Исследование структур металл-полупроводник

Исследование структур металл-полупроводник

Исследование структур металл-полупроводник вольтфарадным методом

Целью настоящей работы является изучение теории контактов «металл-полупроводник» и метода вольтфарадных характеристик таких контактов; измерение вольтфарадных характеристик и определение по ним высоты потенциального барьера и концентрации легирующей примеси.

Работа продолжается четыре академических часа в аудитории и два академических часа – самостоятельная работа студента: подготовка конспекта описания, написание отчета и подготовка к ответам на контрольные вопросы.

Персональный компьютер с ППО, хранящемся на жестком диске; измеритель L,C,R Е7-12; устройство зондовое, содержащее микроскоп МБС-9, контактный стол, зондодержатель с зондом; блок питания Agilent E3634A; форвакуумный насос. Измеритель Е7-12 управляется через параллельный интерфейс, блок питания управляется через интерфейс USB–GPIB; кассеты с измеряемыми пластинами; пинцет.

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 - 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.

где eV _n =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 и не зависит от положения уровня Ферми.

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 е j_B (рис.1,б), 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

Величина

- контактная разность потенциалов. Из (2) следует, что

То есть 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.

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 (21).

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

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.

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

2 - блок согласования собственной разработки, содержащий программируемый источником напряжения, позволяющий прикладывать к измеряемой структуре напряжение в диапазоне от –10 В до +10 В с шагом от 0.01 В и более, и устройство согласования;

4 - камера измерительная с устройством зондовым и микроскопом;

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

В качестве объекта измерений служит часть пластины (n-n⁺-эпитаксиальной структуры GaAs), которая расплавленным индием закреплена на носителе – низкоомной пластине кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 0.01 Ом·см. Поперечное сечение такой структуры с барьером Шоттки схематично представлено на рис.6.

Кремниевый носитель вносит дополнительное последовательное сопротивление, увеличивая значение R _S.

Контакт к подложке такой структуры осуществляется с ее обратной стороны от контактного стола, однополюсная вилка от контактного стола вставляется в дальнее от измерителя гнездо на устройстве зондовом. Контакт к барьерному электроду – при помощи зонда, однополюсная вилка от которого вставляется в ближнее к измерителю гнездо на устройстве зондовом. Ближнее гнездо подключено к входам измерителя Е7-12 I, U, а дальнее гнездо - к входам измерителя I^*, U^*.

Материал подложки, площадь и материал затвора (металлического электрода) сообщаются отдельно. Контакт к подложке осуществляется с ее обратной стороны при помощи контактного стола, контакт к барьерному электроду (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. Следует учитывать, что кремниевый носитель вносит дополнительное последовательное сопротивление, увеличивая значение R _B.

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;

- вывод результатов измерения в графическом виде,

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;

- вывод результатов измерения в графическом виде,

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

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.

Исследование структур металл-полупроводник

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: