Устройство контроля качества полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур

Устройство контроля качества полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур предназначено для экспресс-диагностики промышленных полупроводниковых структур и может быть использовано, в частности, для определения качества светодиодов на основе InGaN/GaN. Полезная модель содержит блоки: подключения образца, излучения, подачи напряжения, преобразования тока в напряжение, дифференцирования, аналого-цифрового преобразования и управления. Устройство производит облучение образца светом с длиной волны, близкой к порогу поглощения в квантовых ямах, и производит измерение обратной ветви вольт-амперной характеристики, по которой определяется качество структуры, при этом время диагностики составляет доли секунды. Заявляемое устройство контроля качества полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур является более простым и увеличивает скорость проведения измерений, что приводит к увеличению производительности контроля качества.

Полезная модель относится к области диагностики полупроводниковых квантово-размерных структур и может быть использована, в частности, для определения качества светодиодных структур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN.

Известны устройства для исследования свойств полупроводниковых барьерных структур по вольт-фарадным характеристикам (Берман Л.С. «Емкостные методы исследования полупроводников». Л.: Наука, 1972. 104 с.; Зубков В.И., Соломонов А.В. «Автоматизированная установка для емкостных исследований полупроводников на базе МЦЕ-13АМ» // Изв. ЛЭТИ. 1986. Вып.365. С.97-100.), осуществляющие измерение емкости образца при различных напряжениях. Эти устройства включают источник напряжения, криостат, в камеру которого устанавливается исследуемый образец, и измеритель емкости, состоящий из генератора гармонического сигнала, измерительного емкостного моста и нуль-детектора. О свойствах полупроводниковых барьерных структур судят по вольт-фарадным характеристикам, которые получают путем подачи на образец напряжения, содержащего постоянную составляющую (которая задает точку вольт-фарадной характеристики, в которой производится измерение) и переменную составляющую малой амплитуды (измерительный сигнал). В измерителе емкости происходит уравновешивание емкостного моста, завершение которого фиксируется нуль-детектором. В результате измеряют значение емкости, соответствующее поданному на образец постоянному напряжению. Для измерения других точек вольт-фарадной характеристики изменяют постоянное напряжение на образце и уравновешивание емкостного моста повторяется. По полученным характеристикам судят о наличии в образце квантовых ям и делают вывод о качестве гетерограниц.

Недостатками устройств являются их сложность и низкая скорость проведения контроля качества, обусловленная тем, что уравновешивание измерительного емкостного моста представляет собой циклический процесс, включающий сравнение измеряемой емкости с эталоном, и изменение эталона в соответствии с результатами этого сравнения, происходящий до тех пор, пока измеряемая и эталонная емкости не совпадут. Скорость измерения при этом ограничена как быстродействием автоматики, производящей сравнение, так и процессами перезарядки емкостей.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство (фиг.1) для исследования спектров фототока полупроводниковых структур (В.Л.Альперович, Н.Т.Мошегов, В.В.Попов, А.С.Терехов, В.А.Ткаченко, А.И.Торопов, А.С.Ярошевич. «Определение шероховатостей гетерограниц по спектрам фототока короткопериодных сверхрешеток AlAs/GaAs» // ФТТ. 1997. Т. 39, вып.11. с 2085).

Устройство состоит из блока размещения образца 1, находящегося в измерительной камере 2, криостата 3, блока излучения 4, включающего лампу накаливания 5 и дифракционный монохроматор 6, модулятора оптического излучения 7, блока подачи напряжения 8, преобразователя тока в напряжение 9, резонансного усилителя 10, синхронного детектора 11, аналого-цифрового преобразователя 12 и блока управления 13.

