Исследование распределения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых материалах и структурах с использованием атомно-силовой микроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Кусакин, Дмитрий Сергеевич

• Кусакин, Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Кусакин, Дмитрий Сергеевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Анализ физических основ методов исследования электрофизических

свойств полупроводниковых структур

1.1 Электрофизические методы исследования полупроводниковых структур

1.1.1 Метод вольт-фарадных характеристик. Физические основы метода вольт-фарадных характеристик

1.1.2 Применение метода вольт-фарадных характеристик для исследования

свойств полупроводниковых наноструктур

1.2. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней

1.2.1 Физические основы релаксационной спектроскопии глубоких уровней

1.2.2 Особенности реализации метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней

1.3 Методы исследования с использованием Сканирующего Зондового Микроскопа

1.3.1 Вольт-амперные характеристики контакта металл-полупроводник

1.3.2 Сканирующая емкостная микроскопия

1.3.3 Метод Зонда Кельвина

1.3.4 Сканирующая микроволновая микроскопия

1.4 Другие методы исследования электрофизических параметров

полупроводниковых структур с помощью СЗМ

Выводы

Глава 2. Методика локального измерения распределения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковом материале с помощью исследования токового отклика в цепи точечного электрического контакта

2.1 Обоснование выбора методики для локального исследования концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых структурах

2.2. Электромеханическая модель точечного барьерного контакта металл -полупроводник

2.3. Анализ свойств точечного барьерного контакта металл-полупроводник

2.4. Анализ условий проведения эксперимента зависимости емкости точечного контакта от напряжения по токовому отклику структуры

2.5. Описание измерительной установки для локального измерение вольт-

фарадных характеристик полупроводниковых материалов и структур

Выводы

Глава 3. Исследование профиля концентрации носителей заряда в полупроводниковых диодных структурах с квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs

3.1 Обоснование выбора образцов для исследования профиля концентрации носителей заряда в полупроводниковых диодных структурах с квантовыми ямами

3.2 Описание образцов InGaAs/GaAs

3.3 ВФХ и ВАХ диодной структуры с квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs с помощью классических электрофизических методов

3.4 Локальные ВФХ и ВАХ структуры с квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs

3.4.1 Выбор проводящего зонда АСМ

3.4.2 Анализ поверхности тестового образца

3.4.3 Вольт-амперные характеристики диодной структуры с КЯ

на основе InGaAs/GaAs

3.4.4 Локальные вольт-фарадные характеристики диодной структуры с

квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs

Выводы

Глава 4. Локальное исследование профиля концентрации носителей заряда кремниевой структуры с развитым рельефом поверхности для изготовления

солнечных элементов

4.1 Солнечные элементы на основе кремния

4.2 Описание образцов

4.3 Выбор условий и зонда для проведения исследований

4.4 Анализ поверхности тестового образца и обоснование выбора места формирования контакта

4.5 Локальные C-V-характеристики тестовой структуры

Выводы

Заключение

Список используемых источников

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Копии охранных документов

Приложение Б. Акты об использовании материалов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование распределения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых материалах и структурах с использованием атомно-силовой микроскопии»

Введение

Надежность радиоэлектронной аппаратуры напрямую зависит от элементной базы, используемой при ее создании. В связи с этим не последнее место в создании элементной базы занимает контроль параметров исходных материалов и структур, используемых при их изготовлении конечного полупроводникового прибора [1]. К важнейшим характеристикам полупроводниковых материалов или структур относятся концентрация свободных носителей заряда и профиль ее распределения. Указанные характеристики определяют усилительные (например, коэффициент усиления тока базы в схеме с общим эмиттером биполярного транзистора), частотные свойства (предельная частота усиления транзисторов тем выше, чем ниже сопротивления активных областей), предельные эксплуатационные параметры полупроводниковых приборов (максимальное рабочее напряжение) и т.д.

В настоящее время известно и широко применяется большое количество методов анализа электрофизических параметров, анализа свойств, атомной структуры полупроводниковых материалов. Выделяют следующие методы:

1. оптические;

2. электрофизические;

3. анализ структуры и химического состава.

Среди электрофизических методов отмечают:

1. метод вольт- фарадных характеристик (С-К-характеристики);

2. метод вольт-амперных характеристик;

3. релаксационная спектроскопия глубоких уровней.

В связи с развитием нанотехнологий в настоящее время, появляется необходимость в развитии методов, разработанных с учетом ограничений, связанных с размерными эффектами в полупроводниковых структурах [2].

Все перечисленные электрофизические методы исследования полупроводниковых материалов и структур рассчитаны на изучение образцов с макроконтактами. Это означает, что они позволяют получить информацию, усредненную по области наблюдения, определяемую площадью барьерного или омического контакта, которая значительно превышает характерные латеральные масштабы в наноструктуре: размеры квантовых точек, протяженность неоднородностей толщины и областей с различным составом твердого раствора материала квантовой ямы и т.д. [3].

Для локального измерения электрической емкости полупроводниковых структур используются зондовые методы: сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ), сканирующая микроволновая микроскопия (СММ).

Зондовые методы с использованием техники атомно-силовой микроскопии (СЕМ и СММ) дают возможность формирования локального контакта для обнаружения нанообъекта или малой области, но есть определенная сложность в интерпретации полученных результатов.

