Реализация метода нестационарной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниках на установке DLS-83D

На параметры и характеристики большинства полупроводниковых приборов влияют глубокие уровни (ГУ), находящиеся в запрещенной зоне полупроводника. Природа этих уровней различна. В основном это дефекты, как собственные точечные, так и протяженные (дислокации). Также глубокие уровни могут создавать различные примеси, например, ионы редкоземельных и переходных металлов. Внешние энергетические воздействия, такие как облучение электронами и другими высокоэнергетическими частицами могут создавать глубокие центры в полупроводниках. Эти центры могут играть как положительную, так и отрицательную роль в полупроводниковых приборах. Поэтому изучение этих центров играет ключевую роль в современной полупроводниковой технологии.

Среди всех методов исследования особо выделяется метод нестационарной спектроскопии ГУ (deep level transient spectroscopy – DLTS). Преимущество метода в его экспрессности. За один проход температурного сканирования можно изучить всю запрещенную зону полупроводника. Метод обладает некоторыми недостатками, которые устраняются с развитием вычислительной техники и развитием техники эксперимента.

Цель данной работы – апробация метода на образцах, в которые специально вводились примеси, создающие глубокие центры в запрещенной зоне. В нашем случае – это золото, которое создает донорный уровень с энергией E v +0,34 эВ и акцепторный – с энергией

E c -0,54 эВ. Выбор золота обусловлен тем, что уровни золота одни из самых изученных [1]. Измерения проводились на установке DLS-83D, с целью проверки её работоспособности.

Теория метода DLTS. Метод основан на работе [2]. Он заключается в следующем: устанавливается некая стационарная температура, на образец подаются два импульса, сначала обогащающий, затем обедняющий ОПЗ и определяется изменение барьерной емкости ΔС за промежуток времени между t 1 и t 2 при обедняющем ОПЗ напряжении:

A C = ^A C o [exp( - -) - exp( - t ²)],                      (1)

ττ

где τ ^-1=e n , e p – скорость эмиссии электронов или дырок с ГУ.

Затем процесс продолжается при следующей температуре. Изменение емкости от температуры имеет вид кривой с максимумом из-за температурной зависимости постоянной процесса.

Величина скорости эмиссии в точке максимума, в случае эмиссии электронов с ГУ, определяется дифференцированием уравнения (1) по постоянной времени. Приравняв производную к нулю, получим, что ln( y)

e =---1—

.

,

”   ( 1 2 — V

Изменяя промежутки времени, скорости эмиссии (график Аррениуса)

можно получить температурную зависимость

E -E ln( ^) = ln( K^n ) - ~c^

из которой определяются глубина залегания ГУ (Ec-Et) и сечение захвата электронов σn. Для дырок все выполняется аналогично.

В установке DLS-83D для снижения уровня шумов используется модифицированный метод. Релаксация емкости умножается на весовую функцию, имеющую форму прямоугольного сигнала, период Т которой задается рабочей частотой синхронного усилителя. Весовая функция синхронизирована последовательно с импульсом возбуждения. Первая половина сигнала умножается на 1, вторая – на –1 Выходной сигнал ΔС пропорционален разности площадей первого и второго полупериода сигналов. Нормировав по периоду, получается средний уровень сигнала. Так как амплитуда переходного процесса постоянна в данном случае, то выходной сигнал зависит от отношения постоянной времени эмиссии и периода, то есть скорости эмиссии и частоты весовой функции синхронного усилителя.

Изменяя это соотношение, на результирующей кривой появляется пик, соответствующий глубокому центру. Положение пика, скорость эмиссии и частота связаны соотношением:

e n = 2,17 f ,                                      (4)

где f – частота весовой функции синхронного усилителя, которую также можно назвать частотой окна сканирования.

Описание тестовых образцов. В качестве тестового образца использовался кремниевый импульсный диод КД521, в который специально вводят золото с высокой концентрацией.

Тестовый образец изготовлен следующим образом. Берется подложка электронного типа проводимости легированная сурьмой с удельным сопротивлением 0,01 Ом.см. Эпитаксиальная пленка выращивается газофазной эпитаксией кремния и легируется фосфором. Толщина пленки составляет 17±2.5 мкм. Удельное сопротивление – 1,1 Ом.см. Электронно-дырочный переход получен диффузией бора из конечного источника в окно диаметром 200 мкм. Влияние кривизны и поверхностный пробой устраняется созданием делительного кольца одновременно с формированием p+-n-перехода. Глубина залегания p-n-перехода составляла 7 ±2 мкм. Поверхностное сопротивление диффузионного p+-слоя имеет величину 50 Ом/ □ . Диффузия золота проводится из напыленной пленки при температуре 1000 °С в течение 50 минут [3].

Результаты измерений. Измерения в кремниевых импульсных диодах на установке DLS-83D проводились при следующих режимах:

U R – величина обедняющего ОПЗ импульса – 10 В

U1 – величина заполняющего импульса – 0 В

Скорость нагрева образца β – 0,1 К/с

Температурный диапазон сканирования 80 – 400 К

Частота окна сканирования – 50, 250, 1500, 2500Гц

Длительность заполняющего импульса – 10 мкс

На рисунке 1 приведены DLТS-спектры для диода КД521.

Рис. 1. DLТS-спектры диода КД521

Как видно из спектров наблюдаются два пика, соответствующие релаксации двух ГУ. Для определения положения температур максимумов экспериментальных DLТS-спектров проводилась их аппроксимация, с помощью программного обеспечения, поставляемого с измерительным оборудованием. Рассчитывалась скорость эмиссии. И по парам данных скорость эмиссии – температура максимума строились кривые Аррениуса (рис. 2).

(кТУМэВ)-1

Рис. 2. Кривые Аррениуса: 1 – акцепторный уровень, 2 – донорный уровень

Аппроксимация графиков Аррениуса выражением (3) дала следующие значения энергий и сечений захвата уровней:

• 1:    E c -0,54 эВ, σ n =6,4∙10^-14 см²,

• 2:    E v +0,33 эВ, σ p = 1,2∙10^-14 см².

Идентификация глубоких уровней [4] даёт хорошее соответствие полученных параметров с параметрами акцепторного и донорного уровней золота в кремнии.

В результате проведенной работы, можно сделать вывод о пригодности установки DLS-83D для исследований спектров и основных параметров ГУ в полупроводниковых структурах.