Исследуемый образец устанавливают в блоке размещения образца 1. Криостат 3 понижает температуру в измерительной камере 2, в результате чего образец охлаждается до гелиевых температур. Свет от лампы накаливания 5 фокусируется на входную щель дифракционного монохроматора 6, который выделяет из него излучение заданной длины волны. Монохроматическое излучение с выходной щели монохроматора 6 проходит через модулятор 7, с выхода которого модулированное по световому потоку излучение проходит через оптическое окно измерительной камеры 2 и воздействует на образец. Блок подачи напряжения 8 задает напряжение на образце, при этом ток, протекающий через образец, проходит через блок преобразования тока в напряжение 9, сигнал с выхода которого поступает на резонансный усилитель 10, который усиливает полезную составляющую сигнала на частоте модулятора 7 и подает ее на первый вход синхронного детектора 11. На второй вход синхронного детектора 11 поступает опорный сигнал с модулятора 7, что позволяет выделить полезный сигнал, находящийся в фазе с опорным сигналом, и отфильтровать шумы, фаза которых хаотична. На выходе синхронного детектора формируется постоянное напряжение, пропорциональное фототоку через образец, которое переводится в цифровой вид аналого-цифровым преобразователем 12. Блок управления 13 подает сигналы управления монохроматору 6 и блоку подачи напряжения 8, и фиксирует значение фототока в цифровом виде, передаваемое аналого-цифровым преобразователем 12. Используя полученные данные, получают зависимость фототока образца от длины волны оптического излучения, по которой судят о шероховатости гетерограниц квантовых ям, содержащихся в образце.

Недостатками прототипа являются сложность устройства, а также низкая скорость проведения контроля качества полупроводниковых структур, обусловленная тем, что при фазочувствительном детектировании модулированного сигнала быстродействие, как правило, ограничено постоянной времени фильтра нижних частот, установленного в выходном каскаде синхронного детектора и осуществляющего усреднение сигнала во времени. Как правило, измерение одного значения фототока занимает несколько секунд. Для измерения же всей вольт-амперной характеристики требуется измерить сотни точек, в результате чего измерение занимает несколько минут.

Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства контроля качества полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур, позволяющего достигать технический результат, заключающийся в упрощении устройства и увеличении скорости проведения измерений, приводящих к увеличению производительности контроля качества.

Полезную модель иллюстрируют следующие фигуры:

Фиг.1 - устройство для исследования спектров фототока полупроводниковых структур (прототип);

Фиг.2 - устройство контроля качества полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур.

Устройство контроля качества полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур (фиг.2) содержит блок размещения образца 1, блок излучения 2, блок подачи напряжения 3, блок преобразования тока в напряжение 4, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) 6, блок управления 7, при этом первый его выход соединен с входом блока подачи напряжения 3, первый выход которого соединен с входом блока размещения образца 1, выход которого соединен с входом блока преобразования тока в напряжение 4, выход блока АЦП 6 соединен с входом блока управления 7, второй выход которого соединен с входом блока излучения 2, а третий выход предназначен для связи с ЭВМ, при этом блок излучения 2 оптически связан с образцом, размещенным в блоке размещения образца 1, при этом в него дополнительно введен блок дифференцирования 5, вход которого связан со вторым выходом блока преобразования тока в напряжение 4, а выход с третьим входом блока АЦП 6, второй вход которого связан с первым выходом блока преобразования тока в напряжение 4, а первый вход блока АЦП 6 связан со вторым выходом блока подачи напряжения 3, при этом блок подачи напряжения 3 содержит генератор пилообразного сигнала, связанный с масштабным усилителем, а оптическая мощность, создаваемая блоком излучения 2, находится в диапазоне (1-100) мВт. При этом блок излучения 2 может быть выполнен в виде лазера или светодиода.

Блок размещения образца 1 представляет собой металлическую площадку, на которую помещается исследуемый образец, и два прижимных контакта в форме иглы. Если устройство используется для контроля качества изделий на пластине, то возможно дополнение блока размещения образца устройством для управляемого перемещения контактов (с целью сканирования пластины), например, степ-сканером.

