Ограничения вольтфарадного метода

Выражение (14) для емкости барьера Шоттки справедливо для режима обеднения ОПЗ. При достаточно малом изгибе зон условие может нарушаться. Можно показать что формула (12) справедлива с погрешностью, не превышающей 5%, когда изгиб зон на границе раздела eV больше 5 кТ. Этот критерий определяет нижний границу напряжения на барьере, за пределами которой использование (17) приводит к систематической ошибке в определении N_D (x).

При комнатной температуре минимальный потенциал на границе х=0 равен V_{m in}=0.13 В. Предельному значению V _min соответствует минимальная толщина ОПЗ w_min.

(22)

только за пределами которой можно определить N_D (x) по формуле (17) с погрешностью не более 5%.

Из выражений (11 а) - (11 в) следует, что граница между ОПЗ и нейтральным объемом не является в действительности резкой, степень ее размытости характеризуется длиной Дебая

.

(22)

Длиной L_D, поэтому, определяется точность пространственного разрешения профиля легирования.

В кремнии w_min обычно составляет величину порядка удвоенной длины Дебая. Так при N_D = 10¹⁵ см^-3 длина Дебая L_D =0.13 мкм. Толщины мелкозалегающих слоев, создаваемых при ионном легировании, могут оказаться сравнимыми с L_D, что исключает возможность определения профиля N_D (x) вблизи поверхности с помощью измерения вольтфарадной характеристики диода Шоттки.

Максимальная толщина ОПЗ, на которой возможно определение концентрации примеси методом вольтфарадной характеристики, ограничена явлением электрического пробоя ОПЗ.

Отметим, что высокая точность измерения емкости барьерного контакта достигается при условии, что токи утечки через барьер пренебрежимо малы. Токи утечки возрастают с увеличением уровня легирования полупроводника, поэтому верхний предел измерения концентрации примеси с помощью вольфарадных характеристик диода Шоттки не превышает 5*10¹⁷ – 1*10¹⁸ см^-3.

Эквивалентная схема диода Шоттки на основе арсенида галлия представлена на рис.4.

Использованы следующие обозначения: С – дифференциальная емкость барьерного контакта, R_B - дифференциальное сопротивление барьерного контакта, R_S - сопротивление объема полупроводника. Сопротивление объема полупроводника R_S, включенное последовательно с емкостью барьера, должно быть мало по сравнению с емкостным сопротивлением барьера. Чтобы измеряемая емкость соответствовала емкости барьера, необходимо выполнение условий R_S «1/ωС «R_B.

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.