zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2021-87-1-35-44zldm-1348Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLДиагностика полупроводниковых структур методом электрохимического вольт-фарадного профилированияDiagnostics of semiconductor structures by electrochemical capacitance-voltage profiling techniqueЯковлевГ. Е.YakovlevG. E.

Георгий Евгеньевич Яковлев

197376, г. С.-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5

Georgy E. Yakovlev

5, ul. Prof. Popova, St. Petersburg, 197376

geyakovlev@etu.ruФроловД. С.FrolovD. S.

Дмитрий Сергеевич Фролов

197376, г. С.-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5

Dmitry S. Frolov

5, ul. Prof. Popova, St. Petersburg, 197376

ЗубковВ. И.ZubkovV. I.

Василий Иванович Зубков

197376, г. С.-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5

Vasily I. Zubkov

5, ul. Prof. Popova, St. Petersburg, 197376

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»РоссияSt. Petersburg State Electrotechnical University «LÉTI»Russian Federation2021180120218713544Copyright © Яковлев Г.Е., Фролов Д.С., Зубков В.И., 20212021Яковлев Г.Е., Фролов Д.С., Зубков В.И.Yakovlev G.E., Frolov D.S., Zubkov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1348

Для приборов с гетероструктурами в качестве активных элементов особое значение имеют свойства границ раздела, которые зачастую играют определяющую роль в работе таких устройств. Совершенствование характеристик полупроводниковых приборов невозможно без детального анализа процессов, происходящих на интерфейсах гетеропереходов. Вместе с тем результаты в значительной степени зависят от чистоты исходных материалов и технологии изготовления слоев. Кроме того, непрерывно возрастают требования к составу примеси и ее распределению. Соответственно, повышаются требования к методам контроля распределения примеси и основных носителей заряда как на этапе лабораторной разработки структуры, так и на стадии производства полупроводникового прибора. В данной работе представлены результаты диагностики распределения концентрации основных носителей заряда в полупроводниковых структурах методом электрохимического вольт-фарадного профилирования (ECV-профилирования). Метод не требует специальной подготовки образцов, нанесения контактов для проведения испытаний и позволяет получать данные не только о распределении примеси, но и о распределении свободных носителей заряда. Он также дает возможность верифицировать толщины слоев полупроводниковых гетероструктур. Для повышения разрешения метода проведена модификация стандартного электрохимического профилометра. Приведены данные картографирования подложечной структуры GaAs, профили распределения концентрации основных носителей заряда в структурах SiC, GaAs структуре с p-n-переходом, pHEMT-гетероструктуре, GaN гетероструктуре с множественными квантовыми ямами и гетероструктурном солнечном элементе на основе кремния. Полученные результаты могут быть использованы для анализа физических свойств и явлений в полупроводниковых приборах, использующих квантово-размерные слои, а также для совершенствования и улучшения параметров существующих электронных приборов.

The properties of interfaces in the heterostructures which frequently govern their operation are of particular importance for the devices containing heterostructures as active elements. Any further improving of the characteristics of semiconductor devices is impossible without a detail analysis of the processes occurring at the interfaces of heterojunctions. At the same time, the results largely depend on the purity of the starting materials and the technology of layer manufacturing. Moreover, the requirements to the composition and distribution of the impurity steadily get stringent. Therefore, the requirements regarding the methods of the impurity control and carrier distribution also become tougher both in the stage of laboratory development of the structure and in various stages of manufacturing of semiconductor devices. Electrochemical capacitance-voltage profiling is distinguished among the methods of electrical diagnostics of semiconductors by the absence of special preparation of the structures and deposition of the contacts to perform measurements, thus providing for gaining information not only about the impurity distribution but also about the distribution of free carriers. The goal of this work is to perform precise measurements of the profiles of free carrier distribution in semiconductor structures of different types, and demonstrate the measuring capabilities of a modern technique for concentration distribution diagnostics, i.e., electrochemical capacitance-voltage profiling. The method allows verification of the layer thickness in semiconductor heterostructures and provide a useful and informative feedback to technologists. To increase the resolution of the method and broad up the range of available test frequencies, a standard electrochemical profiler has been modified. Mapping data for GaAs substrate structure, the profiles of the concentration distribution of the majority charge carriers in SiC structures, GaAs structure with a p – n junction, pHEMT heterostructure, GaN heterostructure with multiple quantum wells, and in a silicon-based solar cell heterostructure are presented. The obtained results can be used to analyze the physical properties and phenomena in semiconductor devices with quantum-sized layers, as well as to improve and refine the parameters of existing electronic devices.

