degree of relaxation in the layers. It lies in the fact that the electron beam forms an image using a diffracted wave. The disadvantage of this method is that it relates to destructive.

Известен способ [4] автоматического измерения распределения плотности носителей с помощью вольт-фарадных характеристик МОП транзистора, включающий вычисление толщины обедненного слоя и плотности примеси. В основе способа лежит исследование емкости полупроводниковой структуры как функции напряжения, модулированного высокой частотой, на затворе. Однако он дает лишь общие представления о качестве гетероструктуры не позволяя определить точное значение степени релаксации в данном слое.A known method [4] of automatic measurement of the distribution of carrier density using the capacitance-voltage characteristics of a MOS transistor, comprising calculating the thickness of the depleted layer and the density of the impurity. The method is based on the study of the capacitance of a semiconductor structure as a function of voltage modulated by a high frequency at the gate. However, it gives only general ideas about the quality of the heterostructure, making it impossible to determine the exact value of the degree of relaxation in this layer.

Техническим результатом данного изобретения является возможность использовать способ измерения вольт-фарадных характеристик для определения степени релаксации и, таким образом, неразрушающим способом определить степень релаксации в тонком (меньше 50 нм) барьерном слое нитридной гетероструктуры.The technical result of this invention is the ability to use a method of measuring capacitance-voltage characteristics to determine the degree of relaxation and, thus, a non-destructive way to determine the degree of relaxation in a thin (less than 50 nm) barrier layer of a nitride heterostructure.

Технический результат достигается за счет того, что проводится измерение вольт-фарадных характеристик исследуемой гетероструктуры. В основе измерения лежит исследование дифференциальной емкости гетероструктуры как функции напряжения, модулированного высокой частотой, на затворе. Дифференциальная емкость гетероструктуры обусловлена наличием области пространственных зарядов в приповерхностной области гетероструктуры, поэтому измерение дифференциальной емкости основано на эффекте поля. В связи с этим для измерения емкости на гетероструктуру подается два сигнала. Первый сигнал вырабатывает напряжение смещения, обеспечивающее поддержку рабочей точки прибора (определенный изгиб зон), второй - измерительный сигнал в виде переменного напряжения, который позволит измерить дифференциальную емкость гетероструктуры. Блок-схема установки, на которой проводятся измерения, показана на фиг. 1. Установка состоит из ртутного зонда или зондового стола (1), LCR измерителя (2) и ЭВМ (3) для анализа полученных результатов. Потом методом дифференцирования, используя результаты измерений вольт-фарадных характеристик, определяется значение поляризации в исследуемой гетероструктуре по следующему выражению:The technical result is achieved due to the fact that the measurement of the capacitance-voltage characteristics of the studied heterostructure. The measurement is based on the study of the differential capacitance of the heterostructure as a function of the voltage modulated by a high frequency at the gate. The differential capacitance of the heterostructure is due to the presence of a space charge region in the near-surface region of the heterostructure; therefore, the measurement of the differential capacitance is based on the field effect. In this regard, two signals are fed to the heterostructure to measure the capacitance. The first signal produces a bias voltage that provides support for the operating point of the device (a certain bending of the zones), the second signal is a measuring signal in the form of an alternating voltage, which will measure the differential capacitance of the heterostructure. A block diagram of the installation on which measurements are made is shown in FIG. 1. The installation consists of a mercury probe or probe table (1), an LCR meter (2), and a computer (3) for analyzing the results. Then, using the method of differentiation, using the measurement results of the capacitance-voltage characteristics, the polarization value in the studied heterostructure is determined by the following expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где ε - диэлектрическая проницаемость, εо - диэлектрическая постоянная, U - напряжение смещения на контакте Шоттки, х - глубина, определенная по выражению для плоского конденсатора.where ε is the dielectric constant, ε о is the dielectric constant, U is the bias voltage at the Schottky contact, x is the depth determined by the expression for a flat capacitor.

Применяя модифицированную модель Амбахера, определяются значения пьезоэлектрической и спонтанной составляющих поляризации в условиях модели Амбахера. Модификация модели Амбахера заключается в замене полностью упруго деформированного слоя GaN, выращенного на полностью релаксированном слое AlGaN, на полностью упруго деформированный слой AlN, выращенный на полностью релаксированном слое GaN. Модель Амбахера применима, если барьерный слой нитридной гетероструктуры полностью упруго деформирован. Такое условие в реальности невыполнимо. Так как спонтанная составляющая поляризации присутствует всегда (это свойства самого материала), то вычитая ее из значения поляризации, определенного с помощью измерений, получаем реальное значение пьезоэлектрической составляющей поляризации в исследуемой гетероструктуре. Степень релаксации определяется из отношения значений пьезоэлектрических составляющих поляризации, определенных из эксперимента через измерение вольт-фарадных характеристик и из модифицированной модели Амбахера, согласно следующему выражению:

