Исследование рекомбинационных процессов в полупроводниках спектральным методом Текст научной статьи по специальности «Физика»

сти Ксв от частоты в диапазоне частот панорамного измерителя Р2-56 для некоторых положений ИМС К561ИЕ9 в волноводе.

На рис.5 экспериментальные зависимости Ксв от частоты отмечены при помощи символов ▲, а теоретические — непрерывными линиями. Расхождения между экспериментальными данными и результатами теоретических расчетов Ксв не превышают 15%. Аналогично, различие между экспериментальными и теоретическими данными для ослабления не превышает 15%.

Рис. 5

ют применить данную модель ИМС и метод МАБ для решения задачи дифракции электромагнитной волны на ИМС в открытом пространстве при произвольном соотношении между длиной волны и геометрическими размерами микросхем.

Литература: 1. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1988. 255 с. 2. Иванов В.А., Ильницкий Л.Я., Фузик М.И. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Киев: Техника, 1986. 120 с. 3. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи: Пер. с англ. под ред. А.Д. Князева. М.: Сов. радио, 1979. 464 с. 4. Antinone J. Electrical Overstress Protection for Electronic Devices. 1986, New York. 387p. 5. Wunsch D.C., Bell R.B. Determination Of Threshold Failure In Metallization Due To Pullse Voltages // IEEE Trans., 1970. Vol. NS-18, № 4. Р.212-220. 6. Старостенко В.В., Таран Е.П., Григорьев Е.В., Борисов А.А. Воздействие электромагнитных полей на интегральные микросхемы // Измерительная техника. 1998. № 4. С.65-67 7. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989. 544 с. 8. Никольский В.В., Никольская Т.И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики. М.: Наука, 1983. 304 с. 9. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ / Под. ред. В. В. Никольского. М.: Радио и связь. 1982. 340 с.

Поступила в редколлегию 18.03.2002 Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Чурюмов Г.И.

Заключение

Сравнение теоретических и экспериментальных данных позволяет сделать вывод об адекватности модели и реальной ИМС при описании дифракционных явлений на микросхеме в волноводе. С другой стороны, полученные результаты позволя-

Старостенко Владимир Викторович, канд. физ.-мат. наук, зав. кафедрой радиофизики ТНУ. Научные интересы: моделирование вакуумных и твердотельных устройств СВЧ, исследование деградационных процессов в различных объектах и средах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95022, Симферополь, ул.Б.Куна, 31, кв. 13, тел.: раб. (0652)230360, дом. (0652)575401.

УДК 621.382

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ СПЕКТРАЛЬНЫМ МЕТОДОМ

ГОРДИЕНКО Ю.Е, БОРОДИНБ.Г., БАБЫЧЕНКО С.В, АБУ АНЗЕХИЯД_________

Предлагается способ измерения объемного времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда в полупроводниках на основании исследования спектрального распределения фазового сдвига сигнала фотопроводимости, выделенного при СВЧ смещении относительно гармонически модулированного возбуждающего излучения. Приводится функциональная схема измерительной установки, результаты измерения на образцах кремниевых структур.

Увеличение степени интеграции и быстродействия интегральных микросхем, внедрение в полупроводниковую электронику аморфного, поликристаллического кремния и других новых полупровод-

никовых материалов обуславливает необходимость перехода на минимальные топологические размеры (0,2 — 0,17 мкм) и полупроводниковые пластины большого диаметра (до 30 — 40 см) [1,2]. Влияние этих факторов повышает требования к исходному материалу, его однородности, соответствию значений электрофизических параметров заданным. В результате резко возрастает роль входного, межоперационного и выходного контроля полупроводниковых образцов на различных этапах производства микроэлектронной продукции.

Важными параметрами полупроводниковых материалов, оказывающими существенное влияние на качество и процент выхода годных изделий, являются объемное время жизни (т) и скорость поверхностной рекомбинации (s) носителей заряда [3]. Для измерения этих параметров разработано большое количество разнообразных методов [4-9]. Среди них следует выделить безэлектродные, основанные на применении техники СВЧ [5,6,8,9]. При этом наилучшие метрологические показатели достигаются при использовании резонаторных методов [8,9], характеризующихся: высокой точностью

36

РИ, 2002, № 4

и чувствительностью измерений; применимостью для любых полупроводниковых материалов; широким диапазоном допустимых значений контролируемых параметров; отсутствием жестких требований к геометрии образцов и рядом других достоинств. Однако весьма важной проблемой остается обеспечение раздельного измерения т и S , особенно в тонких плоских образцах.