электрохимическое вольт-фарадное профилирование (ECV-профилирование)диагностикаполупроводникиECV-profilingdiagnosticssemiconductorsАвторы выражают благодарность А. В. Соломниковой (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») за помощь в проведении АСМ-измерений, а также за ценные консультации в написании статьи.ReferencesBlood P., Orton J. The electrical characterization of semiconductors: majority carriers and electron states. — London: Acad. Press, 1992. — 768 p.Blood P., Orton J. The electrical characterization of semiconductors: majority carriers and electron states. — London: Acad. Press, 1992. — 768 p.Ambridge T., Faktor M. An automatic carrier concentration profile plotter using an electrochemical technique / J. Appl. Electrochem. 1975. Vol. 5. N 4. P. 319 – 328. DOI: 10.1007/BF00608796.Ambridge T., Faktor M. An automatic carrier concentration profile plotter using an electrochemical technique / J. Appl. Electrochem. 1975. Vol. 5. N 4. P. 319 – 328. DOI: 10.1007/BF00608796.Ambridge T., Faktor M. Electrochemical Capacitance Characterization of N-Type Gallium Arsenide / J. Appl. Electrochem. 1974. Vol. 4. N 2. P. 135 – 142. DOI: 10.1007/BF00609022.Ambridge T., Faktor M. Electrochemical Capacitance Characterization of N-Type Gallium Arsenide / J. Appl. Electrochem. 1974. Vol. 4. N 2. P. 135 – 142. DOI: 10.1007/BF00609022.Bisquert J., Cendula P., Bertoluzzi L., Gimenez S. Energy Diagram of Semiconductor/Electrolyte Junctions / J. Phys. Chem. Lett. 2014. Vol. 5. N 1. P. 205 – 207. DOI: 10.1021/jz402703d.Bisquert J., Cendula P., Bertoluzzi L., Gimenez S. Energy Diagram of Semiconductor/Electrolyte Junctions / J. Phys. Chem. Lett. 2014. Vol. 5. N 1. P. 205 – 207. DOI: 10.1021/jz402703d.Зубков В. И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. — СПб.: Элмор, 2007. — 220 с.Zubkov V. I. Diagnostic of semiconductor nanoheterostructures by means of admittance spectroscopy. — St. Petersburg: Élmor, 2007. — 220 p. [in Russian].Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Цирлина Г. А. Электрохимия. — М.: Химия, КолосС, 2006. — 672 с.Damaskin B. B., Petrii O. A., Tsirlina G. A. Electrochemistry. — Moscow: Khimiya, KolosS, 2006. — 672 p. [in Russian].Брунков П. Н., Гуткин А. А., Рудинский М. Э. и др. Электрохимическое вольт-емкостное профилирование концентрации свободных носителей заряда в HEMT-гетероструктурах на основе соединений InGaAs/AlGaAs/GaAs / ФТП. 2011. Т. 45. № 6. С. 829 – 835.Brunkov P. N., Gutkin A. A., Rudinsky M. É., et al. Electrochemical capacitance-voltage profiling of the free-carrier concentration in HEMT heterostructures based on InGaAs/ AlGaAs/GaAs compounds / Fiz. Tekn. Poluprovodn. 2011. Vol. 45. N 6. P. 829 – 835 [in Russian].SEMI M461101 Test Method for Measuring Carrier Concentrations in Epitaxial Layer Structures by ECV Profiling. — CA: SEMI, 2009. — 8 p.SEMI M461101 Test Method for Measuring Carrier Concentrations in Epitaxial Layer Structures by ECV Profiling. — CA: SEMI, 2009. — 8 p.Mayes I. Accuracy and Reproducibility of the Electrochemical Profiler / Mater. Sci. Eng. B. 2001. Vol. 80. N 13. P. 160 – 163. DOI: 10.1016/S0921-5107(00)00610-3.Mayes I. Accuracy and Reproducibility of the Electrochemical Profiler / Mater. Sci. Eng. B. 2001. Vol. 80. N 13. P. 160 – 163. DOI: 10.1016/S0921-5107(00)00610-3.Califano F., Luciano A. An Automatic Test Set for Measuring the Doping Profile of Semiconductor Epitaxial Layers / Rev. Sci. Instrum. 