Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ физических основ методов исследования электрофизических свойств полупроводниковых структур 12
1.1 Электрофизические методы исследования полупроводниковых структур
1.1.1 Метод вольт-фарадных характеристик. Физические основы метода
вольт-фарадных характеристик 13
1.1.2 Применение метода вольт-фарадных характеристик для исследования свойств полупроводниковых наноструктур 17
1.2. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней 21
1.2.1 Физические основы релаксационной спектроскопии глубоких уровней
1.2.2 Особенности реализации метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней 27
1.3 Методы исследования с использованием Сканирующего Зондового Микроскопа 29
1.3.1 Вольт-амперные характеристики контакта металл-полупроводник 30
1.3.2 Сканирующая емкостная микроскопия 31
1.3.3 Метод Зонда Кельвина 34
1.3.4 Сканирующая микроволновая микроскопия 36
1.4 Другие методы исследования электрофизических параметров полупроводниковых структур с помощью СЗМ 39
Выводы 44
Глава 2. Методика локального измерения распределения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковом материале с помощью исследования токового отклика в цепи точечного электрического контакта 45
2.1 Обоснование выбора методики для локального исследования концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых структурах
2.2. Электромеханическая модель точечного барьерного контакта металл – полупроводник 48
2.3. Анализ свойств точечного барьерного контакта металл-полупроводник 51
2.4. Анализ условий проведения эксперимента зависимости емкости точечного контакта от напряжения по токовому отклику структуры 63
2.5. Описание измерительной установки для локального измерение вольт фарадных характеристик полупроводниковых материалов и структур 66
Выводы 72
Глава 3. Исследование профиля концентрации носителей заряда в полупроводниковых диодных структурах с квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs 74
3.1 Обоснование выбора образцов для исследования профиля концентрации носителей заряда в полупроводниковых диодных структурах с квантовыми ямами 74
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 77
3.4 Локальные ВФХ и ВАХ структуры с квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs
3.4.1 Выбор проводящего зонда АСМ 81
3.4.2 Анализ поверхности тестового образца 85
3.4.3 Вольт-амперные характеристики диодной структуры с КЯ 87
на основе InGaAs/GaAs 87
3.4.4 Локальные вольт-фарадные характеристики диодной структуры с квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs 89
Выводы 97
Глава 4. Локальное исследование профиля концентрации носителей заряда кремниевой структуры с развитым рельефом поверхности для изготовления солнечных элементов 98
4.1 Солнечные элементы на основе кремния 98
4.2 Описание образцов 102
4.3 Выбор условий и зонда для проведения исследований 103
4.4 Анализ поверхности тестового образца и обоснование выбора места формирования контакта 107
4.5 Локальные C-V-характеристики тестовой структуры 108
Выводы 113
Заключение 114
Список используемых источников 116
- Применение метода вольт-фарадных характеристик для исследования свойств полупроводниковых наноструктур
- Электромеханическая модель точечного барьерного контакта металл – полупроводник
- ВФХ и ВАХ диодной структуры с квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs с помощью классических электрофизических методов
- Выбор условий и зонда для проведения исследований
Применение метода вольт-фарадных характеристик для исследования свойств полупроводниковых наноструктур
Релаксационная спектроскопия, как метод исследования дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых барьерных структурах Шоттки, p-n-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].
Классический метод РСГУ [16] состоит в следующем: исследуемая структура, предварительно охлажденная до низких температур (10-200 К), плавно нагревается и в процессе нагрева периодически переводится в неравновесное состояние. Релаксация неравновесного заряда глубоких уровней (ГУ) контролируется по разности значений выбранного для измерений параметра в момент времени t1 и t2 после каждого из заполнений. Соотношение скорости нагрева, времен регистрации, периодичность циклов заполнения выбираются такими, что в интервале времени структура находится в квазиизотермических условиях [20].
