Автоматизированная измерительная система для измерения вольт-фарадных характеристик гетероструктур

AUTOMATED MEASURING SYSTEM FOR MEASUREMENT OF CAPACITANCE-VOLTAGE  CHARACTERISTICS OF HETEROSTRUCTURES

Roman Pavlov

master student, NSTU, Russia, Novosibirsk

Аннотация. В данной работе представлен метод получения вольт-фарадных характеристик полупроводниковых гетероструктур. Была разработана автоматизированная измерительная система для измерения емкости гетероструктуры с использованием внешнего напряжения. В состав измерительной системы входит измеритель иммитанса Е7-20, программируемый генератор произвольной формы ГСПФ-053.

Abstract. This paper presents a method for obtaining the capacitance – voltage characteristics of semiconductor heterostructures. An automated measuring system was developed for measuring the capacitance of a heterostructure using an external voltage. The measuring system includes an E7-20 immitance meter, a programmable arbitrary shape generator GSPF-053.

Ключевые слова: гетероструктура; автоматизированная измерительная система; вольт-фарадная характеристика.

Keywords: heterostructure; automated measuring system; capacitance-voltage characteristics.

ВВЕДЕНИЕ

Современная электрофизика полупроводников немыслима без измерений вольт-фарадных характеристик (ВФХ) или т.е. CV-метрии, что подразумевает измерение емкости как функции от приложенного напряжения смещения. Именно эти измерения дают возможность быстрого определения базовых параметров слоев полупроводников и диэлектриков, которые затруднительно измерить прямыми методами [1]. Метод ВФХ применяется для контроля концентрации носителей тока в эпитаксиальных слоях, выращенных на сильнолегированной и изолирующей подложке, и позволяет получать профили распределения основных носителей заряда в базе диода Шоттки, p-n-перехода, в квантово-размерной структуре вблизи слоев квантовой ямы или квантовых точек.

Метод вольт-фарадных характеристик отличается от многих других тем, что исследуется не монолитный полупроводник, а структура на основе полупроводникового материала, обладающая электрической емкостью. К таким структурам относятся: p-n-переход, металл-проводник, металл-диэлектрик полупроводник (МДП-структура) [3].

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].

Постановка задачи

Целью данной работы является разработка автоматизированной измерительной системы для локального исследования вольт-фарадных характеристик полупроводниковых гетероструктур. Также предполагается разработка программного обеспечения для управления измерительной системы, проверка работоспособности системы на тестовых образцах.

Теоретическая часть

Наиболее популярный и массовый метод это измерения ВФХ переменным напряжением (AC-метод). Он хорошо подходит для измерения обычных маломощных МОП-транзисторов и полупроводников и не требует дорогостоящего оборудования, как в других методах. Недостаток этого метода — достаточно сложная техника коррекции ошибок измерения, а также тот момент, что измерения емкости тестовых структур проходят на частотах, подчас существенно ниже тех, которые будут использоваться в реальных приборах, что предполагает необходимость интерполяции результатов в область высоких частот.

При AC-методе тестовый образец подвергается воздействию генератора постоянного напряжения смещения , а также небольшому тестовому переменному напряжению  для измерения емкости.

Общая упрощенная схема измерений ВФХ методом AC приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Общая упрощенная схема измерений ВФХ методом АС

Все это поддерживается двухпарной схемой подключения образца для исключения влияния сопротивления кабелей. Измерение переменного тока  и напряжения на тестируемом образце 
, а также фазового сдвига между ними , происходит, как правило, методом моста с автобалансировкой и позволяет определить полный комплексный импеданс (Zx) тестируемой структуры:

,, 

Экспериментальные исследования

Для реализации описанной методики была создана автоматизированная

установка. Фотография измерительной системы представлена на рисунке 2. Измерение происходит с помощью измерителя иммитанса Е7-20. Для генерации напряжения смещения и переменного сигнала использовался генератор сигналов произвольной формы ГСПФ-053.

Рисунок 2. Внешний вид измерительного стенда

Управление оборудованием и обработка измеренного сигнала осуществляется с использованием программы, написанной в среде C++. Сдвиг по фазе между тестовым напряжением и током через структуру определяется из аппроксимации измеренных сигналов. При определении разности фаз из измеренного тока плавно вычитается меняющаяся постоянная составляющая тока, а также вклад от гармоник тестового сигнала, возникающих из-за нелинейного отклика системы при больших прямых смещениях.

В качестве тестового образца была выбрана гетероструктура Ge/Si (001) с квантовыми точками Ge. Результат измерения ВФХ тестовой структуры представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. ВФХ тестовой структуры

На рисунке 3 можно увидеть большое количество помех. Это связано с однократным измерением емкости. При использовании математического аппарата и большого количества усреднений (порядка 1000) можно определить полезный сигнал.

Разработанная измерительная система позволяет проводить измерение емкости в разных точках образца.

Заключение

Была разработана измерительная система для измерения вольт-фарадных характеристик полупроводниковых гетероструктур. Работоспособность системы была проверена на тестовом образце. Результаты сверялись с результатами, другого измерительного оборудования.

Дальнейшее развитие системы будет направлено на расширения программного обеспечения, накопление экспериментальных данных на других тестовых образцах, проверку методики измерения.