SU1098466A1 - Способ определени квантомеханического фактора вырождени глубоких центров в полупроводнике - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОМЕХАНИЧЕСКОГО ФАКТОРА ВЫРОЭДЕНИЯ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ, преимущественно содержащем мелкую легирующую примесь, основанный на измерении вольтфарадных характеристик , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и расширегш  класса исследуемых материалов , на поверхности полупроводника формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика с пассивированной границей раздела полупроводникдиэлектрик в пограничном слое полупроводника создают глубокие центры с концентрацией 5г10 до глубины , , выбранной из услови  E(kT,) i ekT, е )4,N где Т и Т, - температуры в градусах Кельвина, выбранные в интервале, ограниченном температурой, при которой концентраци  неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 N, и температурой вымораживани  мелкой примеси в полупроводнике, причем Т 7 Т , - диэлектрическа  проницаемость полупроводниi ка; К - посто нна  БольцманаСЛ энерги  глубокого центра в полупроводнике , отсчитанна  от дна зоны основных носите лей; Ер- энерги  Ферми в объеме полупроводника, отсчисо танна  от дна зоны основных носителей; - зар д электрона; А/ - концентраци  легируюо щей примеси, ; Од вольтфарадные характеристики измер ют при температурах Т и Т, , определ ют энергетические спектры пограничных состо ний на границе полупроводник-диэлектрик с учетом температурного размыти  функции Ферми и по i, взаимному сдвигу полученных спектров определ ют квантомеханический фактор вырождени  глубоких центров .