Из-за использования в методике РСГУ процедуры регистрации релаксационных процессов, обусловленных эмиссией носителей заряда (НЗ) с ГУ, РСГУ приблизила методы термостимулированной деполяризации (ТСД), термостимулированных токов (ТСТ), термостимулированной емкости (ТСЕ) и другие к спектрометрическим [18]. В основе РСГУ лежит изучение изменения емкости, тока или заряда диода Шоттки или p-n-перехода при изменении заселенности НЗ ГУ в области пространственного заряда (ОПЗ) под действием внешних факторов (напряжения и/или освещения) [16-18]. При всем вышесказанном стоит принимать допущения:
1. рассмотрим диод с базой n-типа проводимости: в ОПЗ шириной w и электронейтральной базе диода имеются одинаковые дефекты с ГУ или глубокими центрами (ГЦ) с концентрацией Nt, причем каждый ГЦ может как захватывать один электрон, так в дальнейшем и отдавать захваченный электрон. ГЦ соответствует энергетический уровень Et в запрещенной зоне базы полупроводниковой барьерной структуры (рисунок 1.4, а). Выполняется равенство EF-Et 4kT, где EF - уровень Ферми, к -постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура;
2. чтобы упростить расчеты полагают, что уровень Et заполнен электронами только там, где он располагается ниже уровня Ферми;
3. концентрации «мелкой» легирующей примеси ND и ГЦ Nt распределены равномерно по всей области пространственного заряда и области электрической нейтральности (ОЭН);
4. ОПЗ полупроводника в приближении полного обеднения обладает бесконечно большим сопротивление. Это означает, что ОПЗ по своей сути эквивалентно идеальному диэлектрику. При х = w0 плотность объемного заряда р(х) резко изменяется от значения eND до нуля, где е -элементарный заряд (рисунок 1.4, а) [21].
При использовании емкостной РСГУ на структуру (диод) вместе с обратным смещением подается высокочастотное синусоидальное напряжение и измеряют величину барьерной емкости [22]. В диодных структурах проведению емкостных измерений могут препятствовать высокое сопротивление областей квазинейтральной базы и омического контакта [23-26]. При определении концентрации и распределения ГУ, энергий ионизации и сечений захвата это очень часто приводит к ошибкам.
При использовании ТРСГУ на диодную структуру кроме обратного смешения других сигналов не подается. При этом измеряется только величина тока. Устройства на основе ТРСГУ отличаются большей простотой реализации по сравнению с емкостной РСГУ [18, 19]. Преимущество ТРСГУ перед емкостной РСГУ заключается в том, что она обладает большей чувствительностью по концентрации ловушек при времени релаксации менее 1 мс [18].
Несмотря на то, что диодная структура при обратном смещении не находится в равновесии, все равно используется статистика Шокли-Рида [16-18].
Электромеханическая модель точечного барьерного контакта металл – полупроводник
Для определения распределения концентрации свободных носителей заряда (или величины NDM – NAM, где NDM и NAM – концентрация мелкой донорной или акцепторной примеси, соответственно) в полупроводниковых барьерных структурах используется зависимость электрической емкости от электрического напряжения, т.е. метод вольт-фарадных характеристик. Образец должен представлять диод Шоттки или p-n-переход. Минимальные размеры контакта определяются размерами острия используемых зондов в измерительной ячейке. Барьерная емкость оказывается связанной с величиной концентрации свободных носителей заряда на границе области пространственного заряда (ОПЗ) в базе исследуемой барьерной (диодной) структуры. Границу ОПЗ можно смещать, изменяя величину обратного напряжения на образце, и тем самым осуществлять так называемое C-V профилирование [10]. Получаемая зависимость концентрации свободных носителей заряда (СНЗ) от координаты в глубине базы или профиль концентрации оказывается усредненной по всей площади барьерного контакта [22].
При изучении электрофизических свойств отдельных нанообъектов или группы нанообъектов необходимо, чтобы размер электрического контакта к образцу был соизмерим с характерным размером тестовых нанообъектов, например, диаметром квантовой точки или квантовой проволоки. Также для проведения измерений необходимо применять методы и аппаратуру, которые обладают достаточной чувствительностью к измеряемым малым величинам электрического тока (1 фА – 100 нА), напряжения ( 1 нВ), электрической емкости ( 10 аФ) и др. Также необходимо учитывать влияние квантовых размерных эффектов.