Одним из путей решения этой задачи является применение СВЧ фотомодуляционного метода [8]. Суть его при определении т и S заключается в измерениях фазового сдвига сигнала фотопроводимости исследуемого образца относительно возбуждающего этот сигнал света на двух частотах гармонической модуляции интенсивности светового излучения, проводимых при слабом и сильном поглощении света образцом [9]. Время жизни и скорость поверхностной рекомбинации в полупроводниковом образце с заранее известными значениями толщины и электропроводности находятся с помощью предварительно рассчитанных градуировочных характеристик. Возможность регистрации слабых сигналов фотопроводимости обеспечивается посредством их усиления на частоте модуляции, а требуемая локальность контроля достигается путем фокусировки освещения образца. Тем не менее, при относительной простоте такого фазового метода его результаты не всегда могут быть однозначно интерпретированы в широком интервале значений т, S , толщины и электропроводности контролируемых образцов, а обеспечиваемая погрешность измерений может превышать 10% .

D

дх

х=0

+S -Др(0); D

дх

х=d

SAp(d), (2)

находим решение в виде:

Др = Дро + Дрі • exp(jQt). (3)

Здесь первое слагаемое определяет постоянную составляющую в изменении концентрации и не влияет на величину фазового сдвига, а второе — переменную составляющую на частоте модуляции светового потока.

Общее решение для переменной составляющей Др і имеет вид

go М-'tj

Дрі( х) =

1 - k( Х) 2Lj2

A • ехр

( \ х

L,

V j /

+ B • ехр

( \ х

L

j

+ е:

хр( - k( Х)- х)

(4)

где коэффициенты А и В вычисляются с помощью граничных условий (2), а индекс j свидетельствует о комплексном значении параметра.

Полное количество носителей в слое толщиной d определяется интегрированием (4), и после преобразований описывается соотношением:

ДР(х)

go j к(х)

1 - ехр( -к(х)- d)

(

1 +-

Lj

• cth

2 • L,

v j

S

d

*

В настоящей работе рассматривается возможность улучшения метрологических показателей такого метода путем расширения диапазона длин волн освещающего образец излучения от слабого поглощения света полупроводником до его края, а также с помощью исследования спектральных зависимо -стей фазового сдвига сигнала фотопроводимости относительно возбуждающего излучения.

Такую зависимость можно определить при помощи одномерного уравнения непрерывности, записаного для случая слабого гармонически модулировано-го фотовозмущения и монополярной (например, дырочной) фотопроводимости:

д • Др д2 • Др Др , \

—тг = D----Г' — + g^

dt 5х2 ^

*[1 - ехр^ОО] • ехр(-к(х)- х), (1)

где Др — концентрация избыточных дырок; d — коэффициент диффузии; q — частота модуляции потока излучения; go (х) — скорость генерации электронно-дырочных пар; к — коэффициент поглощения излучения полупроводником; X — длина волны света.

Используя следующие граничные условия для плоскопараллельного образца толщиной d

1+-

S • L

j L

cth

Г_d_ Л

V 2 • L ;

_K. Lj.

D

1 -k(x)2 • l,2

, (5)

здесь

Tj =■

1 + jQx ; Lj VD^j-

(6)

В общем случае фазовый сдвиг сигнала фотопроводимости относительно фотовозмущения находится при помощи выделения действительной и мнимой части уравнения (5).

Соответствующие численные исследования величины фазового сдвига сигнала фотопроводимости относительно освещающего образец гармонически промодулированного по амплитуде оптического излучения производились для кремниевых пластин

и аморфных пленок толщиной (d) от 10 до 1000 мкм с удельным сопротивлением р = 10 2 - 105 Ом • см в интервале длин волн (х) от 0,62 до 1,13 мкм при частоте модуляции светового излучения 20 кГц. Наиболее типичные результаты этих исследований представлены на рис. 1.

