199021. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és mérési elrendezés félvezető anyagok, különösen egykristály szeletek mély nívóinak nem destruktív úton történő kimutatására
9 HU 199021 B 10 zusok kezdete között eltelt P idő lényegesen hosszabb a tranziens jel időállandójánál. A 2. ábra ezért az (1) összefüggés változó tagjának idófüggvényét szemlélteti. Ha a mérést különböző hosszúságú impulzus P periódusidők választásával azonos hőmérsékleten megismételjük, akkor a 3a-3f. diagramokon vázolt tranziens kapacitásjeleket kapunk. A 2. ábrán bejelölt P periódusidőhöz viszonyítva a kivágott időtartományok hossza a 3a-3f diagramokon P/16 és 2P között változik. Minden ilyen mérésnél a lock-in erősítővel végzett súlyozás után az S jel egy-egy értékét kapjuk meg. A 4. ábra az egyes mérésekhez tartozó S jeleket a lg P'1 azaz a logaritmikusán ábrázolt impulzusfrekvencia függvényében vázolja. A 3a-3f ábráktól a 4. ábrához vezető nyilak és metszetek a megfelelő periódusidejű mérés által szolgáltatott jelértékek származtatására utalnak. A 4. ábra a (2) összefüggést szemlélteti a minta szennyezésének T hőmérsékleten tanúsított 'tT emiszsziós időállandója esetében. Ahogy a 4. ábra is mutatja, a (2) függvény P-ben szélsőértékkel rendelkezik, melynek értéke: . Píi2,5t (3) Látható tehát, hogy az állandó hőmérsékleten a lock-in ismétlődési frekvenciájának a gerjesztési frekvenciával szinkronban történő folyamatos változtatásával mély nívó spektrumot kapunk, ahol a szélsöértékek a mély nívó T* emissziós időállandóját határozzák meg a (3) összefüggés szerint. Miután ismert módon (n típusú anyagra) % ** = Ncfinvd exp[-(ET-Er)/kT] (4) ahol Ne a szabad elektron állapotsűrűség,la» az elektron befogási valószínűség, vd az elektron drift sebessége, Et a vizsgált mély nivó aktivációs energiája, Er a Fermi energia, k a Boltzmann állandó. Az 1 en = ~ emissziós valószínűség a (4) összeis függés szerint függ a T hőmérséklettől, a mérést különböző hőmérsékleten elvégezve az Et aktivációs energia meghatározható. Az 5. ábra hét különböző hőmérsékleten (240-340 K között) végzett ilyen frekvencia scan mérést ábrázol. A mérések kiértékelését számítógép segíti, és a különböző P periódusidők mellett több periódusból nyert S jelekből az en emissziós időállandót meghatározó görbéket számítógéppel rajzoltatjuk fel. A (4) összefüggés felhasználásával a méréssorozat befejeződésekor a mély nivó ismeretlen Et aktivációs energiáját Arrhenius plot szerkesztéssel meghatározhatjuk. A (4) összefüggéshez hasonló függvények a fizikában gyakran előfordulnak, és a függőleges tengelyen logaritmikus, a vízszintesen hőmérséklet reciprok értéke ábrázolása segítségével a diszkrét mérési értékek egy egyenesre esnek, amelynek meredeksége a vizsgájt mély nivó Et aktivációs energiáját és a függőleges tenv gellyel való metszéke a elektron befogási valószínűséget adja ki. A 6. ábra az ismertetendő példa értékeire vonatkozó Arrhenius plot diagramot és a hozzátartozó konkrét adatokat szemlélteti. A 6. ábrán feltüntettük az M« szabad elektron tömeget és a diszkrét pontokat közelitó egyenes közelítésére vonatkoztatott R konfidencia szintet. Amint látható, a különböző konstans hőmérsékleteken elvégzett frekvencia-scan méréssorozatból azonos információ kapható, mint a hagyományos, különböző konstans frekvenciákon elvégzett hőmérséklet scan DLTS mérésből. A frekvencia scan mérés azonban jelentős gyakorlati előnyökkel rendelkezik. Az aktivációs energia meghatározásához csak ismeretlen, még fel nem térképezett szennyezések esetében szükséges a frekvencia scan mérést különböző hőmérsékleteken megismételni. A gyakorlatban fontos szennyezések aktivációs energiája ismert, így a (4) összefüggés alapjár adott állandó hőmérsékleten az emissziós időállandójuk meghatározható. Ebből a (3) összefüggés segítségével megadható, hogy egy ismert szennyezés jelenlétét igazoló frekvencia scan DLTS csúcs azonos adott hőmérsékleten milyen frekvenciánál fog megjelenni. Ha például a frekvencia scan 2,5 kHz-0 25 Hz intervallumban végezhető, akkor 240 K-en végzett frekvencia scan mérés esetén tipikus értékkel számolva (0,1 eV-0,3 eV) aktivációs energiájú nívók mutathatók ki. Hasonló paraméterekkel számolva 330 K-on végzett frekvencia scan mérés (0,5 eV-0,8 eV) aktivációs energiájú nívók kimutatáséra alkalmas. Azaz ahhoz, hogy a gyakorlatilag fontos (0,1 eV-0,8 eV) aktivációs energia tartományba eső mély nívókat kimutathassuk, a vizsgált minta hőmérsékletét a hőmérséklet scan mérésekhez képest lényegesen szűkebb (240 K-330 K) hőmérséklet intervallumban elegendő változtatni. A változtatás alatt 3 különböző (pl. 240 K, 280 K, 330 K) állandó hőmérséklet választását értjük. Tehát a hőmérséklet scan mérésekhez szükséges széles (tipikusan 80 K-400 K) hőmérséklettartományt a frekvencia scan mérés esetében (240 K-330 K) tartományra lehet zsugorítani azonos aktivációs energia 0,1 eV-0,8 eV), azaz azonos szennyezés típusok kimutatása mellett. Ez a hőmérséklettartomány az 1. ábrán vázolt szondával átfogható, hiszen a higany fagyáspontja 234,4 K, forráspontja 630 K. A kívánt hőmérséklet beállításához, különösen intenzívebb hűtéskor gondoskodunk arról, hogy a 15 Peltier elem felsó (meleg) oldalán keletkezett hőt a 16 tömb belsejében áramoltatott nitrogén gáz elvezesse. A gáz hűtését zárt spirálban cseppfolyós nitrogénen való átvezetéssel érhetjük 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 7