Блок излучения 2 содержит источник света мощностью от 1 до 100 мВт, максимум спектральной плотности которого лежит вблизи порога поглощения материала квантовых ям (точек), содержащихся в исследуемом образце. В качестве источника света может быть использован лазер или светодиод. Блок излучения 2 установлен над блоком размещения образца 1 таким образом, что испускаемый свет воздействует на область вблизи контактов исследуемого образца.

Блок подачи напряжения 3 содержит генератор пилообразного сигнала с частотой в диапазоне от 1 до 100 Гц и масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом генератора пилообразного сигнала. В качестве генератора может использоваться либо генератор сигналов произвольной формы, например, Agilent 33250A, либо он может быть реализован схемотехнически с использованием интегральных микросхем (П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1998. с.306). Масштабный усилитель выполняет функцию масштабирования (усиления без искажения) входного пилообразного сигнала, и представляет собой усилитель постоянного напряжения, который может быть выполнен с использованием операционных усилителей (П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1998. с.185).

Роль блока преобразования тока в напряжение 4 может выполнять, в простейшем случае, постоянный резистор. Однако в этом случае выходной сигнал достаточно мал, что затрудняет его достоверную регистрацию. Оптимальным вариантом исполнения блока является схема преобразователя тока в напряжение, собранная на операционном усилителе (П. Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1998. с.190). Во-первых, ее влияние на измеряемую цепь, в отличие от резистора, минимально, во-вторых, усиление выходного сигнала может регулироваться в широких пределах.

Блок дифференцирования 5 формирует сигнал, пропорциональный производной тока через образец по напряжению на нем. Функцию блока исполняет схема дифференциатора, реализованная, например, на операционном усилителе (П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1998. с.239). Следует отметить, что выходной сигнал схемы пропорционален производной входного сигнала по времени. Однако, учитывая то, что напряжение на образце, формируемое блоком подачи напряжения 3, изменяется во времени по линейному закону, фактически на выходе блока дифференцирования 5 получается сигнал, пропорциональный производной тока по напряжению.

Следует отметить, что масштабный усилитель (в блоке подачи напряжения 3), блок преобразования тока в напряжение 4 и блок дифференцирования 5 могут быть реализованы с использованием одной микросхемы, содержащей несколько операционных усилителей (например, LM324, содержит 4 операционных усилителя). Таким образом, габариты заявляемого устройства могут быть значительно уменьшены.

Задачей блока аналогово-цифрового преобразования 6 является быстрое преобразование в цифровой вид одновременно трех величин - напряжения на образце, тока через него и производной тока по напряжению. Блок 6 может быть реализован либо с помощью одной микросхемы трехканального АЦП, либо с использованием трех одноканальных АЦП (например, AD7895), работающих параллельно.

Блок управления 7 обеспечивает выполнение измерительного цикла и регистрацию получаемых данных. Он представляет собой микропроцессорную систему, управляющую другими блоками путем передачи цифровых и аналоговых сигналов, а также способную сохранять в память данные, передаваемые блоком АЦП. Блок управления подключается к компьютеру, например, через интерфейс USB.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец устанавливают на площадке блока размещения образца 1, контакты в виде игл прижимают к контактным площадкам образца таким образом, чтобы подаваемое напряжение было обратным (приводило к расширению области объемного заряда).

Блок управления 7 подает сигнал, включающий блок излучения 2, устанавливает параметры блока подачи напряжения 3 (начальное и конечное напряжение, скорость нарастания) и подает сигнал, включающий его.

Свет от блока излучения 2, например, лазер, воздействует на исследуемый образец, генерируя в p-n-переходе электронно-дырочные пары. Напряжение, формируемое блоком подачи напряжения 3, действует на образец, приводя к расширению области пространственного заряда, вследствие чего квантовые ямы по очереди переходят из нейтральной области полупроводника в обедненную область. При этом электронно-дырочные пары, генерируемые светом в области квантовых ям, активно разделяются полем p-n-перехода и включаются в процесс фотопроводимости, в результате чего ток, проходящий через образец, ступенчато возрастает при переходе каждой квантовой ямы в область объемного заряда.