Разработка физических основ метода исследования, объединяющего в себе известные электрофизические методы исследования полупроводниковых структур и зондовую систему атомно-силового микроскопа для формирования контакта, является актуальной задачей. Использование совмещенной методики позволит определять основные электронные свойства полупроводниковых структур: энергии активации процессов эмиссии и захвата носителей заряда на основные уровни размерного квантования, величины разрывов разрешенных энергетических зон на гетерограницах, макро- и микронеоднородности распределения указанных величин, локальный импеданс образца в области формирования контакта, измерение молекулярной проводимости и т.д.

В солнечной энергетике используются солнечные элементы (СЭ) на основе п-Б1 или р-Б1. В дальнейшем элементы проходят процедуру

текстурирования. Текстурирование гладкой поверхности СЭ используется для повышения коэффициента поглощения света, что впоследствии может увеличить КПД. Процедура текстурирования приводит к тому, что поверхность образца становится сильно развитой и исследования классическими методами не дает представления о полной картине распределения примеси, так как полученные результаты являются усредненными по площади контакта. Это приводит к тому, что необходимо создавать методы исследования, которые включают электрофизические измерения и возможность одновременного исследования параметров рельефа поверхности полупроводниковых структур.

Цель диссертационной работы - разработка методики определения концентрации носителей заряда на основе локальных вольт-фарадных характеристик для изучения электрофизических свойств полупроводниковых материалов и структур.

Основные задачи

1. Анализ существующих методов исследования электрофизических свойств полупроводниковых барьерных микро- и наноструктур, существующих физических моделей точечного металлического контакта и полупроводника.

2. Анализ и уточнение физической модели точечного барьерного контакта металл - полупроводник.

3. Разработка методики локального измерения вольт-фарадной характеристики, основанной на использовании атомно-силовой микроскопии для формирования точечного контакта металл-полупроводник.

4. Апробация методики исследования электрофизических свойств полупроводниковых структур, основанной на измерении вольт-фарадной характеристики точечного контакта металл-полупроводник в областях, имеющих размер, определяемый либо длиной Дебая, либо радиусом

закругления острия проводящего зонда атомно-силового микроскопа в диапазоне 10-100 нм.

5. Исследование особенностей распределения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых структурах с развитым рельефом поверхности.

Основными объектами исследований являлись полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами на основе систем InGaAs/GaAs, полученные методом эпитаксии из молекулярных пучков, а также пластины

17 3

р^ с концентрацией бора 10 см- , прошедшие процедуру текстурирования поверхности методом жидкостного химического травления.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. Разработан способ получения локальной вольт-фарадной характеристики полупроводниковой барьерной структуры в атто- и фемтофарадном диапазоне, заключающийся в измерении постоянной составляющей тока через контакт, образованный проводящим зондом атомно-силового микроскопа и полупроводниковым образцом при воздействии на него импульсным напряжением пилообразной формы с изменяемой постоянной составляющей.

2. Разработан измерительный комплекс на базе зондовой системы атомно-силового микроскопа, позволяющий проводить измерение релаксационного тока с минимальной амплитудой 1 пА, алгоритм и программное обеспечение для автоматизации и обработки полученных экспериментальных данных.

3. Апробирована методика определения профиля концентрации основных носителей заряда в квантово-размерных структурах вблизи слоев квантовой ямы с использованием в качестве контакта проводящего зонда атомно-силового микроскопа.

4. Впервые исследованы вольт- фарадные характеристики кремниевых р-п-структур с развитым пирамидальным рельефом поверхности. Экспериментально установлено влияние рельефа поверхности на распределение концентрация свободных носителей заряда.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Математические соотношения для расчета зависимости электрической емкости точечного барьерного контакта металл-полупроводник при сферической симметрии распределения электрического потенциала с учетом размера металлического контакта и нерезкой границы области пространственного заряда в полупроводнике.

2. Методика определения концентрации носителей заряда по локальным вольт-фарадным характеристикам, заключающаяся в измерении токового отклика при подаче на полупроводниковую барьерную структуру импульсного напряжения пилообразной формы, позволяющая получить латеральное распределение концентрации свободных носителей заряда.

3. Зависимость распределения концентрации свободных носителей заряда от рельефа пирамидальной структурированной поверхности кремниевой структуры с р-п-переходом. При увеличении высоты пирамидок до 5 мкм концентрации свободных носителей заряда возрастает на 20 - 30 %.

Достоверность научных результатов работы обеспечивается использованием общепринятого математического аппарата физики полупроводников и подтверждением результатов, полученных независимым методом вольт-фарадных характеристик с макроконтактом (при измерении с использованием проводящего контакта на поверхности исследуемой структуры). Эксперименты проводились в Региональном центре зондовой микроскопии коллективного пользования Рязанского государственного радиотехнического университета на поверенном и калиброванном оборудовании.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Расширены возможности классического метода вольт-фарадных характеристик за счет совмещения с техникой атомно-силовой микроскопии, углублены существующие представления о физических процессах, происходящих в полупроводниковых наногетеростуктурах.

2. Разработан способ локального контроля профиля распределения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковой структуре, а именно в областях, размеры которых находятся в нанометровом диапазоне (область менее 100 нм).

3. Получен локальный профиль концентрации носителей заряда в квантово-размерных структурах вблизи слоев квантовой ямы в областях менее 100 нм.

