196262. lajstromszámú szabadalom • Eljárás félvezető anyagok és szerkezetek elektromosan aktív szennyezéseinek vizsgálatára és mérési elrendezés az eljárás foganatosítására
1 196 262 2 mérésnél 5 fis vagy nagyobb, igya termikus emiszszió mikrohullámmal való detektálása 1000-szeres tényezővel növeli meg a mérhető legrövidebb termikus emissziós tranziensek időbeli tartományát. A mérőrendszer időzítését a 14 négyszögjelgenerátor végzi. Ez adja az időzítő jeleket a 17 félvezető mintára jutó gerjesztő impulzusokat előállító 13 impulzusgenerátor számára, továbbá a 11 fázisérzékeny erősítőnek, amelynek bemenete a mikrohullámú 8 detektoron keletkező, és a mikrohullámú abszorpció időbeli megváltozását reprezentáló jelet fogadja, és ezt erősíti és előírt fázishelyzetnek megfelelően átlagolja. A mikrohullámú híd vezérlését a 17 félvezető mintára vezetett gerjesztő impulzusok tartamára a 3 kapcsolóval kikapcsoljuk, az ehhez szükséges kapuzó impulzusokat szintén a 14 négyszögjeigenerátor állítja elő a 3 kapcsoló számára. All fázisérzékeny detektorral detektált tranziens jelek feldolgozása sok módon képzelhető el. Legegyszerűbben a 15 jelfeldolgozó egységként egy gyors tranziens rekorder használata a kézenfekvő. A tranziens rekorder által digitalizált és átlagolt mikrohullámú abszorpciós tranzienseket a 16 számítógép értékeli ki. A tranziens kapacitásjelet feldolgozó DLTS mérésekkel összehasonlítva a mikrohullámú mérőjel jóval nagyobb frekvenciája (10—100 GHz szemben a kapacitás mérőjel 1 MHz-ével) és az ebből adódó 3 nagyrágrenddcl rövidebb válaszidő jelentősen megnövelte a mérhető tranziensek időbeli átfogását. A17 félvezető mintát gerjesztő impulzusok ismétlődési frekvenciája gyakorlatilag 100 MHz—0,01 Hz között folyamatosan változtatható, azaz az időbeli átfogás 1010, szemben a kapacitás DLTS módszernél elérhető ICP-os átfogással. A fentiekben vázoltak szerint ilyen (10w) átfogás mellett frekvencia scan módszerrel, szobahőmérsékleten lehetséges a 0,1 eV—0,7 eV közé eső aktivációs energiatartomány vizsgálata. A 100 psos legrövidebb alkalmazható impulzusszélesség azt is lehetővé teszi, hogy a gerjesztő impulzusok szélességének változtatásával o ~ 10—12 cm2 értékig mérjük a hátáskeresztmetszet nagyságát. Ez a felső korlát a legnagyobb gyakorlatilag előforduló mély nívó hatáskeresztmetszetek méréséhez is elegendő, ezért ehhez a méréshez nincs szükség a 17 félvezető minta hőmérsékletének megváltoztatására. A mikrohullámú abszorpciós mérésnek a termikus emissziós tranziensek meghatározására való alkálmazhatősága azon alapul, hogy a tértöltési tartományból termikus emisszió hatására kilépő szabad töltéshordozók áramot indítsanak meg, ezért számuk és a félvezető tömbben való jelenlétük ideje független a tömbi rekombinációs folyamatoktól. A nem egyensúlyi töltéshordozó jelenlétét tehát egyedül a termikus emisszió valószínűsége jellemzi, azaz a mikrohullámú abszorpció megváltozása egyedül a termikus emissziós folyamat által meghatározott. Ez a fizikai felismerés képezi egyébként a találmány alapgondolatát is. A mikrohullámú abszorpcióval mérhető legkisebb koncentráció a legkisebb mérhető abszorpció megváltozás mértékéből határozható meg. Ha a bruker-típusú mérőrendszer detektálási küszöbét elfogadjuk a technika állása szerinti értéknek (lásd ER 200 D — SRC Series Technical Manual), akkor a mérhető legkisebb elektromos tér megváltozás (AE/Eo)^ = 10-» (6) ahol AEr = az elektromos tér megváltozása Eg = az üregben lévő elektromos tér Kiszámítható, hogy erősen vezető és/vagy nagy térfogatú minta esetén a (6) összefüggésből következik, míg kevéssé vezető vagy kis kiterjedésű minta esetén (azaz, ha a minta az üreg jósági tényezőjét nem változtatja meg lényegesen) NTU = 6 1ÍPcm-3 (8) Ebből következik, hogy mikrohullámú abszorpció mérésével a legkedvezőtlenebb esetben is a kapacitás DLTS mérés érzékenységét meghaladó (vö. (4)-gyel) érzékenység érhető el, míg optimális esetben az érzékenység jóval nagyobb és ami még ennél is fontosabb, abszolút érték, azaz a detektálási küszöb nem függ a szabad elektronok koncentrációjától. Ebből adódik, hogy eljárásunkkal nagymértékben szennyezett minták is mérhetők. Végül a mikrohullámú abszorpció segítségével a szabad töltéshordozó koncentráció megváltozását mérjük, így a mérést nem befolyásolják a mérendő minta elektromos paraméterei. A hagyományos kapacitás vagy áram DLTS mérésekkel szemben tehát sem a mérendő minta soros ellenállása, sem a szivárgási áram értéke mindaddig nem korlátozza a mérés elvégezhetőségét, ameddig a mintában tértöltési tartomány egyáltalán kialakulhat. Összefoglalóan megállapítható, hogy a találmány szerinti eljárás kielégíti a termikus emissziós folyamatok mérésével szemben elméletileg támasztható ideális elvárásokat, és minden jellemzőben túlszárnyalja az eddig ismert és legjobbnak tartott kapacitás cs áram DLTS mérések teljesítőképességét. Példa; Az 1. ábrán vázolt mérési elrendezésben használt mikrohullámú hidat ERŐ 41 MR típusú, Bruker gyártmányú X sávú mikrohullámú híd képezte (f = 9,6 GHz), és az ehhez használt 6 üreg négyszögletes kiképzésű és Te 102 módusú volt. A 6 üreg Oxford Instruments (Oxford, Nagy-Britannia) gyártmányú és hélium gáz áramoltatására alkalmas kriosztátba volt helyezve. A vizsgált 17 félvezető mintát 3 mm átmérőjű kvarerúdra szerel-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 6
