Определение характеристик структуры металл-полупроводник вольтфарадным методом

Определение характеристик структуры металл-полупроводник вольтфарадным методом

Авторы:

доцент Анфалова Е.С

Ст.преподаватель Бурзин С.Б.

Ведущий инженер Михалин В.В

МОСКВА 2009 г

 

Физика твердого тела и полупроводников

Лабораторная работа № 7

Определение характеристик структуры металл-полупроводник вольтфарадным методом

Вольтфарадный (C-V) метод широко используется для измерения электрофизических параметров структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), диодов Шоттки, резких р-n переходов.

Метод основан на измерении емкости приповерхностной области полупроводника в зависимости от приложенного напряжения, обедняющего приповерхностный слой полупроводника основными носителями.

В настоящей работе измеряются C-V характеристики диодов Шоттки в структуре металл-полупроводник на основе арсенида галлия.

Контакт металл-полупроводник.

Образование контакта металл-полупроводник

Рассмотрим свойства идеального контакта металл-полупроводник. Предположим, что полупроводник не вырожден, на границе между полупроводником и металлом отсутствуют поверхностные состояния (ПС), полупроводник однородно легирован донорной примесью с концентрацией N_D и вся примесь ионизирована, последовательным сопротивлением подложки можно пренебречь.

Термодинамическая (или внутренняя) работа выхода электрона из твердого тела F_S - это разница между энергией электрона в вакууме E ₀ и энергией Ферми в твердом теле F_S. Внешняя работа выхода (или электронное сродство) c – это разность между энергией электрона в вакууме и энергией дна зоны проводимости Е_С. (рис.1(а)).

Термодинамическая работа выхода электрона из полупроводника определяется следующим соотношением.

,

(1)

где eVn = Е_C - F_S - разность между энергией дна зоны проводимости Е_C и уровнем Ферми F_S полупроводника.

Сродство к электрону c - это внутреннее свойство полупроводника, оно не изменяется при образовании контакта с металлом.

Обозначим работу выхода из металла F_M. Если F_M>F_S, то при контакте металла и полупроводника часть электронов из полупроводника перейдет в металл, и на границе раздела образуется потенциальный барьер еj_B (рис.1(6)), который называют барьером Шоттки, а структуру металл-полупроводник с таким барьером - диодом Шоттки.

При установлении термодинамического равновесия уровни Ферми в металле и полупроводнике совпадают, поэтому

.

(2)

Величина V_B=(F_M - F_S)/e - контактная разность потенциалов. Из (2) следует, что

.

(3)

Величина потенциального барьера зависит лишь от природы материалов контакта.

На рис.1(б) представлена энергетическая диаграмма барьера Шоттки при термодинамическом равновесии, то есть когда внешнее напряжение отсутствует (U =0). Энергетические диаграммы потенциального барьера при прямом (U >0) и обратном (U <0) смещениях на металлическом электроде изображены на рис.1(в) и 1(г), соответственно.

Погрешность измерений

Вычисление концентрации легирующей примеси требует проведения численного дифференцирования экспериментальной зависимости C^-2 = f(V). Случайная погрешность определения N_D складывается из погрешностей измерения величин, входящих в (17).

Погрешность в определении напряжения на контакте при использовании цифро-аналогового преобразователя очень мала, и ее можно не учитывать. Определение емкости измерителем Е7-12 производится с погрешностью не более 1%. Опыт показывает, что погрешность в определении концентрации легирующей примеси составляет около 5%.

Экспериментальная часть

Измерительная установка

В настоящей работе измерение зависящей от напряжения емкости контакта металл-полупроводник проводят на макете автоматизированной установки измерения вольтфарадных характеристик (ВФХ) полупроводниковых структур. Этот макет позволяет измерять высокочастотных ВФХ структур с барьером Шоттки в заданных областях на пластине; осуществлять сбор и хранение полученных данных и представление полученной информации в графическом и цифровом виде.

Блок-схема макета автоматизированной установки представлена на рис.5.

В состав макета автоматизированной установки входят следующие блоки.

1. - персональный компьютер – управляющая ПЭВМ, 1-1 - плата параллельного интерфейса;

2. - блок согласования, содержащий устройство согласования, совмещенное с программируемым источником напряжения, позволяющим прикладывать к измеряемой структуре напряжение в диапазоне от –10 В до +10 В с шагом от 0.01 В и более;

3. - измеритель L,C,R цифровой Е7-12;

4. - камера измерительная с устройством зондовым и микроскопом.