4. Получен локальный профиль распределения концентрации носителей заряда в кремниевых структурах, используемых при производстве элементов для солнечной энергетики, с развитым рельефом поверхности, в которых размеры отдельных областей не превышают 100 нм.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI, VII, VIII Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур» (г. Рязань; 2013, 2014, 2015), Всероссийской молодежной школе-семинаре «Диагностика наноматериалов и наноструктур» (г. Рязань, 2013), II и III Международных научно-практических конференциях «инновации в науке, производстве и образовании» (г. Рязань; 2013, 2014), IX и X Международных конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург; 2014, 2016), Международной конференции «Современные технологии в науке и образовании - СТНО-2016»( г. Рязань, 2016), XXVIII Международной научно практической конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-28» (г. Саратов, 2015), 18-ой молодежной научно-

практической конференции по твердотельной электронике «Микро- и нанотехника нового поколения» (г. Санкт-Петербург, 2015), 6th Mediterranean conference on embedded computing (MECO-2017) (Черногория 2017 г.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 21 научных работах, из них 6 статей (по специальности) в журналах из списка ВАК, 15 тезисов докладов на российских и международных конференциях, 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, 1 патент.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 85 наименований, приложений. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы и 74 рисунка.

Внедрение результатов

Полученные научные результаты использовались при разработке комплексного метода исследования свойств элементов солнечной энергетики (НИР 17-14Г), при разработке методики локального исследования электрофизических свойств полупроводниковых наногетероструктур (НИР 116Г), а также в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению 11.03.04 и магистрантов по направлению 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника».

Глава 1. Анализ физических основ методов исследования электрофизических свойств полупроводниковых структур

В полупроводниковых барьерных структурах практически всегда присутствуют дефекты, которые приводят к изменению термодинамических и кинетических параметров материала. Обычно дефекты имеют определенный заряд и ведут себя как электрически активные центры. Это приводит к тому, что в запрещенной зоне имеются локализованные состояния - глубокие уровни (ГУ) и мелкие уровни (МУ). Мелкие уровни освобождаются уже при температуре жидкого азота, глубокие при температурах 300-400 градусов Цельсия.

Влияние ГУ на электрофизические свойства полупроводников заключается в том, что они действуют как рекомбинационные ловушки либо как ловушки захвата для свободных носителей заряда. В первом случае это приводит к резкому уменьшению времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда (НЗ), что влияет на различные характеристики полупроводниковых приборов. Одно из наиболее важных проявлений влияния глубоких уровней как безызлучательных рекомбинационных ловушек состоит в уменьшении эффективности излучения в светодиодах и лазерах. Как ловушки захвата глубокие уровни влияют на эффекты накопления заряда [1]. Аналогично ловушкам с глубокими уровнями ведут себя квантовые ямы (КЯ) и квантовые точки (КТ) в составе полупроводниковых структур.

Любые дефекты в структуре могут быть связаны как с желательными, так и с нежелательными эффектами. Надежность любых современных электроприборов напрямую зависит от компонентной базы, используемой при ее создании. В связи с этим не последнее место в создании электрооборудования занимает контроль параметров исходных компонентов при их изготовлении, а также структуры, состава и

электрофизических параметров полупроводниковых материалов и структур.

В настоящее время известно и широко применяется большое количество методов анализа электрофизических параметров, анализа свойств, атомной структуры полупроводниковых материалов.

Одним из перспективных направлений при развитии методик исследования электрофизических свойств полупроводниковых структур является объединение существующих электрофизических методов и адаптация их к использованию совместно с техникой зондовой микроскопии, что позволит локализовать области исследования до 100 нм (ограничения связаны с радиусом закругления зондов атомно-силового микроскопа).

Остановимся подробнее на методах вольт-фарадных характеристик, релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) и зондовых методах исследования с использованием сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ).

1.1 Электрофизические методы исследования полупроводниковых структур

1.1.1 Метод вольт-фарадных характеристик. Физические основы метода вольт-фарадных характеристик

В настоящее время одним из методов измерения параметров полупроводниковых материалов является метод вольт-фарадных характеристик (метод ВФХ или метод С-К-характеристик). Данный метод отличается от многих других тем, что исследуется не монолитный полупроводник, а структура на основе полупроводникового материала, обладающая емкостью. К таким структурам относятся: р-п-переход,

металл-проводник, металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура)

[3].

Метод ВФХ применяется для контроля концентрации носителей тока в эпитаксиальных слоях, выращенных на сильнолегированной и изолирующей подложке [4-5], позволяет получать профили распределения основных носителей заряда в базах диода Шоттки и р-и-перехода, в квантово-размерной структуре вблизи слоев квантовой ямы (КЯ) или квантовых точек. Методов ВФХ можно определять величину разрыва энергетических зон, положение энергетических уровней размерного квантования в КЯ и так далее. Принцип работы метода следует из основных положений теории барьера Шоттки (р-и-перехода) от напряжения смещения. Емкость барьера Шоттки обусловлена наличием области объемного заряда, возникающей в результате обеднения ее свободными носителями под действием внутреннего и внешнего электрических полей [6].