Description

Изобретение относитс  к полупроводниковой технике и может быть использовано дл  определени  параметро глубоких центров в полупроводнике, а именно квантомеханического фактора вьфождени  глубоких центров. Зар довое состо ние глубоких цент ров существенным образом вли ет на роль глубоких центров в процессах ге нерации и рекомбинации неравновесных носителей в полупроводниках. Это -г определ ет рабочие характеристики це лого р да приборов класса ПЗС, фотоприемников и т.д. При наличии кван томеханического вырождени  зар довое состо ние глубокого центра зависит не только от положени  уровн  Ферми относительно уровн  глубокого центра но и от значени  квантомеханического фактора вырождени  глубокого центра При этом вли ние вырождени  может быть существенным. Известен способ измерени  параметров глубоких центров в полупроводниках , основанный на измерении времени релаксации от амплитуды импульсов напр жени  flj. Недостатком этого способа  вл етс  его непригодность дл  определени  квантомеханического фактора вырождени  глубоких центров в полупроводниках . ; Наиболее близким  вл етс  способ определени  КБантомеханического фак тора вырождени  глубоких центров в полупроводнике, преимущественно содержащем мелкую легирующую примесь , основанный на измерении вольт фарадных характеристик. Способ реал зуЕот следующим образом. Используют монокристаллический полупроводник в котором конЦе«траци  глубоких уровней много больще концентрации мелкой легирующей примеси. В диапазоне температур 100-500 К измер ют температурные зависимости холловского напр жени  и проводимости исследуемого полупроводника, по Которым определ ют эффективную концентрацию глубоких центров в объеме полупроводника. Помещают полупроводник , в электролит и измер ют вольтфарадную характеристику грани цы раздела полупроводник-электролит по которой рассчитывают концентраци глубоких центров вблизи границы раз дела полупроводник-электролит. Пред полага  , что истинна  концентраци  глубоких центров в объеме полупроводника и вблизи границы раздела полупроводник-электролит одинакова, по отношению эффективной концентрации к концентрации на границе наход т квантомеханический фактор вырождени  глубоких центров. Недостатками способа  вл етс  его низка  точность и ограниченный класс полупроводниковых материалов,которые могут быть-исследованы данным способом. Низка  точность обусловлена следующими факторами: концентрации, глубоких центров в объеме полупроводника и вблизи границы раздела полупроводник-эл ектролит могут отличатьс  в 2-3 раза, в частности из-за сегрегации;,точность определени  концентрации глубоких центров на границе раздела полупроводник-электролит существенным образом зависит от состо ни  поверхности полупроводника и концентрации поверхностных состо ний,- котора  плохо контролируетс . Ограничение класса-исследуемых материалов обусловлено тем, что при измерени х вольтфарадной характеристики необходимо отсутствие утечек тока через границу раздела полупроводник-электролит, что обеспечивает только при исследовании широко.зонных полупроводниковых материалов , таких как ZnO, ZnS, ZnSe, а в случае таких широко распростра- . ненных материалов, как кремний и германий, .практически недостижимо. Целью изобретени   вл етс  повышение точности и расширение класса исследуемых материалов. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе определени  квантомеханического фактора вырождени  глубоких центро.в в полупроводнике, преимущественно с.одержащем мелкую легирующую примесь, основанном на измерении вольтфарадных характеристик , на поверхности полупроводника формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика с пассивированной границей раздела полупроводник-диэлектрик , и в пограничном слое полупро-, водника создают глубокие центры с концентрацией 5 -. 5- глубины , Р , выбранной из услови  )4VN 47ГС1,2 N где Т и Т2 - температуры в градусах Кельвина, выбранные в интервале, ограничен ном температурой, при которой концентраци  неосновных носителей в объеме полупроводник меньше 0,01 N, и темпе ратурой вымораживани  мелкой примеси )з полупроводнике , причем Т -7 Т 1 --2 С - диэлектрическа  проницаемость полупроводника; | - посто нна  Больцмана; Е - энерги  глубокого цент ра Б полупроводнике, о считанна  от дна зоны основных носителей; Ер - энерги  Ферми в объеме полупроводника, отсчитанна  от дна зоны основных носителей; - зар д электрона; N - концентраци  легирующе примеси. Вольтфарадные характеристики изме р ют при температурах Т и 1 . определ ют энергетические спектры пограничных состо ний на границе раздела полупроводник-диэлектрик с учетом температурного размыти , функции Ферми и по взаимному сдвигу полученных спектров определ ют квантомеханический фактор вырождени  глубоких центров . Способ осуществл ют следующим образом . На поверхности исследуемого полупроводника , содержащего мелкую легирующую примесь, формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика, т.е. слой с толщиной, превьш1ающей 100 А. При формировании этого сло  создают услови , обеспечивающие полу чение пассивированной границы раздел полупроводник-диэлектрик, в случае использовани  в качестве исследуемог полупроводника кремни  слой диэлектрика формируют окислением поверхнос ти кремни  в сухом кислороде с после дующим отжигом в азоте, что дает пло ность поверхностных состо ний на гра нице полупроводник-диэлектрик в сере Дине запрещенной зоны меньше Юсмэ В пограничном слое полупроводника создают глубокие центрфт с концентра1 664 цией 5-10 5 -10- квантомеханический фактор вырождени  которок необходимо определить. Глубокие центры могут создаватьс  имплантацией примеси , котора  дает в запрещенной зоне полупроводника глубокие центры, воздействием на полупроводник радиационных излучений, введением краевых дислокаций и т.д. При заданных пределах концентрации глубоких центров ( 5 ) плотность пограничных состо ний, обусловленна  глубокими центрами, лежит в пределах 5 10- 5 -10- см эВ-.. При этом точность определени  энергетического спектра пограничных состо ний, обусловленна  этими центрами, лучше 0,5%. При концентрации глубоких центров больше верхнего предела невозмол{ио определ ть энергетический спектр пограничных состо ний, так как при таких больших концентраци х дл  определени  энергетического спектра к полупроводнику требуетс  прикладывать большие электрические пол , которые пробивают диэлектрик. Нижний предел по концентрации обусловлен необходимой относительной , точностью определени  энергетического спектра пограничных состо ний, требуемой при учете температурного размыти  функции Ферми. Глубокие центры в пограничном слое полупроводника создают до глубины Р , величину которой определ ют из соотношени  (1). В этом соотношении значени  , k , Ер и N известны , величину Е энергии глубокого центра задают при создании глубоких центров в полупроводнике, температуры Т и Т, выбирают Б интервале, ограниченном температурой вымораживани  мелкой примеси в полупроводнике и температурой, при которой концентраци  неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 N т.е. температурой, при которой можно пренебречь вкладом неосновных носителей в концвнтрацию носителей в : объеме полупроводника. Нижний предел по f определ етс  минимальным энергетическим размытием пика энергетического спектра пограничных состо ний , обусловленным пространственным распределением глубоких центров, при котором энергетический спектр можно определ ть с точностью не хуже 5%, С выходом за этот предел растут

ошибки вычислений, которые не позвол ют определить спектр с требуемой точностг ю. Верхний предел по соответствует той глубине, при превышении которой глубокие центры, созданные в пограничном слое полупроводника , не дают заметного вклада в энергетический спектр пограничных состо ний.

В полученной таким образом структуре при температурах Т. и Т2 определ ют энергетические спектры пограничных состо ний. Дл  измерений может использоватьс  квазистатический метод, метод низкочастотных вольтЛарадных характеристик, метод проводимости и др. При обработке экспериментальных данных необходимо использовать методику расчета, котора  позвол ет учесть температурное размытие функции Ферми, что позвол ет наблюдать про вление квантомеханического фактора вырождени  глубоких центров по взаимному сдвигу энергетических спектров пограничных состо ний, полученных при температурах Т и Tj .

