Способ выявления глубоких уровней в p-n-переходе полупроводникового прибора

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ПЕРЕХОДЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Марченко Игорь Георгиевич Жданович Николай Евгеньевич Шведов Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ выявления глубоких уровней в переходе полупроводникового прибора,включающий измерение температурной зависимости электрического параметра прибора,отличающийся тем, что в качестве электрического параметра используют дифференциальное сопротивление на участке пробоя вольтамперной характеристики прибора, измерение температурной зависимости которого проводят при двух значениях постоянного тока пробоя 1 и 2, на каждой зависимости определяют соответственно температуры 1 и 2,при которых достигаются максимумы дифференциального сопротивления, по которым выявляют наличие глубокого уровня, а идентификацию дефекта, ответственного за этот глубокий уровень, осуществляют по значению энергии термической ионизацииглубокого уровня, которую вычисляют по формуле где- постоянная Больцмана- максимальная напряженность поля в области пространственного заряда при пробое 1 и 2 - показатели экспоненты в зависимости от скорости эмиссии носителей заряда с глубокого уровня при температуре 1 и 2 соответственно. Изобретение относится к области испытаний и контроля качества полупроводниковых приборов и может найти применение при испытаниях полупроводниковых приборов различного типа с лавинным механизмом пробоя, изготовленных на основе полупроводниковых материалов (, , 35 и т.д.). Для определения глубоких уровней (ГУ) (выявление наличия ГУ и определение параметра их характеризующего) в полупроводниковых приборах с переходами с достаточной чувствительностью и пространственным разрешением можно использовать подход, основанный на анализе вида динамической вольтамперной характеристики (ВАХ) прибора при низких температурах и сравнении величин напряжения лавинного пробоя при высокой и низкой температурах. Однако он не позволяет определить параметры ГУ,идентифицировать примеси или дефекты, ответственные за эти ГУ, что очень важно для прогнозирования свойств и надежности полупроводниковых приборов. Известны 1 способы емкостной спектроскопии и спектроскопии полной проводимости ГУ в области пространственного заряда перехода полупроводниковых приборов,которые заключаются в измерении барьерной емкости перехода или его проводимости при различных температурах, снятии спектров и их анализе, позволяющем судить о степени дефектности полупроводника. Недостатком этих способов является то, что они дают информацию, усредненную по всей площади прибора, и поэтому их нельзя применять для идентификации примесей и дефектов, приводящих к локальному изменению пробивного напряжения перехода важнейшей характеристики полупроводникового прибора. Известен 2 способ определения параметров глубоких центров, локализованных в микроплазменных каналах кремниевых лавинных диодов, путем измерения статистической задержки пробоя первых микроплазм в переходе на начальном пробивном участке обратной ветви ВАХ. Недостатком данного способа является то, что он не позволяет определить глубокие центры при высоких плотностях тока, когда происходит массовый пробой микроплазм. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения ГУ в полупроводниковых структурах 3. Из зависимостей термостимулированной емкости от температуры, дифференциального коэффициента наклона прямой ветви ВАХ от напряжения расчетным путем определена энергия ионизации глубоких уровней. Недостаток данного способа заключается в том, что он не выявляет потенциальные дефекты, проявляющиеся в режиме развитого (установившегося) лавинного пробоя -перехода, и имеет низкую точность и информативность в определении ГУ, что ограничивает его возможности. Задача изобретения - повышение точности и информативности за счет определения вклада глубоких уровней в изменение величины пробивного напряжения перехода в режиме установившегося лавинного пробоя. Способ выявления глубоких уровней в переходе полупроводникового прибора включает измерение температурной зависимости электрического параметра прибора. 2 11643 1 2009.02.28 Новым, по мнению авторов, является то, что в качестве электрического параметра используют дифференциальное сопротивление на участке пробоя вольтамперной характеристики прибора, измерение температурной зависимости которого проводят при двух значениях постоянного тока пробоя 1 и 2, на каждой зависимости определяют соответственно температуры 1 и 2, при которых достигаются максимумы дифференциального сопротивления, по которым выявляют наличие глубокого уровня, а идентификацию дефекта, ответственного за этот глубокий уровень, осуществляют по значению энергии термической ионизацииглубокого уровня, которую вычисляют по формуле 12 1 21 2 где- постоянная Больцмана Е - максимальная напряженность поля в области пространственного заряда при пробое 1 и 2 - показатели экспоненты в зависимости от скорости эмиссии носителей заряда с глубокого уровня при температуре 1 и 2 соответственно. Для скорости эмиссии носителей заряда можно записать 1 2,0 а 0 - равновесное значение скорости тепловой эмиссии,2 где- диэлектрическая проницаемость полупроводника- заряд электрона- порядковый номер примеси в периодической таблице Менделеева. Предлагаемый способ определения ГУ состоит в следующем. Измеряют температурную зависимость дифференциального сопротивленияприбора при фиксированных значениях протекающего через него среднего (во времени) тока пробояв интервале температур Т от рабочей температуры полупроводникового приборадо температуры кипения жидкого азота Т 77 К. Если на зависимостинаблюдается максимум, то делают вывод о присутствии дефектов с ГУ. Для каждого значения среднего токаопределяют по графику Т, при которой зависимостьдостигает максимума. Для каждой пары ближайших значений средних токов 1,2 и соответствующих им температур 1 и Т 2 вычисляют энергию термической ионизации ГУпо формуле (1). Вычисляют среднее арифметическое