Рассмотрим барьерную емкость диода Шоттки на основе полупроводниковой структуры и-типа проводимости с КЯ. При отсутствии внешнего электрического поля под действием поверхностного потенциала qФb формируется область пространственного заряда Ж^(0) (рисунок 1.1, а). Уровень размерного квантования Е0 в КЯ находится ниже дна зоны проводимости матрицы Ес, поэтому часть свободных носителей перетекает в КЯ из прилегающих к квантовой яме барьерных слоев. В КЯ накапливается отрицательный заряд электронов, который индуцирует область пространственного заряда с обеих сторон от слоя квантовой ямы (рисунок 1.1, а) [7].

В работе [8] показано, что барьерная емкость Сдщ данной структуры имеет две компоненты - трехмерную (Сю) и двумерную (Сж):

^ ^ ^ дОзв ^ д(в [(Е - Е), И

Сош = С з в + С 2 в =-+ >

яг т ¿—1

ди Г ди (1.1)

где суммирование проводится по всем подзонам состояний в квантовой яме. Вторая компонента Сж в выражении (1.1) отражает изменение двумерного заряда электронов в квантовой яме Q2D.

С увеличением напряжения обратного смещения на барьере Шоттки заполненные электронами энергетические уровни Е{ в КЯ последовательно опустошаются при прохождении через уровень Ферми Ер матрицы (рисунок 1.1).

Для расчета ВФХ диодов Шоттки, содержащих квантово-размерные части, авторами [7, 9] предложен способ, основанный на решении одномерных уравнений Пуассона и Шредингера. Из решения уравнения Пуассона получается распределение по толщине структуры электростатического потенциала ф^).

Рисунок 1.1 - Энергетическая диаграмма диода Шоттки на структуре с квантовой ямой: а - при отсутствии внешнего напряжения смещения; б - при

приложенном обратном смещении и [8]

Уравнение Шредингера решается для эффективного потенциала U(z), который учитывает форму кривой, описывающей положение дна зоны проводимости в зависимости от координаты AEC(z) нелегированной гетероструктуры с учетом разрывов зон на границах квантовой ямы, влияние свободных электронов в зоне проводимости и ионизованных доноров, а также внешнее напряжение смещения UR, прикладываемое к структуре:

U(z) = -qp(z) + АЕС (z) . (1.2)

Заряд в области квантовой ямы Q2D(z) представляет собой распределение плотности двумерного электронного газа, которое зависит от волновых функций ¥i(z) и собственных значений энергии Ei, полученных из уравнения Шредингера [8]:

Q2d(z) = qmZ)2kT Tln(l + expГ(Ef -E.)/kT]]k(z)|2.

n% i (1.3)

Система взаимодействующих дифференциальных уравнений Пуассона и Шредингера не может быть решена аналитически, поэтому используется численный подход на основе метода конечных разностей (МКР). Самосогласованное решение уравнений Пуассона и Шредингера позволяет определить форму эффективного потенциала U(z) как функцию напряжения смещения UR, приложенного к диоду Шоттки. Согласно теореме Гаусса, для данного напряжения смещения UR полный заряд в структуре пропорционален величине электрического поля на поверхности образца Esuf:

_ _ dU (z)

^ Е surf

* ■ ' ■ J /'

о surf

E —

Q — SSEr surf dz

zC о surf

surface (14)

Для расчета емкости данной структуры используется квазистатическое приближение, т.е.

С| -М

Си - ик Аи

и - и« (1.5)

где ДQ есть полное изменение заряда, обусловленное изменением обратного смещения Аи около статической точки напряжения смещения

ик.

Представленная модель для расчета емкости диода Шоттки основана на квазистатическом приближении, т.е. не учитывается временная зависимость изменения заряда dQ, вызванного изменением напряжения смещения dU [8].

1.1.2 Применение метода вольт-фарадных характеристик для исследования свойств полупроводниковых наноструктур

Для полупроводниковых диодных структур метод С-К-характеристик применяется для определения высоты потенциального барьера контакта Шоттки и профиля распределения свободных электронов в полупроводнике [10]. Полученная информация применяется для определения профиля легирования структуры. В полупроводниковых структурах с КЯ и КТ метод С-К-профилирования в основном используется для уточнения положения квантово-размерной части в структуре.

В структурах с КЯ метод С-К-характеристик может быть применен для определения величин разрывов разрешенных энергетических зон. В [11] предложен расчет величины разрыва зон и значения поверхностного заряда на гетерогранице при условии равномерного легирования структуры по обеим сторонам гетероперехода.

Рисунок 1.2 - Зонная диаграмма гетеропереходов:

а - Р+-р, б - К+-п

При точном совпадении действительного профиля распределения концентрации электронов с профилем, полученным с помощью метода С-К-профилирования, можно получить положение края зоны проводимости из соотношения [12]:

Е(х)-ЕР=-кТЩп(х)тс(х)\ (1.6)

Из зависимости Ес(х) можно получить значение АЕС и значение встроенного заряда. Одним из недостатков С-К-профилирования является ограничение длиной Дебая [12, 13]. Если есть область обеднения с одной стороны гетероперехода, то дебаевская длина становится больше ширины этой области и наблюдаемая концентрация носителей заряда п(х) не совпадает с истинной локальной концентрацией п*(х). Ес(х) из (1.6) не является истинным профилем дна зоны проводимости.