Блок преобразование тока в напряжение 4 формирует напряжение, пропорциональное току через образец. Это напряжение подается на блок дифференцирования 5 и на блок АЦП 6.

Блок дифференцирования 5 формирует на выходе напряжение, пропорциональное производной напряжения на входе по времени. Поскольку напряжение на образце линейно нарастает во времени, то, фактически, напряжение на выходе блока дифференцирования 5 пропорционально производной тока по напряжению.

На блок АЦП 6 одновременно подаются сигналы с блока смещения 3, блока преобразования тока в напряжение 4 и блока дифференцирования 5. Таким образом, АЦП одновременно переводит значения напряжения на образце, тока через него и производной тока по напряжению в цифровой код и передает блоку управления 7.

За время нарастания напряжения на выходе блока подачи напряжения 3 от начального до конечного значения блок АЦП 6 производит некоторое количество (несколько сотен) преобразований через равные промежутки времени, при этом получаемые данные заносятся в память блока управления 7. Таким образом, в процессе нарастания напряжения на образце, в памяти блока управления 7 накапливаются данные, соответствующие точкам вольт-амперной характеристики.

При достижении конечного значения напряжения на образце блок управления, 7 подает сигналы отключения блоку подачи напряжения 3, источнику излучения 2 и передает записанные в память данные на ЭВМ. Таким образом, ЭВМ получает данные сразу о всей вольт-амперной характеристике исследуемого образца и производной тока по напряжению, после обработки которых с применением специальной программы определяют качество исследуемого образца.

Для проведения дальнейших исследований в блок размещения образца 1 устанавливают следующий образец и процедура повторяется.

Заявляемое устройство упрощается за счет того, что для его работы не требуются блоки модуляции сигнала и синхронного детектирования, а также криостат (поскольку исследования проводятся при комнатной температуре).

Производительность исследований с использованием устройства значительно повышается. Это достигается благодаря тому, что при использовании источника света достаточно высокой мощности (от 1 до 100 мВт), который обеспечивает сильный сигнал-отклик, проводится достоверная регистрация без применения методики синхронного детектирования. Фактически, время измерения одного образца равно периоду сигнала генератора пилообразного напряжения, и может быть снижено до 0,01 секунды. Таким образом, скорость исследования партии образцов ограничивается, по сути, временем подключения образца к устройству. Для контроля качества изделий на пластине возможно дополнение блока размещения образца устройством для управляемого подключения контактов, например, степ-сканером.

1. Устройство контроля качества полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур, содержащее блок размещения образца, блок излучения, блок подачи напряжения, блок преобразования тока в напряжение, блок аналого-цифрового преобразования, блок управления, при этом первый его выход соединен с входом блока подачи напряжения, первый выход которого соединен с входом блока размещения образца, выход которого соединен с входом блока преобразования тока в напряжение, выход блока аналого-цифрового преобразования соединен с входом блока управления, второй выход которого соединен с входом блока излучения, а третий выход предназначен для связи с ЭВМ, при этом блок излучения оптически связан с образцом, размещенным в блоке размещения образца, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок дифференцирования, вход которого связан со вторым выходом блока преобразования тока в напряжение, а выход с третьим входом блока аналого-цифрового преобразования, второй вход которого связан с первым выходом блока преобразования тока в напряжение, а первый вход блока аналого-цифрового преобразования связан со вторым выходом блока подачи напряжения, при этом блок подачи напряжения содержит генератор пилообразного сигнала, связанный с масштабным усилителем, а оптическая мощность, создаваемая блоком излучения, находится в диапазоне (1-100) мВт.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок излучения выполнен в виде лазера или светодиода.