По взаимному сдвигу л Е полученных энергетических спектров пограничных состо ний по энергии, обусловленному различием температур Т и Т определ етс  фактор вырождени , который равен

ехр(лЕ/()).

При этом, чем больше разность Т Tj, тем вьше точность определени  квантомеханического фактора, вырождени . Желательно, чтобы разность была не меньше 0,1 Т . В этом случае обеспечиваетс  достаточна  точность определени  фактора вырождени  при приемлемом времени математической обработки данных.

П р и м а р. Пластина кремни  fi типа легирована фосфором до концентрации N 3-10 см. Границы выбор температур Т2 Т .

Выбираем, исход  из удобства,измерений , температуры Т 330 К, Т2 273 .К. Энерги  глубокого центра ,46 эВ Ер 0,1 эВ-, ,S, «V 4,.зар да СГСЭ, 1с 1,38 П0-%рг/град.

Находим из услови  диапазон по е f : 700 А 66 2200 А Выбираем 6 «700 А Окисл ют пластину с использованием

стандартного режима производства интегральных МОП-схем. При этом образуетс  пассированна  граница раздела полупроводник-диэлектрик.

Выбирают толщину сло  окисла о

1000Л. Через окисел методом имплантации в кремний имплант руют ионы кремни  с энергией 120 кзВ дозой 10 см . На окисел нанос т металлический электрод и структуру отжигают при температуре 300°С в течение 30 мин. Таким образом в приповерхностном слое кремни  создаетс  гауссообраз .ное распределение глубоких центров по координате с концентрацией 6-10 см, с центром распределени  на рассто нии от диэлектрика 300 А и полушириной распределени  300 А. Методом низкочастотных вольтфарадных характеристик при температуре Т.. и Т наход т с учетом температурного размыти  функции Ферми энегетические спектры пограничных состо ний границы раздела полупроводник-диэлёктрик и по взаимному температурному сдвигу этих спектров определ ют квантомеханический фактор вырождени  глубоких центров в энергией 0,46 эВ от дна зоны проводимости .

По предлагаемому способу точность определени  фактора вырождени  глубоких центров в объеме полупроводника увеличиваетс  вследствие устранени  вли ни  на результаты t измерений различи  концентраций глубоких центров в обг-,еме полупроводник и в приповерхностной области, устранени  вли ни  на результаты измерени поверхностных состо ний утечек через границу раздела полупроводникдиэлектрик . Отсутствие утечек на границе раздела полупроводник-диэлектрик при осуществлении предлагаемого способа позвол ет использовать его дл  определени  фактора вырождени  в любых материалах, в том числе германии и кремнии. Теоретическа  оценка определени  квантомеханического фактора вырождени  показывает, что относительна  точность определени  . и при т.-т,

0,1 Т 0,4, где сЛ - ошибка определени  . При увеличении разности () ошибка определени 

710984668

{ может быть уменьшена до несколь- (,) может быть выбрана равной ких процентов. Так, в случае иссле- 250-300 К. В этом случае ошибка содовани  кремни  разность температур ставит 4-5%.

Claims (1)

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОМЕХАНИЧЕСКОГО ФАКТОРА ВЫРОЖДЕНИЯ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ, преимущественно содержащем мелкую легирующую примесь, основанный на измерении вольтфарадных характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения класса исследуемых материалов, на поверхности полупроводника формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика с пассивированной границей раздела полупроводникдиэлектрик в пограничном слое полупроводника создают глубокие центры с концентрацией 5:10^ί0~ 5‘10¹²см“² до глубины ,(? , выбранной из условия где и Т₂ - температуры в градусах Кельвина, выбранные в интервале, ограниченном температурой, при которой концентрация неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 Ν, и температурой вымораживания мелкой примеси в полупроводнике, причем Т_д 7 Т₂ , £ - диэлектрическая проницаемость полупроводника·,

   К - постоянная Больцмана·

   E_t~ энергия глубокого центра в полупроводнике, отсчитанная от дна зоны основных носите' лей;

   Ер- энергия Ферми в объеме ' полупроводника, отсчитанная от дна зоны основных носителей;

   1 - заряд электрона;

   А/ - концентрация легирующей примеси, вольтфарадные характеристики измеряют при температурах и Т₂ , определяют энергетические спектры пограничных состояний на границе полупроводник-диэлектрик с учетом температурного размытия функции Ферми и по >, взаимному сдвигу полученных спектров определяют квантомеханический фактор вырождения глубоких центров .

   t