Из [11] величина разрыва зоны проводимости АЕС на гетерогранице может быть определена из электростатического дипольного момента, который связан с небалансом заряда между распределением легирования Ыа(х) и найденным из экспериментальной С-К-характеристики «кажущимся» профилем распределения основных носителей заряда п *(х) с использованием соотношения [11, 12]:

С 2 V

Мс

V еео у 0

6 (х) - п(х)(х - ху - кТ 1п

С 17 л

П2 ^С1

П N

(1.7)

С 2 У

где п12 - асимптотические величины легирования слева и справа вдали от гетероперехода; NC1, - эффективная плотность состояний в

соответствующей зоне проводимости; е - заряд электрона; Т -температура; k - постоянная Больцмана; в - диэлектрическая проницаемость; х]- - положение гетероперехода.

Часто распределение электронов, получаемое с помощью C-V-профилирования, отличается от истинного, а исследуемые структуры не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к расчету разрыва зон. При определении разрывов зон методом ^^характеристик применяются численные методы, основанные на самосогласованном решении уравнений Шредингера и Пуассона [9].

В структурах с КТ с помощью метода C-V-характеристик нельзя получить информацию об энергетических характеристиках КТ, так как квантовые точки из-за различия в размерах имеют определенный разброс электрофизических параметров и для получения математической модели требуется многократное самосогласованное решение трехмерных дифференциальных уравнений, что затруднительно. В таких структурах используют комплекс методов исследования электрофизических свойств квантовых точек, а С-Г-характеристики используются для получения профилей распределения концентрации носителей заряда.

Автор в [14] представляет экспериментальные результаты по исследованию разрыва зоны проводимости в гетероструктурах 1пхОа1. хЛ8/ОаЛ8 с КЯ, полученные с помощью рассмотренной системы характеризации квантовых ям. Был изучен ряд образцов с различным содержанием 1пЛ8 в твердом растворе 1пхОа1-хЛ8 слоя квантовой ямы.

Л/Г,- ■.

0,4

0,0 0,1 0,2 ад 0,4 д1р

Рисунок 1.3 - Разрывы зоны проводимости в напряженных квантовых ямах InxGa1-xAs/GaAs как функция от состава твердого раствора, а именно молярной доли 1п; точками изображены экспериментально полученные

значения [14]

В р-п-структурах с квантовыми точками 1пЛ8/ОаЛ8, полученных методом эпитаксии из молекулярных пучков [15], с помощью данного метода были определены профили распределения эффективной концентрации дырок.

Наряду с преимуществами метод С-К-характеристик имеет и определенные ограничения. Метод требователен к геометрии и составу слоев структуры образцов. Предпочтительнее исследовать структуры с контактом Шоттки, так как в таких структурах слой объемного заряда при подаче обратного смещения расширяется только в одну сторону. Необходимо обеспечить такие толщину покровного слоя и концентрацию примеси в нем, чтобы квантово-размерный слой находился за пределами ОПЗ при нулевом напряжении смещения, а при оптимальных обратных напряжениях (3-5 В) граница ОПЗ достигала КЯ. В [12] показано, что для наиболее оптимальных результатов С-К-профилирования толщина

покровного слоя и концентрация носителей заряда в нем должны удовлетворять соотношению:

19 3

dcap•n = 1.8-10 нм-см- , где dcclp - толщина покровного слоя, п - концентрация свободных НЗ.

Метод С-К-характеристик не позволяет прямо определить значение энергий активации процессов эмиссии и захвата носителей заряда с уровнем КЯ и КТ. Для их определения используют численные методы подгонки теоретических результатов к экспериментальным, что вносит определенную погрешность в итоговый результат.

1.2. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней

Релаксационная спектроскопия, как метод исследования дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых барьерных структурах Шоттки, р-п-переходах, МДП-структурах, была предложена Лэнгом в 1974 г. [16]. В англоязычной аббревиатуре РСГУ известна как "Deep level transient spectroscopy" или сокращенно DLTS. В настоящее время РСГУ реализуется в различных вариантах: зарядовая (QDLTS), токовая (CDLTS или ТРСГУ), емкостная (РСГУ), оптическая (ODLTS), двойная (DDLTS), РСГУ с преобразованием Лапласа (LDLTS). Емкостная РСГУ стала в своем роде классической, но кроме нее широкое применение находит также токовая РСГУ [17-19].

Несмотря на более чем 40-летнюю историю существования, РСГУ-метод и по сей день остается одним из эффективных и востребованных методов исследования ГУ в полупроводниковых барьерных структурах. В последнее десятилетие РСГУ-метод получил свое развитие в применении к полупроводниковым наноструктурам [22].

1.2.1 Физические основы релаксационной спектроскопии глубоких уровней

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кусакин, Дмитрий Сергеевич, 2017 год

Список используемых источников

1. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1987. 239 с.

2. Кусакин Д.С., Литвинова В.С., Литвинов В.Г., Воробьев Ю.В., Рыбин Н.Б. Методика локального измерения электрической емкости фемтофарадного диапазона точечного барьерного контакта металл-полупроводник // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - Рязань, 2014. - Выпуск №50. - С. 122-125.

3. Абрамов В.Б., Карпанин О.В., Медведев С.П., Метальников А.М, Печерская Р.М. Исследование свойств полупроводников методом вольт-фарадных характеристик. Методические указания. - Пенза, 2004. - 43 с.