Данная глава посвящена разработке методики локального измерения распределения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковом материале с помощью исследования токового отклика в цепи точечного электрического контакта, образованного проводящим зондом атомно-силового микроскопа и образцом, при внешнем воздействии электрическим напряжением.
Для создания точечного барьерного контакта с характерными размерами нанометровой области предлагается использовать проводящий зонд атомно-силового микроскопа [59]. Желательно использовать цельнометаллические проводящие зонды (например, Pt или PtIr), так как при проведении исследований плотность тока на кончике проводящего зонда может достичь таких значений, что проводящее покрытие будет разрушаться из-за перегрева, и дальнейшее проведение электрических измерений станет невозможным. Применение в контактном режиме проводящего зонда позволяет сформировать точечный барьерный или омический контакт к поверхности образца. В настоящее время проводящие зонды АСМ имеют радиус закругления 10-100 нм. Атомно-силовой микроскоп может использоваться для поиска исследуемого объекта или выбора места контакта при сканировании поверхности образца и подвода зонда в нужную точку. Кроме того, в АСМ возможно подключение внешнего дополнительного оборудования (генератора, векторного анализатора цепей, осциллографа, различного рода преобразователей, источника питания, RLC-метра) непосредственно к зонду, что делает возможным исследование изменения электрической емкости, заряда, тока через структуру от внешних воздействий, в режиме реального времени в исследуемой структуре [60]. Измеряемые изменения электрической емкости при изменении электрического напряжения позволяют судить о распределении концентрации свободных носителей заряда по структуре. На практике находят производную dC/dV емкости системы проводящий зонд АСМ – образец при некотором постоянном напряжении на контакте зонд – образец [43]. Несмотря на все известные достоинства, техника АСМ имеет определенные недостатки, затрудняющие реализацию метода локальной ВФХ. К таким недостаткам относится наличие паразитной электрической емкости между зондом и окружающей средой порядка 0,5 пФ [43], в то время, как значения электрической емкости (будем называть ее в дальнейшем полезной емкостью) точечного контакта между острием проводящего зонда и поверхностью проводящего образца, покрытой тонким слоем диэлектрика, лежат в диапазоне десятков аФ – единиц фФ [Поляков]. Проблемой остается термодрейф зонда, ограничивающий время измерения емкости. Влияние этих факторов можно снизить при использовании быстродействующих измерительных схем для регистрации малых электрических сигналов – тока, напряжения или емкости, а также алгоритмов компенсации паразитной емкости [43, 61], термодрейфа зонда во времени [62].
При уменьшении размеров электрического контакта до величины, соизмеримой с дебаевской длиной экранирования или длиной волны де Бройля свободных носителей заряда изменяется характер распределения электрического поля и потенциала. В плоском барьерном контакте с размерами, существенно превышающими длину Дебая, распределение электрического поля является однородным, линии электрического поля за исключением краевых областей контакта параллельны друг другу [10]. В точечном электрическом омическом или барьерном контакте линии напряженности электрического поля расходятся как бы из одной точки, распределение электрического потенциала в первом приближении считается сферически симметричным. С другой стороны при уменьшении размеров образца и контактов необходимо учитывать квантово-размерные эффекты. Таким образом, для локального исследования концентрации свободных НЗ в полупроводниковых материалах и структурах с использованием электрических сигналов, подводимых с помощью проводящего зонда для осуществления точечного электрического контакта необходимо уточнение основных математических соотношений для описания физической модели электрического барьерного контакта с учетом влияния размеров контакта на однородность распределения электрического поля.
ВФХ и ВАХ диодной структуры с квантовыми ямами на основе InGaAs/GaAs с помощью классических электрофизических методов
На рисунке 2.14 представлена структурная схема установки для локального исследования электрофизических свойств полупроводниковых структур с использованием сканирующего зондового микроскопа. Измерительная ячейка представляет собой базовый блок атомно-силового микроскопа со специально изготовленным измерительным столиком, адаптированном для подключения к проводящему зонду и образцу внешних приборов: генератора и быстродействующего преобразователя ток-напряжение. Пунктирной линией на рисунке 2.14 выделено дополнительное оборудование, подключенное к зондовой системе АСМ для проведение измерений локальных вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур.