РИ, 2002, № 4

37

Рис. 1. Спектральная зависимость фазового сдвига сигнала фотопроводимости кремниевой пластины (р=20 Ом.см; d=1000 мкм)

Анализ полученных зависимостей фазового сдвига показывает, что положения спектральных характеристик, несмотря на их возможные пересечения в некоторых точках, в целом однозначно определяются значениями т и S носителей заряда образцов с заданными толщиной и электропроводностью. Кроме того, измерения зависимости сдвига фазы от длины волны в широком спектральном диапазоне позволяют повысить точность определения ти S по сравнению с измерениями при двух фиксированных значениях X. Погрешность измерений времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации при этом, как показывают оценки, не превышает ±5%, если погрешность определения фазового сдвига составляет ± 1 %.

Таким образом, т и S могут быть достаточно точно определены посредством сравнения экспериментально измеренных спектральных зависимостей фазового сдвига с заранее рассчитанными теоретическими.

Экспериментальные исследования проводились на образцах пластин и аморфных пленок кремния. Функциональная схема установки для проведения таких исследований представлена рис. 2.

9

10

Рис. 2. Функциональная схема измерительной установки

Установка функционирует следующим образом. Сигнал от СВЧ генератора 1 типа Г4-141 частотой 37,5 ГГц через развязывающий ферритовый вентиль 2 и циркулятор 3 поступает на измерительный преобразователь (ИП) 4. В качестве ИП использовался хорошо известный цилиндрический резонатор с Hoi2 — видом колебаний и внутренним расположением плоского образца. Размещенный в резонаторе образец кремниевой пластины или пленки на стеклянной подложке освещался гармонически модулированным излучением монохроматора 5 типа И КМ — 1, позволяющего изменять длину волны в диапазоне 0,5 — 12 мкм. Модуляция излучения по интенсивности производилась с помощью модулятора 6. При этом использовались как электрооптические модуляторы типа МЛ — 4, МЛ — 6, МЛ — 7, обеспечивающие частоту модуляции до 108 Гц при потерях излучения не более 35%, так и механические модуляторы. Отраженный сигнал от ИП детектировался с помощью стандартных СВЧ диодов 7 типа Д607А, Д608А или с барьером Шоттки типа 3А121А. Продетектированный низкочастотный гармонический сигнал усиливался селективным усилителем 8 типа У2 - 8. В качестве опорного сигнала для фазометра 9 использовалась часть сигнала от модулятора 6, подведенная через калибровочный фазовращатель 10.

Результаты исследований представлены на рис. 1 и в таблице. Экспериментально полученная спектральная зависимость сигнала фотопроводимости кремниевой пластины КДБ-20 толщиной 1000 мкм с паспортными значениями времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации (т=10-5 с; S= 120 м/с) приведена на рис. 1. В таблице даны паспортные и определенные фазовым спектральным методом значения т и S в образцах кремниевых пластин и аморфных пленок.

Образец Паспортные данные Измеренные значения

Р, Омсм H, мкм X, мкс S, м/с Ф, град X, с S, м/с

Пластина Si 20 1000 9 115 27 10 117

Пластина Si 20 1000 15 110 35 16 112

Пленка Si (аморфного) 105 20 300 _ 57 100 14

Как следует из анализа приведенных в таблице результатов, параметры, полученные фазовым методом на образцах пластин монокристаллического кремния, удовлетворительно совпадают с паспортными данными. Измеренные значения т и S для пленки аморфного кремния носят предварительный характер и требуют дополнительного анализа с учетом специфики рекомбинации в таких материалах.

Литература: 1. Кремний в оптоэлектронных приборах: особенности и перспективы развития / Таубкин И. И., Фамицкий В.И. // Изв. вузов. Матер. электрон. техн. 2000. № 3. С. 15-19, 78. 2. Хейванг В. Аморфные и

38

РИ, 2002, № 4

поликристаллические полупроводники. М.: Наука, 1987. 484 с. 3. ШурМ. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн. М.: Мир, 1992. 4. Блад П, Ортон Дж. В. Методы измерения электрических параметров полупроводников // Зарубежная электроника. 1991. Вып. 2.