Измерение ВФХ производится на переменном токе частотой 1 МГц и амплитудой 30 мВ.

Образец для измерений

В качестве объекта измерений служит часть пластины или целая полупроводниковая пластина (GaAs или Si) с барьерными контактами металл-полупроводник, созданными на монокристаллической подложке или эпитаксиальном слое n-типа проводимости, выращенном на высоколегированной подложке того же типа проводимости.

Материал подложки, площадь и материал затвора (металлического электрода) сообщаются отдельно. Контакт к подложке осуществляется с ее обратной стороны при помощи контактного стола, контакт к затвору – при помощи зонда устройства зондового.

В настоящей работе в качестве образца может быть использована часть пластины (n-n+ эпитаксиальной структуры GaAs), которая посредством расплавленного индия закреплена на носителе – низкоомной пластине кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 0.01 Ом·см, служащей носителем для исследуемого образца.

Поперечное сечение структуры с барьером Шоттки схематично представлено на рис.6.

Подготовка к проведению измерений

После составления конспекта описания получите у преподавателя допуск к работе. Проверьте соединение блоков установки по схеме коммутации (рис. 5).

Проверьте, что органы управления на лицевой панели измерителя Е7-12 находятся в следующих исходных положениях.

- переключатель ЗАПУСК – в положение ручной;

- переключатель УРОВЕНЬ СИГНАЛА – в положение х0.1;

- переключатель ЭКВ.СХЕМА – в положение C/G;

- переключатель ПРЕДЕЛ ИЗМЕР. – в положение АВТ.

Проверьте, что переключатели в правой части задней панели измерителя Е7-12 находятся в следующих положениях:

- переключатель УПРАВЛЕНИЕ – в положение МЕСТНОЕ (вниз);

- переключатели АДРЕС: 1 – вверх, 2, 4, 8 – вниз.

Интерфейсный кабель должен быть подключен к разъему КОП в правой части задней панели измерителя Е7-12.

Проверьте, что переключатель СМЕЩЕНИЕ в левой части задней панели измерителя Е7-12 находится в положении ВНЕШ. (вверх). Провода от внешнего программируемого источника напряжения должны быть подключены в два левых гнезда ±200 V. max КОНТРОЛЬ.

Включите входящие в состав установки блоки в следующей последовательности.

- Персональный компьютер.

- Измеритель Е7-12 и дайте ему прогреться не менее 20-ти минут.

- Блок согласования и управления.

- Форвакуумный насос, обеспечивающий прижатие измеряемой пластины к столику.

Установите пластину с измеряемыми диодами с барьером Шоттки на контактный стол. При помощи микроскопа найдите на пластине диод с барьером Шоттки и расположите конец зонда над его затвором. Откройте кран вакуумной присоски.

Проведение измерений

Запустите на исполнение прикладную измерительную программу измерения ВФХ и расчета параметров контактов с барьером Шоттки. Она запускается ярлыком “ CV_Sch ”. Путь к этому ярлыку: Рабочий стол \ папка «Лаб.работы» \ папка «ФТТ и ПП». После загрузки программы на экране видеомонитора появляется главное меню первого уровня (рис.7).

Главное меню служит для выбора одной из четырех опций, которым соответствуют четыре меню первого уровня.

1) Опция «Имитация» (рис.7) предназначена для проведения имитационных измерений ВФХ контактов с барьером Шоттки и обеспечивает следующее:

- ввод исходных данных об образце и режиме имитационного измерения прямой ветви ВФХ контакта МП;

- имитационное измерение ВФХ;

- вывод результатов измерения в графическом виде,

- обработку результатов измерения,

- запись данных в файл.

2) Опция «Результаты», служащая для загрузки файла данных одного из предыдущих измерений и обработки результатов измерения.

3) Опция «Помощь», служащая для ознакомления с целью проведения лабораторной работы, основными теоретическими сведениями и методикой проведения измерений.

4) Опция «Измерения» (рис.8) предназначена для проведения реальных измерений ВФХ контактов МП и обеспечивает следующее:

- ввод исходных данных об образце и режиме реального измерения прямой ветви ВАХ контакта МП;

- измерение ВФХ;

- вывод результатов измерения в графическом виде,

- обработку результатов измерения,

- запись данных в файл.

Кнопка «Выход» в каждом меню первого уровня предназначена для выхода из программы измерений.

Завершение измерений

Откройте крышку измерительной камеры и поднимите зонд. Закройте кран вакуумной присоски. Придвиньте стол на себя, снимите с него пластину и положите ее в кассету.

Для выхода из программы измерений щелкните по прямоугольнику «Выход» в любом меню первого уровня.

