Диагностика полупроводниковых структур методом электрохимического вольт-фарадного профилирования

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.

1. Blood P., Orton J. The electrical characterization of semiconductors: majority carriers and electron states. — London: Acad. Press, 1992. — 768 p.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Зубков В. И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. — СПб.: Элмор, 2007. — 220 с.

6. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Цирлина Г. А. Электрохимия. — М.: Химия, КолосС, 2006. — 672 с.

7. 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.

8. SEMI M461101 Test Method for Measuring Carrier Concentrations in Epitaxial Layer Structures by ECV Profiling. — CA: SEMI, 2009. — 8 p.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Лукомский Ю. Я., Гамбург Ю. Д. Физико-химические основы электрохимии. — Долгопрудный: Интеллект, 2008. — 424 с.

18. Bard A., Stratman M. Encyclopedia of Electrochemistry. — Weinheim: WILEY-VCH, 2007. — 410 p.

19. 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.

20. 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.

21. Amron I. Errors in Dopant Concentration Profiles Determined by Differential Capacitance Measurements / Electrochem. Technol. 1967. Vol. 5. P. 94 – 97.

22. 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.

23. Facchetti A., Marks T. Transparent Electronics: From Synthesis to Applications. — Hoboken: John Wiley and Sons, 2010. — 470 p.

24. Амосова Л. П. Электрооптические свойства и структурные особенности аморфного ITO / ФТП. 2015. Т. 49. № 3. С. 426 – 430.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.