значениевсех полученных таким образом величин , которое и является наиболее вероятным значением важнейшего параметра ГУ - энергии термической ионизации. На фигуре показаны температурные зависимости дифференциального сопротивлениядиода, содержащего (кривые 1 и 2) и не содержащего (кривые 3, 4) однозарядные примеси с ГУ при двух значениях тока 1 (кривые 1, 3) и 2 (кривые 2, 4), причем 21. Механизм этого явления состоит в следующем. Рассмотрим, например, переход с глубоким донорным уровнем в верхней половине запрещенной зоны. При протекании через него лавинного токапочти вся область пространственного заряда (ОПЗ) заполнена электронами с концентрацией,где- дрейфовая скорость электронов- площадь. При высокой температуре скорость тепловой эмиссии электронов с ГУ а много больше скорости захвата электронов( - коэффициент захвата), все ГУ пустые и положи 3 11643 1 2009.02.28 тельно заряжены, а величина пробивного напряжениясоответствует плотности объемного заряда,гдеи- концентрация мелких и глубоких доноров в ОПЗ соответственно. При низких температурах а уменьшается экспоненциально иГУ заполнены электронами и нейтральны, поэтому. В обоих случаяхпочти не зависит от тока и ВАХ диода практически линейная, так как определяется объемным зарядом свободных электронови с саморазогревом прибора, которым соответствуют две компоненты дифференциального сопротивления,(4) где- компонента дифференциального сопротивления, определяемая объемным зарядом свободных электронов- компонента дифференциального сопротивления, определяемая саморазогревом прибора. При промежуточных температурах, когдаили 1, где 1 - концен трация электронов на глубоких уровнях, заполнение ГУ сильно зависит от тока. Поэтому в формуле (4) появляется дополнительное слагаемое, связанное с перезарядкой ГУ. Если пренебречь ударной ионизацией ГУ и учесть полевую зависимость скорости эмиссии по формуле (2), то вместо выражения (4) получается 21 0 2 Последнее слагаемое в выражении (5) достигает максимума при условии,где 10,- эффективная плотность состояния в зоне проводимости. Отсюда легко получается формула (1) для энергии термической ионизации ГУ. Аналогичный эффект наблюдается, если ГУ нейтральны (акцептор в -переходе). Все сказанное выше справедливо и для этого случая, однако теперь основным механизмом полевого усиления скорости эмиссии является не эффект Френкеля-Пула, а термополевая эмиссия, тогда 24 1 1 3 2,где- эффективная масса эмиттируемого носителя заряда- постоянная Планка Т 400-900 К. Пример конкретного исполнения. В качестве примера приведем реализацию заявляемого способа на партии кремниевых стабилитронов типа КС 620 А, используя радиационные дефекты, создающие глубокие уровни (центры рекомбинации, захвата и рассеяния носителей заряда) в запрещенной зоне кремния, для имитации возможных изменений напряжения лавинного пробоярперехода стабилитронов. РД вводились в исследуемые приборы гамма-облучением от источника Со 60 дозами 1104- 1108 рад на установке Исследователь. Облучение стабилитронов может приводить либо к снижению , либо к его увеличению. Первый эффект, наблюдаемый на начальном этапе облучения, обусловлен упорядочением структуры исходного кристалла кремния (залечивание ростовых и технологических дефектов). Этот эффект не связан с введением в ОПЗ прибора конкретных типов РД, поэтому применительно к данному техническому решению анализироваться не будет. 11643 1 2009.02.28 Возможности способа продемонстрируем на примере стабилитрона, облученного дозой 1107 рад, когда наблюдается рост , поскольку в этом случае эффект обусловлен введением РД в ОПЗ, энергетический спектр которых для данного вида облучения достаточно надежно установлен (емкостной методикой). Величина дифференциального сопротивления исследуемых приборов измерялась при фиксированных значениях тока и в режиме пробоя при температуре 77-300 К. В схеме измерительной установки применен принцип наложения небольшой величины переменного тока (не более 5 от постоянного) частоты 50 Гц на постоянную составляющую и измерения падения напряжения от этого тока на стабилитроне. В необлученных приборах зависимость дифференциального сопротивления от температурыпредставляет собой прямую линию с небольшим по величине положительным температурным коэффициентом , что свидетельствует об отсутствии в местах локализации пробоя (МЛП) исходных приборов дефектов в концентрациях, способных изменить . На зависимостигамма-облученных стабилитронов обнаружен один максимумпри 220-270 К, что свидетельствует о том, что в тех местах рперехода, по которым идет ток (МЛП), имеются глубокие энергетические уровни РД. Для проведения количественного анализа зависимостиопределялась температура достижения максимумадля различных значений токов в диапазоне 310-3 и 510-3 А, 710-3 и 110-2,1,210-2 и 1,810-2 А, температуры 225 и 229 К, 232 и 239 К, 241 и 250 К. Для каждой пары токов вычислялась энергия ионизации ГУ обнаруженного дефекта по формуле (1) со значением Е, равным 3105 В/см. Значение , с учетом погрешности измеренияи Т,оказалось равным 0,390,03 эВ. Такую величину энергии ионизации в гаммаоблученном бескислородном кремнии имеют Е-центр и глубокая дивакансия. Поэтому эти РД, будучи доминирующими в МЛП, определяют изменение пробивного напряжения -переходов гамма-облученных стабилитронов. Таким образом, предложенный способ позволяет выявить наличие ГУ в полупроводниковом приборе с переходом и определить их информативный параметр, позволяющий провести идентификацию дефектов, ответственных за эти ГУ. Источники информации 1. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких уровней в полупроводниках. - Л. Наука, 1981. - С. 80. 2. Булярский С.В. и др. Определение параметров глубоких центров, локализованных в микроплазменных каналах кремниевых лавинных диодов // Известия вузов. Электроника. 2002. -2. - С. 54-59. 3. Амброзевич А.С. и др. Определение глубоких центров структуры на основе твердого раствора// Письма в ЖТФ. - 2006. - Т. 32. - В. 4. - С. 16-23. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5