4. Пилипенко В.А., Пономарь В.Н., Горушко В.А., Борисевич Д.Д. Увеличение термостабильности пленок алюминия и его сплавов с использованием быстрой термообработки // Радиофизика и электроника. Вып. 3. Мн., 1997.

5. Микроанализ и растровая электронная микроскопия / Под. ред. Ф. Морис, Л. Мени, Р. Тиксье. М., 1985.

6. Пилипенко В.А., Пономарь В.Н., Горушко В.А., Солонинко А.А. Физические измерения в микроэлектронике / В.А.Пилипенко, В.Н.Пономарь, В.А.Горушко, А.А.Солонинко — Электрон. — Мн.: Научно-методический центр "Электронная книга БГУ", 2003.

7. Брунков П.Н. Емкостная спектроскопия электронных состояний в гетероструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками. Диссертация на соискание ученой степени д-ра физ.-мат. наук по специальности 01.04.10. «Физика полупроводников». СПб., 2007. 315 с.

8. Brounkov P.N., Konnikov S.G., Benyattou T., Guillot G. haracterization of subband levels in quantum well using capacitance-voltage technique // Phys. Low-Dim. Struct. 1995. V.10/11. P. 197-207.

9. Зубков В.И. Моделирование вольт-фарадных характеристик гетероструктур с квантовыми ямами с помощью самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона // ФТП. 2006. Т. 40. Вып. 10. С. 1236-1240.

10. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн. Кн. 1: пер. с англ. 2-е перераб. и доп. изд. М.: Мир, 1984. 456 с.

11. H. Kroemer, Wu-Yi Chien, J.S. Harris (Jr), D.D. Edwall. Measurement of isotype heterojunction barriers by C-V-profiling // Appl. Phys. Lett. 1980. Vol. 36. № 4. P. 295-297.

12. Зубков В.И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. СПб.: ООО «Техномедия». Изд-во «Элмор», 2007. 220 с.

13. Johnson W. C., Panousis P.T. The influence of Debye length on the CV measurement of doping profiles // IEEE Trans. Electr. Dev. ED-18. Vol. 18. P. 965-973.

14. Зубков В.И. Диагностика гетероструктур с квантовыми ямами InxGa1-xAs/GaAs методом вольт-фарадных характеристик: разрывы зон, уровни квантования, волновые функции // ФТП. 2007. Т. 41. Вып. 3. С. 331 -337.

15. Соболев М.М., Ковш А.Р., Устинов В.М., Егоров А.Ю., Жуков А.Е., Мусихин Ю.Г. Емкостная спектроскопия глубоких состояний в InAs/GaAs-гетероструктурах с квантовыми точками // ФТП. 1999. Т. 33. Вып. 2. С. 184 -193.

16. Lang D.V. Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductor // J Appl. Phys. 1974. V. 45. No. 7. P. 30233032.

17. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука, 1981. 176 с.

18. Денисов А.А., Лактюшкин В.Н., Садофьев Ю.Г. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней // Обзоры по электронной технике. 1985. Сер. 7. Вып. 15(1141). 52 с.

19. Кузнецов Н.И. Токовая релаксационная спектроскопия глубоких уровней (i-DLTS) // ФТП. 1993. Т. 27. Вып. 10. С. 1674-1679.

20. Левин М.Н., Бормонтов А.Е.. Ахкубеков А.Э., Татохин Е.А. Спектроскопия глубоких уровней методом Laplace-DLTS. Кинетика ионизации метастабильных центров // Конденсированные среды и межфазные границы. 2010. Т. 12. №2. С. 133-142.

21. Литвинов В.Г., Гудзев В.В., Милованова О.А., Рыбин Н.Б. Релаксационная спектроскопия полупроводниковых микро- и наноструктур // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. -Рязань, 2009. - №4 (выпуск 30). - С. 62-70.

22. Рыбин Н.Б. Исследование полупроводниковых наногетероструктур методами токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук по специальности 01.04.10. «Физика полупроводников». Рязань, 2011. 157 с.

23. Broniatowski A., Blosse A., Srivastava P.C., Bourgoin J.C. Transient capacitance measurements on resistive samples // J. Appl. Phys. 1983. V. 54. P. 2907-2910.

24. Вывенко О.Ф., Истратов А.А. Оптимизация корреляционной процедуры в методах термостимулированной релаксационной спектроскопии полупроводников // ФТП. 1992. Т. 26. Вып. 10. С. 1693-1700.

25. Астрова Е.В., Лебедев А.А., Лебедев А.А. Влияние последовательного сопротивления диода на нестационарные емкостные измерения параметров глубоких уровней // ФТП. 1985. Т. 19. Вып. 8. С. 1382-1385.

26. Антонова И.В., Шаймеев С.С. Температурная зависимость амплитуды пика DLTS в кремнии с глубокими центрами // ФТП. 1991. Т. 25. Вып. 5. С. 847-851.

27. Бургуэн Ж., Ланно М. Точечные дефекты в полупроводниках. Экспериментальные аспекты: пер. с англ. М.: Мир, 1985. 304 с.

28. Татохин Е.А., Канадцев А.В., Бормонтов А.Е., Задорожний В.Г. Статический метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниках // ФТП. 2010. Т. 44. Вып. 8. С. 1031 - 1037.