С помощью контроллера осуществляется управление зондовой системой АСМ: подвод/отвод проводящего зонда к поверхности исследуемого образца, сканирование поверхности исследуемого образца в целях поиска места на поверхности образца, где будет осуществляться электрический контакт и проводиться измерение токового отклика [68]. Управление сканированием осуществляется с помощью специализированной программы, установленной на ПЭВМ. ПЭВМ подключена к контроллеру, используемому для управления АСМ.
Характеристики разработанной измерительной установки приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Характеристики измерительной установки для исследования локальных ВФХ Параметр Значение Диапазон измеряемой емкости 100 аФ…100 пФ Диапазон измеряемого тока (постоянной составляющей) 1 пА…10 мкА Диапазон напряжений -5… +5 В Диапазон dU/dt 0,1…105 В/с Преобразователь ток-напряжение I-U (коэффициент преобразования может изменяться от 105 до 2107 Ом) спроектирован на базе быстродействующего операционного усилителя LTC6244HV с уровнем входного тока до 1 пА. Так как возможен термодрейф зонда, то необходимо увеличить быстродействие преобразователя ток-напряжение Выбор коэффициента усиления осуществляется для конкретно выбранного образца с учетом уровней сигналов. Для минимизации паразитной емкости соединений преобразователь ток-напряжение был помещен непосредственно в корпус измерительного столика АСМ (рисунок 2.14) [2]. Измерительный столик помещен в штатную измерительную головку АСМ NTegra Aura (рисунок 2.15). При необходимости данный измерительный столик можно поместить в штатную измерительную головку другого АСМ (например, Solver Pro или Смена-В из линейки микроскопов компании NT-MDT).
С генератора импульсов напряжения Г (рисунок 2.14) непосредственно на исследуемый образец подаются импульсы пилообразной формы (рисунок 2.13). Электрический ток через образец и проводящий зонд поступает на преобразователь ток-напряжение. Далее сигнал в виде релаксационных импульсов напряжения поступает на АЦП в ПЭВМ.
Для управления генератором сигнала и оценки полученных результатов в среде инженерно-графического программирования LabVIEW было создано специализированное ПО. С преобразователя ток-напряжение и с генератора Г через вспомогательный модуль NI BNC 2120 сигналы идут на модуль сбора данных NI PCIe-6361, находящийся непосредственно в корпусе ПЭВМ. Управление генератором осуществляется непосредственно через модуль сбора данных без вспомогательных модулей [68]. Рисунок 2.16 – «Измерительная головка» АСМ с установленным измерительным столиком: 1 – штатная измерительная головка АСМ, 2 – разработанный измерительный столик Лицевая панель виртуального прибора включает в себя ряд окон (рисунок 2.17). В окнах отображаются действующие мгновенные значения сигнала с генератора и сигнал отклика тока через образец после прохождения через преобразователь напряжения, усредненные сигналы с подавлением шумов. Рисунок 2.17 – Фрагмент лицевой панели виртуального прибора: а – выходной сигнал с генератора Г, б – усредненных выходной сигнал с генератора, в – выходной сигнал с тестовой структуры, г – усредненный выходной сигнал с тестовой структуры На рисунке 2.18 представлена блок-диаграмма разработанной программы в среде инженерно-графического программирования LabVIEW, автоматизирующей работу комплекса.
Перед началом работы оператор в окне устанавливает параметры для измерений: период и амплитуду пилообразного импульса напряжения с генератора. Вначале происходит измерение квазистатической вольт амперной характеристики (ВАХ) для определения тока утечки при заданной величине постоянного напряжения. После этого появляется команда настроить сигналы для измерения токового отклика, постоянной составляющей в сигнале токового отклика. Для уменьшения уровня шума предусмотрена установка количества усреднений. Из постоянной Блок-диаграмма программы управления комплексом составляющей в токовом отклике вычитается постоянная составляющая, обусловленная током утечки, измеренном ранее.