Figure 00000002
Using the modified Ambacher model, the values of the piezoelectric and spontaneous polarization components are determined under the conditions of the Ambacher model. A modification of the Ambacher model is to replace a fully elastically deformed GaN layer grown on a fully relaxed AlGaN layer with a fully elastically deformed AlN layer grown on a fully relaxed GaN layer. The Ambacher model is applicable if the barrier layer of the nitride heterostructure is completely elastically deformed. Such a condition is in reality impossible. Since the spontaneous polarization component is always present (these are the properties of the material itself), subtracting it from the polarization value determined by measurements, we obtain the real value of the piezoelectric polarization component in the heterostructure under study. The degree of relaxation is determined from the ratio of the values of the piezoelectric polarization components determined from the experiment through the measurement of the capacitance-voltage characteristics and from the modified Ambacher model, according to the following expression:
Figure 00000002

где Рехр - определенное из эксперимента значение поляризации, Psp и Ppz - спонтанная и пьезоэлектрическая составляющие поляризации, определенные из модели Амбахера.where P exp is the polarization value determined from the experiment, P sp and P pz are the spontaneous and piezoelectric polarization components determined from the Ambacher model.

Фиг. 1. Блок-схема установки, на которой проводятся измерения.FIG. 1. The block diagram of the installation on which measurements are made.

Фиг. 2. Схема нитридной гетероструктуры в поперечном разрезе (вид сбоку), используемая для проведения эксперимента.FIG. 2. Cross-sectional diagram of a nitride heterostructure (side view) used for the experiment.

Фиг. 3. Вольт-фарадная характеристика нитридной гетероструктуры, используемой для проведения эксперимента.FIG. 3. Capacitance – voltage characteristic of the nitride heterostructure used for the experiment.

Пример. Имеется нитридная гетероструктура (фиг. 2). Подключаем ее с помощью ртутного зонда к LCR измерителю, согласно блок-схеме (фиг. 1). Проводим измерения вольт-фарадной характеристики с помощью LCR-измерителя, получая следующую вольт-фарадную характеристику (фиг. 3). Применив выражение для определения поляризации, получаем значение поляризации в барьерном слое, равное Рехр=-0,095 Кл/м2.Example. There is a nitride heterostructure (Fig. 2). We connect it with a mercury probe to the LCR meter, according to the block diagram (Fig. 1). We measure the capacitance-voltage characteristic using an LCR meter, obtaining the following capacitance-voltage characteristic (Fig. 3). Applying the expression for determining the polarization, we obtain the polarization value in the barrier layer equal to P exp = -0.095 C / m 2 .

Используя выражения модели Амбахера, получаем Psp=-0,09 Кл/м2 и Ppz=-0,052 Кл/м2.Using the expressions of the Ambacher model, we obtain P sp = -0.09 C / m 2 and P pz = -0.052 C / m 2 .

Используя выражение (2), получаем значение для степени релаксацииUsing expression (2), we obtain the value for the degree of relaxation

Figure 00000003
Figure 00000003

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2449262 С2; МПК G01N 23/207.1. Patent RU 2449262 C2; IPC G01N 23/207.

2. Ambacher О. Growth and applications of Group Ill-nitrides / J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. - V. 31. - P. 2653-2710.2. Ambacher O. Growth and applications of Group Ill-nitrides / J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. - V. 31. - P. 2653-2710.

3. Югова Т.Г., Мильвидский М.Г., Вдовин В.И. Дефектообразование в эпитаксиальных гетероструктурах Ge1-xSix/Ge (111) / Физика твердого тела. 2004. - Т. 46. Вып. 8. - С. 1476-1483.3. Yugova T.G., Milvidsky M.G., Vdovin V.I. Defect formation in epitaxial heterostructures Ge 1-x Si x / Ge (111) / Solid state physics. 2004. - T. 46. Issue. 8. - S. 1476-1483.

4. Патент US 7489157 B2; МПК G01R 31/26.4. Patent US 7489157 B2; IPC G01R 31/26.

Claims (1)

Способ определения степени релаксации барьерного слоя нитридной гетероструктуры, включающий измерение вольт-фарадных характеристик и определение значения поляризации и ее составляющих (пьезоэлектрической и спонтанной) в исследуемой гетероструктуре, отличающийся тем, что степень релаксации выражается из отношения значений пьезоэлектрических составляющих поляризации, определенных из эксперимента через измерение вольт-фарадных характеристик и из модифицированной модели Амбахера.A method for determining the degree of relaxation of the barrier layer of a nitride heterostructure, including measuring the capacitance-voltage characteristics and determining the polarization value and its components (piezoelectric and spontaneous) in the studied heterostructure, characterized in that the degree of relaxation is expressed from the ratio of the values of the piezoelectric polarization components determined from the experiment through measurement volt-farad characteristics and from a modified Ambacher model.
RU2016110788A 2016-03-24 2016-03-24 Method for determining relaxation degree of nitrid heterostructure barrier layer RU2624604C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016110788A RU2624604C1 (en) 2016-03-24 2016-03-24 Method for determining relaxation degree of nitrid heterostructure barrier layer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016110788A RU2624604C1 (en) 2016-03-24 2016-03-24 Method for determining relaxation degree of nitrid heterostructure barrier layer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624604C1 true RU2624604C1 (en) 2017-07-04