1970. Vol. 41. N 6. P. 865 – 869. DOI: 10.1063/1.1684664.Califano F., Luciano A. An Automatic Test Set for Measuring the Doping Profile of Semiconductor Epitaxial Layers / Rev. Sci. Instrum. 1970. Vol. 41. N 6. P. 865 – 869. DOI: 10.1063/1.1684664.Yakovlev G., Zubkov V., Solomnikova A., Derevianko O. Electrochemical capacitance-voltage profiling of nonuniformly doped GaAs heterostructures with SQWs and MQWs for LED applications / Turk. J. Phys. 2018. Vol. 42. N 4. P. 433 – 442. DOI: 10.3906/fiz-1803-23.Yakovlev G., Zubkov V., Solomnikova A., Derevianko O. Electrochemical capacitance-voltage profiling of nonuniformly doped GaAs heterostructures with SQWs and MQWs for LED applications / Turk. J. Phys. 2018. Vol. 42. N 4. P. 433 – 442. DOI: 10.3906/fiz-1803-23.Яковлев Г. Е., Няпшаев И. А., Шахрай И. С. и др. Сквозное концентрационное профилирование гетероструктурных солнечных элементов / ПЖТФ. 2019. Т. 45. № 17. С. 39 – 42.Yakovlev G. E., Nyapshaev I. A., Shakhray I. S., et al. Through Concentration Profiling of Heterojunction Solar Cells / Technical Physics Letters. 2019. Vol. 45. N 17. P. 39 – 42 [in Russian].Olsson L., Andersson C., Hakansson M., Kanski J., et al. Charge Accumulation at InAs Surfaces / Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. N 19. P. 3626 – 3629. DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.3626.Olsson L., Andersson C., Hakansson M., Kanski J., et al. Charge Accumulation at InAs Surfaces / Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. N 19. P. 3626 – 3629. DOI: 10.1103/PhysRevLett.76. 3626.Gopal V., Chen E., Kvam E., Woodall J. Electrochemical Capacitance Voltage Profiling of the Narrow Band Gap Semiconductor InAs / J. Electron. Mater. 2000. Vol. 29. N 11. P. 1333 – 1339. DOI: 10.1007/s11664-000-0134-0.Gopal V., Chen E., Kvam E., Woodall J. Electrochemical Capacitance Voltage Profiling of the Narrow Band Gap Semiconductor InAs / J. Electron. Mater. 2000. Vol. 29. N 11. P. 1333 – 1339. DOI: 10.1007/s11664-000-0134-0.Frolov D. S., Zubkov V. I. Frequency dispersion of capacitance-voltage characteristics in wide bandgap semiconductor-electrolyte junctions / Semicond. Sci. Technol. 2016. Vol. 31. N 12. P. 125013. DOI: 10.1088/0268-1242/31/12/125013.Frolov D. S., Zubkov V. I. Frequency dispersion of capacitance-voltage characteristics in wide bandgap semiconductor-electrolyte junctions / Semicond. Sci. Technol. 2016. Vol. 31. N 12. P. 125013. DOI: 10.1088/0268-1242/31/12/125013.Фролов Д. С., Яковлев Г. Е., Зубков В. И. Техника электрохимического вольт-фарадного профилирования сильно легированных структур с резким профилем распределения примеси / ФТП. 2019. Т. 53. № 2. С. 281 – 286.Frolov D. S., Yakovlev G. E., Zubkov V. I. Technique for the Electrochemical Capacitance-Voltage Profiling of Heavily Doped Structures with a Sharp Doping Profile / Fiz. Tekn. Poluprovodn. 2019. Vol. 53. N 2. P. 281 – 286 [in Russian].Лукомский Ю. Я., Гамбург Ю. Д. Физико-химические основы электрохимии. — Долгопрудный: Интеллект, 2008. — 424 с.Lukomsky Yu. Ya., Gamburg Yu. D. Physical and chemical fundamentals of electrochemistry. — Dolgoprudny: Intellekt, 2008. — 424 p. [in Russian].Bard A., Stratman M. Encyclopedia of Electrochemistry. — Weinheim: WILEY-VCH, 2007. — 410 p.Bard A., Stratman M. Encyclopedia of Electrochemistry. — Weinheim: WILEY-VCH, 2007. — 410 p.Clawson A. R. Guide to references on III – V semiconductor chemical etching / Mater. Sci. Eng. R. Rep. 2001. Vol. 31. N 1 – 6. P. 1 – 438. DOI: 10.1016/S0927-796X(00)00027-9.Clawson A. R. Guide to references on III – V semiconductor chemical