29. Берман Л.С. Анализ сигналов релаксации емкости, состоящих из нескольких экспонент // ФТП. 1998. Т.32. Вып. 6 . С. 688.

30. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. // Российская академия наук, Институт физики микроструктур. - Нижний Новгород. - 2004 г. - 114 с.

31 . В.К.Неволин - "Основы туннельно-зондовой нанотехнологии: Учебное пособие", Москва, МГИЭТ (ТУ), 1996, 91 с.

32 . J.G.Simons -Electric tunnel effect between dissimilar electrodes separated by a thin insulating film // J. Appl. Phys., 34, 2581 (1963).

33 . Г.Е.Пикус - "Основы теории полупроводниковых приборов", М.: Наука, 1965, 448 с.

34. R.M.Feenstra, V.Ramachandran, H.Chen - Recent development in scanning tunneling spectroscopy of semiconductor surfaces. // Appl. Phys., A 72, p. 193 - 199 (2001).

35. Балагуров Д.Б., Ключник А.В., Лозовик Ю.Е. Теория сканирующей емкостной микроскопии // Физика твердого тела. Т. 42. Вып. 2. С. 361 - 366.

36. Conductive AFM probes ETALON series [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.ntmdt-tips.com/products/group/ha-cond [10.02.2014].

37. A.C. Diebold, M.R. Kump, J.J. Kopanski, D.G. Seiler. J. Vac. Sci. Techol. B14, 1, 196 (1996).

38. G. Neubauer, A. Erickson, C.C. Williams, J.J. Kopanski, M. Rogers, D. Adderton. J. Vac. Sci. Techol. B14, 1, 426 (1996).

39. A. Erickson, L. Sadwick, G. Neubauer, J.J. Kopanski, D. Adderton, M. Rogers. J. Electr. Mat. 25, 2, 301 (1996).

40. K. Goto, K. Hane. Rev. Sci. Instrum. 68, 1, 120 (1997).

41. Быков В.А., Лосев В.В., Саунин С.А. Труды Всероссийского совещания «Зондовая микроскопия-09» Нижний Новгород. 1999 г.

42. S. Watanabe, K. Hane, T. Ohye, M. Ito, T. Goto. J. Vac. Sci. Technol. B11, 5, 1774 (1993).

43. Поляков В.В. Контактная сканирующая емкостная микроскопия большеразмерных образцов // Научное приборостроение. Т. 19. № 3. 2009. С. 62-66.

44. Lee D.T., Pelz J.P., Brushan B. Instrumentation for Direct, Low Frequency Scanning Capacitance Microscopy, and Analysis of Position Dependent Stray Capacitance // Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73, N 10. P. 3525-3533.

45. Kimura K. et al. Two-Dimensional Dopant Profiling by Scanning Capacitance Microscopy // Applied Surface Science. 2003. V. 210. P. 93-98.

46. Патент США № 7023220, 19.10.2004.

47. Appl. Phys. Lett. 58, 2921 (1991).

48. Кельвин-Зондовая Силовая Микроскопия [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.ntmdt.ru/spm-principles/view/kelvin-probe-microscopy [12.02.2015].

49. Shijie Wu, Jing-Jiang Yu Attofarad Capacitance Measurement with Scanning Microwave Microscopy. Application Note. - Agilent Technologies. 2010. 5990-5702EN.

50. Гордиенко Ю.Е., Мельник С.И., Петров В.В., Слипченко Н.И. Реализация новых направлений повышения пространственной разрешающей способности микроволновой микроскопии полупроводников // СВЧ-техника

и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо 2007): Матер. XVII Междунар. Крымской конф. - Севастополь, 2007. - С. 547-548.

51. S. Wu Scanning Microwave Microscopy: Unique Method Enables Measurements at the Nanoscale // Nanoindustry. Выпуск №3. 2014.

52. Wenhai Han Introduction to Scanning Microwave Microscopy Mode. Application Note. - Agilent Technologies. 208. 5989-88841EN.

53. Мельник С.И., Гордиенко Ю.Е. Методика микроволновой сканирующей томографии электрофизических свойств полупроводников // Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology. Украина, 2010. - С. 721 - 722.

54. Резник А. Н., Юрасова Н. В. Ближнепольная СВЧ томография биологических сред. ЖТФ. 2004. Том 74. Вып. 4. c. 108-116.

55. 4052J.R.Matey, J.Blanc, Scanning capacitance microscopy, J.Appl.Phys. 57(1985)1437-1444.

56. H. Yamamoto, T. Takahashi, I. Kamiya, Local capacitance measurements on InAsdot-covered GaAssurfaces by scanning capacitance microscopy, Appl.Phys.Lett. 77(2000)1994-1996R.

57. R.I. MacCuspie, N. Nuraje, S.Y. Lee, A. Runge, H. Matsui, Comparison of Electrical Properties of Viruses Studied by AC Capacitance Scanning Probe Microscopy, J. Am. Chem. Soc. 130(2008)887.

58. Анкудинов А.В. Диагностика наноустройств методами Сканирующей Зондовой микроскопии. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.01 «Приборы и методы экспериментальной физики». Санкт-Петербург, 2015 г. 297 с.

59. Вишняков Н.В., Литвинов В.Г., Милованова О.А., Рыбин Н.Б. Способ исследования энергетического спектра электронных состояний и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2415389.