С. 3-49. 5. Kunst M, Muller G, Schmidt R. Surface and Volume Processes in Semiconductor Studied by Contactless Transient Photoconductivity Measurements // J. Appl. Phys. A. 1988. Vol. 46. P. 77-85. 6. Использование емкостной связи для бесконтактного контроля электрофизических параметров полупроводниковых пластин большого диаметра / Е.С. Горнев, Л. Н. Кравченко, М.П. Поджилков, В.Н. Подшивалов, Г.К. Чиркин // Микроэлектроника. 1999. Т. 28, №1. С. 68 -73. 7. Рау Э.И., Шичу Чжу. Бесконтактный электронно-зондо-вый метод измерения диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей в полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 35. Вып. 6. С. 749-753. 8. Бородин Б.Г., Гордиенко Ю.Е., Рябухин А.А. Фотомодуляционная диагностика полупроводниковых структур // Радиотехника. 1999. Вып. 111. С.7-13. 9. Gordienko E, Borodin B.G., Smuglii V.I. Microwave Photomodulation Method for the Study of Recombination Processes in Semiconductors // Telecommunication and Radio Engineering. 1998. Vol. 52, N 2. Р. 47 - 52.

Поступила в редколлегию 02.11.2002 УДК 621.362:621.383

ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИОДНЫХ P-I-N ФОТОСТРУКТУР

СЛИПЧЕНКО Н.И., ПИСЬМЕНЕЦКИЙВ.А., СУПРУН Ж.М.

Рассматриваются основные свойства и параметры p-i-n фотодиодов. Исследуется влияние температуры и освещенности на фотоэлектрические характеристики кремниевых солнечных элементов. Приведенные результаты экспериментальных исследований подтверждают корректность предложенных математических моделей.

К числу основных фотодиодных конструкций, перспективных для использования в оптоэлектронных приборах, следует отнести кремниевую p-i-n структуру, которая все активнее вытесняет приборы с p-n переходом. В последнее время из-за резкого расширения производства средств связи и, в частности, носимых переговорных устройств специального назначения постоянно увеличивается спрос на p-i-n диоды. По данным одного из ведущих зарубежных производителей, годовой прирост потребности в p-i-n диодах в последние 5 лет достигает 17-33%, а по отдельным типономиналам—до 50%. Подобная тенденция наблюдается и в нашей стране, причем характерно, что p-i-n диоды находят все большее применение не только в специальной аппаратуре, но и в коммерческой.

Широкое распространение p-i-n диоды получили в ВЧ и СВЧ электронике для управления уровнем и фазой СВЧ сигналов. Их можно использовать в качестве СВЧ переключателей с практически постоянной барьерной емкостью и высокой нагрузочной способностью. Р-i-n диоды применяют также для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ импульсов, для стабилизации СВЧ РИ, 2002, № 4

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Айзацкий Н.И.

Гордиенко Юрий Емельянович, д-р физ.-мат. наук, професор, зав. кафедрой микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: микроэлектроника, неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: Украина, 61166,Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 40-93-62, 32-12-76.

Бородин Борис Григорьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: контроль параметров полупроводниковых материалов. Адрес: Украина, 61166,Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 4093-62,32-12-76.

Бабыченко Сергей Васильевич, стажер-исследователь кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: микроэлектроника, неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 40-93-62, 32-12-76.

Абу Анзех Ияд, аспирант кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: микроэлектроника, неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 40-93-62, 32-12-76.

мощности. Применение коммутаторов на p-i-n диодах значительно сокращает время на переключение с приема на передачу, что особенно важно при работе с цифровыми видами связи. Благодаря высокому сопротивлению p-i-n диодов в закрытом состоянии и весьма низкому — в открытом, стало возможным их применение в качестве элементов затухания и переключения. При выборе излучателей и фотоприемников принимаются во внимание не только обеспечиваемые ими в линиях дальнодействие и быстродействие, но и долговечность, простота применения, стоимость. P-i-n диоды широко применяют как источники энергии. Кроме того, их можно использовать в качестве управляемого аттенюатора, сопротивление которого почти линейно зависит от прямого тока, а также в модуляторах, ограничителях, фазовращателях.

Анализ работ по p-i-n фотодиодам позволяет сформулировать следующие их основные достоинства:

— сочетание высокой чувствительности (на длине волны X» 0.90 мкм практически достигнут теоретический предел So ~ 0.7 А/Вт) и высокого быстродействия;

— малая барьерная емкость;

— линейность характеристик в широком диапазоне изменения мощности облучения;

— высокая эффективность при малых обратных напряжениях (в частности в вентильном режиме);

— малые значения паразитных параметров (токи утечки, емкости);

— высокая температурная стабильность характеристик и хорошие эксплутационные свойства;

— высокое дифференциальное сопротивление p-i-n фотодиодов открывает возможности для создания высококачественных усилителей.

39