etching / Mater. Sci. Eng. R. Rep. 2001. Vol. 31. N 1 – 6. P. 1 – 438. DOI: 10.1016/S0927-796X(00)00027-9.Ambridge T., Stevenson J., Redstall R. Applications of Electrochemical Methods for Semiconductor Characterization / J. Electrochem. Soc. 1980. Vol. 127. N 1. P. 222 – 228. DOI: 10.1149/1.2129623.Ambridge T., Stevenson J., Redstall R. Applications of Electrochemical Methods for Semiconductor Characterization / J. Electrochem. Soc. 1980. Vol. 127. N 1. P. 222 – 228. DOI: 10.1149/1.2129623.Amron I. Errors in Dopant Concentration Profiles Determined by Differential Capacitance Measurements / Electrochem. Technol. 1967. Vol. 5. P. 94 – 97.Amron I. Errors in Dopant Concentration Profiles Determined by Differential Capacitance Measurements / Electrochem. Technol. 1967. Vol. 5. P. 94 – 97.Blood P. Capacitance-Voltage Profiling and the Characterisation of III – V Semiconductors Using Electrolyte Barriers / Semicond. Sci. Technol. 1986. Vol. 1. N 1. P. 7 – 27. DOI: 10.1088/0268-1242/1/1/002.Blood P. Capacitance-Voltage Profiling and the Characterisation of III – V Semiconductors Using Electrolyte Barriers / Semicond. Sci. Technol. 1986. Vol. 1. N 1. P. 7 – 27. DOI: 10.1088/0268-1242/1/1/002.Facchetti A., Marks T. Transparent Electronics: From Synthesis to Applications. — Hoboken: John Wiley and Sons, 2010. — 470 p.Facchetti A., Marks T. Transparent Electronics: From Synthesis to Applications. — Hoboken: John Wiley and Sons, 2010. — 470 p.Амосова Л. П. Электрооптические свойства и структурные особенности аморфного ITO / ФТП. 2015. Т. 49. № 3. С. 426 – 430.Amosova L. P. Electrooptical properties and structural features of amorphous ITO / Fiz. Tekn. Poluprovodn. 2015. Vol. 49. N 3. P. 426 – 430 [in Russian].Tahar R., Ban T., Ohya Y., Takahashi Y. Tin doped indium oxide thin films: Electrical properties / J. Appl. Phys. 1998. Vol. 83. N 5. P. 2631 – 2645. DOI: 10.1063/1.367025.Tahar R., Ban T., Ohya Y., Takahashi Y. Tin doped indium oxide thin films: Electrical properties / J. Appl. Phys. 1998. Vol. 83. N 5. P. 2631 – 2645. DOI: 10.1063/1.367025.Аболмасов С. Н., Абрамов А. С., Иванов Г. А. и др. Гетероструктурные солнечные элементы на основе монокристаллического кремния с контактной сеткой, напечатанной на принтере методом струйной печати / ПЖТФ. 2017. Т. 43. № 1. С. 74 – 79.Abolmasov S. N., Abramov A. S., Ivanov G. A., et al. Heterojunction solar cells based on single-crystal silicon with an inkjet-printed contact grid / Pis’ma Zh. Tekhn. Fiz. 2017. Vol. 43. N 1. P. 74 – 79 [in Russian].Яковлев Г. Е., Дорохин М. В., Зубков В. И. и др. Особенности электрохимического вольт-фарадного профилирования арсенидгаллиевых светоизлучающих и pHEMT структур с квантоворазмерными областями / ФТП. 2018. Т. 52. № 8. С. 873 – 880.Yakovlev G. E., Dorohin M. V., Zubkov V. I., et al. Specific Features of the Electrochemical Capacitance-Voltage Profiling of GaAs LED and pHEMT Structures with Quantum-Confined Regions / Fiz. Tekn. Poluprovodn. 2018. Vol. 52. N 8. P. 873 – 880 [in Russian].Яковлев Г. Е., Фролов Д. С., Зубкова А. В. и др. Исследование ионно-имплантированных фоточувствительных кремниевых структур методом электрохимического вольт-фарадного профилирования / ФТП. 2016. Т. 50. № 3. С. 324 – 330.Yakovlev G. E., Frolov D. S., Zubkova A. V., et al. Investigation of Ion-Implanted Photosensitive Silicon Structures by Electrochemical Capacitance-Voltage Profiling / Fiz. Tekn. Poluprovodn. 2016. Vol. 50. N 3. P. 324 – 330 [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.