60. Зондовая лаборатория NTEGRA. Руководство пользователя / ЫТ-MDT, 2005. 131 с.

61. Быков В.А., Быков А.В., Мягков И.В., Трегубов Г.А., Поляков В.В. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии. Патент на изобретение № 2289862.

62. Толкач Н.М., Воробьев Ю.В., Рыбин Н.Б. Повышение точности методов атомно-силовой микроскопии // Труды VII всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению. 2014. С. 39-42.

63. Мошников В.А., Спивак Ю.М., Алексеев П.А., Пермяков Н.В. Атомно силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур // Учеб. Пособие. СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014 г. 144 с.

64. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем // М., Мир, 1989. — 630 с.

65. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям // М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1971. 576 с.

66. Корн Т., Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: «Наука», 1974. - 831 с.

67. Берман Л.С. Емкостные методы исследования полупроводников // Изд. «Наука», Ленинград, 1972. 104 с.

68. Кусакин Д.С., Литвинов В.Г., Ермачихин А.В. Измерительно-аналитический комплекс для локального исследования вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик полупроводников // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2016. № 2 (выпуск 56). С. 177-181.

69. Ермачихин А.В. Исследование полупроводниковых наноструктур на основе систем 1пОаАв/ОаАв, 1пАв/1пОаАв/ОаАв и микроструктур на основе соединения Ое2ЗЬ2Те5 методов спектроскопии низкочастотного шума.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук по специальности 01.04.10. «Физика полупроводников». Рязань, 2014. 191 с.

70. Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Винокуров Д.А., Соколова З.Н. и др. Сверхнизкие внутренние оптические потери в квантово-размерных лазерных гетероструктурах раздельного ограничения // ФТП. - 2004. - Т.38. - Вып. 12.

- С. 1477-1487.

71. Винокуров Д.А., Зорина С.А., Капитонов В.А., Мурашова А.В. и др. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раз-дельного ограничения // ФТП. - 2005. - Т. 39. - Вып. 3. -С. 388-393.

72. Chavarkar P., Mathis S., Zhao L., Keller S., Speck J., Mishra U. Strain relaxation in InGaAs lattice engineered substrates // J. Electron. Mater. - 2007. -Vol. 29. - № 7. - Р. 944-949.

73. Ballingall J.M., Martin P.A., Mazurowski J., Ho P., et al. Pseudomorphic InGaAs high electron mobility transistors // Thin Sol. Films. - 1993. - V. 231. - I. 95. - P. 95-106.

74. Heun S., Paggel J.J., Sorba L., Rubini S., et al. Strain and surface morphology in lattice-matched ZnSe/InxGa1-xAs heterostructures // J. Appl. Phys.

- 1998. - V. 83. - Р. 2504-2511.

75. Pikhtin N.A., Slipchenko S.O., Sokolova Z.N., Stankevich A.L., et al. 16 W continuous-wave output power from 100-^m aperture laser with quantum well asymmetric heterostructure // Electron. Lett. - 2004. - V. 40. - I. 22. - Р. 14131414.

76. Teterin P.E., Averyanov D.V., Sadofyev Y.G., Parfenov O.E., Likhachev I.A., Storchak V.G. Growth of Euo/Si and Euo/Sro/Si heteroepitaxial structures by molecular-beam epitaxy // Semiconductors. 2015. Т. 49. № 1. С. 130-133.

77. Литвинов В.Г., Ермачихин А.В., Кусакин Д.С. DLTS исследование диода Шоттки на основе гетероструктуры InGaAs/GaAs с квантовой ямой

// Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. №2 (выпуск 44). Рязань. 2013 г. С. 91 - 96.

78. Петровская А.Н., Зубков В.И. Вольт-фарадные измерения гетероструктур с квантовыми ямами InGaAs/GaAs в диапазоне температур от 10 до 320 K // Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып. 10. С. 1368 - 1373.

79. Зубков В.И., Яковлев И.Н., Литвинов В.Г., Ермачихин А.В., Кучерова О.В., Черкасов В.Н. Анализ электростатического взаимодействия зарядов в множественных квантовых ямах InGaAs/GaAs методами спектроскопии адмиттанса // Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 7. С. 944 - 950.

80. Устройство солнечной батареи. Виды солнечных панелей [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.helios-house.ru/ustrojstvo-sb.html [20.06.2017].

81. Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.gigavat.com/ses_battery.ph p [20.06.2017].

82. Jiahe Chen Recent Developments on Silicon Based Solar Cell Technologies and their Industrial Applications // Energy Efficiency Improvements in Smart Grid Components. P. 271/-292

83. Kusakin D.S., Litvinov V.G., Rybin N.B., Ermachikhin A.V., Gudzev V.V., Shchelushkin V.N., Khudysh A.I. Local investigation of capacitance-voltage characteristics of silicon solar cell with the modified surface // Proceeding 2017 6th Mediterranean conference on embedded computing (MECO). Bar, Montenegro. 11-15 june 2017. P. 324-327.

84. Clarysse T., Wolf P. De, Bender H, Vandervorst W. Recent insights into the physical modeling of the spreading resistance point contact // Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena. 1996. № 14. P. 358-368.

85. Sader J. E., Chon J. W. M., Mulvaney P. Calibration of rectangular atomic force microscope cantilevers // Rev. Sci. Instrum. 70, 3967 (1999).