Family

ID=59312637

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016110788A RU2624604C1 (en) 2016-03-24 2016-03-24 Method for determining relaxation degree of nitrid heterostructure barrier layer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624604C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070152699A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Dongbu Electronics Co., Ltd. System and method for automatically measuring carrier density distribution by using capacitance-voltage characteristics of a MOS transistor device
RU2437114C1 (en) * 2010-03-29 2011-12-20 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" System for determining coordinates of underwater objects
CN102736011A (en) * 2012-07-10 2012-10-17 中国科学院微电子研究所 Method for determining service life of AlGaN/GaN based heterojunction channel current carrier
RU2578051C1 (en) * 2014-12-09 2016-03-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method of determining interlayer electron relaxation time in semiconductor quantum dots based on first type heterojunction

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070152699A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Dongbu Electronics Co., Ltd. System and method for automatically measuring carrier density distribution by using capacitance-voltage characteristics of a MOS transistor device
RU2437114C1 (en) * 2010-03-29 2011-12-20 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" System for determining coordinates of underwater objects
CN102736011A (en) * 2012-07-10 2012-10-17 中国科学院微电子研究所 Method for determining service life of AlGaN/GaN based heterojunction channel current carrier
RU2578051C1 (en) * 2014-12-09 2016-03-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method of determining interlayer electron relaxation time in semiconductor quantum dots based on first type heterojunction

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Effect of threading dislocations on the Bragg peakwidths of GaN, AlGaN, and AlN heterolayers
Vilalta-Clemente et al. Cross-correlation based high resolution electron backscatter diffraction and electron channelling contrast imaging for strain mapping and dislocation distributions in InAlN thin films
Siddique et al. Structure and interface analysis of diamond on an AlGaN/GaN HEMT utilizing an in situ SiN x interlayer grown by MOCVD
Pandey et al. Dislocation density investigation on MOCVD-grown GaN epitaxial layers using wet and dry defect selective etching
Tweedie et al. X-ray characterization of composition and relaxation of AlxGa1− xN (≤ x≤ 1) layers grown on GaN/sapphire templates by low pressure organometallic vapor phase epitaxy
Zoellner et al. Imaging structure and composition homogeneity of 300 mm SiGe virtual substrates for advanced CMOS applications by scanning X-ray diffraction microscopy
Cheng et al. Thermal visualization of buried interfaces enabled by ratio signal and steady-state heating of time-domain thermoreflectance
US7656514B2 (en) Method and apparatus for evaluating semiconductor layers
Romanitan et al. Comparative study of threading dislocations in GaN epitaxial layers by nondestructive methods
Kuball et al. Raman mapping of epitaxial lateral overgrown GaN: Stress at the coalescence boundary
Das et al. Effect of defects in silicon carbide epitaxial layers on yield and reliability
Kuchuk et al. Measuring the depth profiles of strain/composition in AlGaN-graded layer by high-resolution x-ray diffraction
US10132765B2 (en) Method and apparatus for determining lattice parameters of a strained III-V semiconductor layer
RU2624604C1 (en) Method for determining relaxation degree of nitrid heterostructure barrier layer
Kaganer et al. Bunches of misfit dislocations on the onset of relaxation of Si0. 4Ge0. 6/Si (001) epitaxial films revealed by high-resolution x-ray diffraction
Bassignana et al. Determination of epitaxic-layer composition and thickness by double-crystal X-ray diffraction
US10718726B2 (en) Method for determining the concentration of an element of a heteroepitaxial layer
Nicolai et al. Application of electron tomography for comprehensive determination of III-V interface properties
Avila et al. On the use of MEIS cartography for the determination of Si1–xGex thin-film strain
Rouviere et al. Chemical profiles in AlGaN/GaN quantum wells: a CTEM, HRTEM and EFTEM comparison
Baba et al. Non-destructive characterization of thin layer resonant tunneling diodes
Reisinger et al. Resolving alternating stress gradients and dislocation densities across AlxGa1-xN multilayer structures on Si (111)
Möller et al. Structural characterization and interfacial studies of ZnSe based heterostructures on GaAs
Prado et al. Effects of induced strain on the Raman spectra of AlxGa1− xAs compounds
Ermilova et al. Hybrid optical measurement technique for detection of defects in epitaxially grown 4H-SiC layers