Закройте все окна, открытые на рабочем столе компьютера.

Выключите блоки измерительной установки в следующей последовательности.

- Блок согласования и управления.

- Форвакуумный насос.

- Измеритель Е7-12.

- Персональный компьютер.

Требования к отчету.

Отчет о должен содержать следующее.

1) Краткий конспект описания с основными аналитическими зависимостями, используемыми при проведении лабораторной работы, блок-схему макета измерительной установки.

2) Графики вольтфарадной характеристики диода Шоттки С=f(U) и зависимости С^-2=f(U) с рассчитанными параметрами контакта (один экземпляр на бригаду).

3) Величину погрешности определения высоты потенциального барьера и концентрации электрически активной примеси.

4) Возможные источники погрешности определения параметров контакта.

Требования техники безопасности.

При выполнении работы по настоящей методике существует опасность поражения электрическим током. Для предупреждения поражения электрическим током необходимо соблюдать «Инструкцию № 26-09 по охране труда при выполнении работ на электроприборах, электроустановках в помещениях лаборатории кафедры КФН».

5. Контрольные вопросы

1) Образование контакта металл-полупроводник. Энергетические зонные диаграммы.

2) Область пространственного заряда. Вывод формулы для толщины обедненного слоя при условии постоянной концентрации легирующей примеси.

3) Область пространственного заряда. Вывод формулы для удельной дифференциальной емкости контакта металл-полупроводник.

4) Определение концентрации легирующей примеси по результатам измерения вольтфарадной характеристики контакта металл-полупроводник.

5) Ограничения вольтфарадного метода. Нижний и верхний пределы определения концентрации легирующей примеси. Погрешность измерения концентрации.

6) Рассчитать емкость контакта металл-полупроводник для следующих условий: полупроводник – кремний n-типа проводимости, площадь контакта – 0.01 см², концентрация донорной примеси – 1*10¹⁶ см^-3, изгиб зон на поверхности– 0.49 эВ, внешнее напряжение равно –3.3 В.

7) Рассчитать толщины области обеднения контакта металл-полупроводник для следующих условий: полупроводник – кремний n-типа проводимости, концентрация донорной примеси – 5*10¹⁵ см^-3, изгиб зон на поверхности – 0.64 эВ, площадь контакта – 0.01 см², внешнее напряжение равно: а) 0 В, б) –8.36 В.

8) Роль поверхностных состояний в образовании поверхностного потенциального барьера контакта металл-полупроводник.

9) Метод определения концентрации легирующей примеси по вольтфарадной характеристике контакта металл-полупроводник. Алгоритм проведения измерений.

10) Образование контакта металл-полупроводник. Что такое термодинамическая работа выхода и сродство к электрону? Зависит ли высота потенциального барьера только от разности работ выхода?

11) Рассчитать толщины области обеднения контакта металл-полупроводник для следующих условий: полупроводник – арсенид галлия n-типа проводимости, концентрация донорной примеси – 5*10¹⁵ см^-3, изгиб зон на поверхности – 0.81 эВ, площадь контакта – 0.01 см², внешнее напряжение равно: а) 0 В, б) –3.19 В

12) Рассчитать емкость контакта металл-полупроводник для следующих условий: полупроводник – арсенид галлия n-типа проводимости, площадь контакта – 0.001 см², концентрация донорной примеси – 4*10¹⁶ см^-3, изгиб зон на поверхности– 0.81 эВ, внешнее напряжение равно равно – 0 В.

13) Расчет плотности объемного заряда контакта металл-полупроводник. Вывод формулы для удельной емкости контакта металл-полупроводник.

14) Метод определения высоты потенциального барьера контакта металл-полупроводник и концентрации легирующей примеси в полупроводнике по вольт-фарадной характеристике контакта.

Основная литература.

1. К.В.Шалимова. Физика полупроводников. 4-е изд., «Лань», Москва, 2010.

2. Гуртов В. А., Осауленко Р. Н., Физика твердого тела для инженеров, Москва: «Техносфера», 2007.

3. А. И. Ансельм. Введение в теорию полупроводников. «Лань», Санкт-Петербург, 2008.

Дополнительная литература.

1. Г.И.Епифанов. Физические основы микроэлектроники. «Советское радио», М., 1971.

2.

Определение характеристик структуры металл-полупроводник вольтфарадным методом

Авторы:

доцент Анфалова Е.С

Ст.преподаватель Бурзин С.Б.

Ведущий инженер Михалин В.В

МОСКВА 2009 г