Полученный результат делится на величину dU/dt и получается величина электрической емкости. Изменение постоянной составляющей напряжения смещения позволяет измерить локальную C-V-характеристику. В начальный момент времени происходит съем постоянной составляющей тока. В дальнейшем происходит съем токового отклика при изменении постоянной составляющей напряжения (скорость нарастания определяется экспериментальным путем перед началом эксперимента). Полученные значения тока используются для расчета емкости из выражения (2.16).
Выбор условий и зонда для проведения исследований
При производстве солнечных элементов (СЭ) постоянно решается проблема улучшения качественных характеристик. Основной важнейшей характеристикой СЭ является эффективность преобразования световой энергии в электрическую. На эффективность преобразования оказывают влияние различные факторы. Одним из таких факторов является наличие электрически и оптически активных дефектов структуры, создающие генерационно-рекомбинационные энергетические уровни в запрещенной зоне, вследствие чего эффективность преобразования солнечной энергии будет уменьшаться по сравнению с идеальным бездефектным диодом.
В связи с этим появляется необходимость в контроле поверхности полупроводниковых материалов, примесей и дефектов в структуре полупроводника, а также контроль электрофизических параметров активных областей структур для СЭ. Результаты приведенных выше исследования позволяют внести коррективы в технологию изготовления СЭ, что в дальнейшем позволит повысить эффективность и надежность конечного солнечного элемента.
Солнечные элементы (СЭ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СЭ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности, такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе [80].
Различают два основных типа кремниевых СЭ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. Эффективность СЭ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Максимально возможный теоретический передел 30% [80].
На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рисунок 4.2, а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рисунок 4.2, б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.
Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) в начальный момент освещения; б) изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДС [81]
Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий [81]: 1. оптический коэффициент поглощения активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя; 2. генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя; 3. солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе; 4. полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для 100 того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы; 5. структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
В работе [82] автором представлены основные этапы технологии изготовления солнечных элементов на основе монокристаллического кремния.
Структура и процесс изготовления СЭ на основе монокристаллического кремния: а – схема поперечного сечения СЭ; б – основные этапы технологии [82] Интерес представляет информация о формировании p-n-перехода структурированной поверхности, а также информация о влиянии рельефа на равномерность распределения легирующей примеси по поверхности образцов.
В качестве тестовых образцов использовались структуры, прошедшие 1 и 2 процедуры технологии (рисунок 4.3).
В качестве экспериментальных образцов выбраны пластины p-Si с концентрацией бора 1017 см-3, прошедшие процедуру текстурирования поверхности методом жидкостного химического травления (рисунок 4.4). Текстурирование кремния с помощью раствора гидроокиси калия и изопропилового спирта. Далее структура подвергалась температурной обработке при температуре 83 градуса Цельсия. Диффузию фосфора проводили при температуре 830 градусов в течение 3 мин из газовой фазы оксихлорида фосфора (POCl3). В результате проведения диффузии фосфора на поверхности кремниевой пластины толщиной около 200 мкм формируется слой n-типа, проникающий на глубину около 0,5 мкм с концентрацией фосфора на поверхности порядка 1020 см-3.
Таким образом, p-n-переход залегает у самой поверхности солнечного элемента. Это сделано для того, чтобы носители заряда различных знаков, сгенерированные под действием излучения, как можно скорее попали в зону влияния p-n-перехода, иначе они просто рекомбинируют, и не дадут никакого вклада в генерацию электрического тока.
Текстурирование гладкой поверхности СЭ использовалось для повышения коэффициента поглощения света. Так как поверхность образца сильно развита, проведение измерений профиля распределения концентрации свободных НЗ обычным C-V-методом не позволяет получить данные об особенностях распределения профиля концентрации в различных точках модифицированной поверхности образца: на вершинах пирамид, во впадинах между пирамидами [83]. В связи с этим использовался описанный во 2-ой главе измерения локальных C-V-характеристик.