В ЛЭТИ разработали автоматизированный способ диагностики многослойных материалов для электроники нового поколения

Полупроводниковые гетероструктуры представляют собой искусственно выращенные структуры, состоящие из слоев различных полупроводниковых материалов. Активное изучение гетероструктур и их характеристик началось в середине XX века при активном участии советских ученых, в частности, пионерских работ, нобелевского лауреата, выпускника СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Жореса Ивановича Алферова (1930-2019).

За прошедшие годы выяснилось, что гетероструктуры позволяют создавать более эффективные и компактные электронные приборы (диоды, транзисторы, солнечные элементы и проч.) по сравнению с классической кремниевой электроникой. Поэтому последние 20-30 лет ведущие страны мира создают и развивают предприятия по производству полупроводниковых гетероструктур и приборов на их основе, а ученые ведут поиски и исследуют новые полупроводниковые материалы, которые по своим характеристикам окажутся перспективными для массового внедрения. Сейчас таким перспективным материалом для микроэлектроники является полупроводниковый алмаз.

Производство гетероструктур требует высокой точности, поскольку толщины слоев составляют десятки нанометров, и как следствие, свойства образцов сильно зависят даже от незначительного изменения параметров (толщина, состав, характер и уровень легирования) и технологических условий их выращивания. Одним из наиболее важных параметров приборной гетероструктуры является пространственное распределение, и концентрация носителей заряда – это позволяет сделать вывод о применимости выращенной гетероструктуры для использования в конкретных приборах.

Сегодня существует два основных метода для контроля распределения концентрации носителей заряда: вторичная-ионная масс-спектрометрия (ВИМС) и измерение вольт-фарадных характеристик (ВФХ). Первый метод позволяет получать довольно точные данные о распределении примеси, но при этом дает большую погрешность измерений концентрации при умеренных и низких уровнях легирования. В отличие от него, достоинством метода ВФХ является способность профилирования основных носителей заряда (ОНЗ), непосредственно «работающих» в приборе. Это особенно важно для гетероструктур с нелегированными квантовыми ямами (КЯ). Применение метода ВФХ требует создания на поверхности образца металлических контактов для пропускания через образец переменного тестового сигнала и измерения барьерной емкости. Хотя данный способ является довольно точным, но не ко всем гетероструктурам возможно создать качественный контакт Шоттки. Этот фактор, вместе с конечной глубиной профилирования, ограничивает применение метода измерения ВФХ.

Коллектив сотрудников Ресурсного центра «Физика твердого тела и материаловедение для радиоэлектронных и телекоммуникационных систем» (РЦ ФТТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» разработал новый способ определения профиля распределения концентрации основных носителей заряда по глубине полупроводниковых гетероструктур.

Суть метода заключается в чередовании электрохимического травления и измерения локальных неравновесных ВФХ. При этом металлический контакт Шоттки заменяется капелькой (диаметром в несколько миллиметров) жидкого электролита - вещества, проводящего электрический ток вследствие диссоциации на ионы. Это делает метод более универсальным. Подбирая тип и варьируя концентрацией электролита мы можем легко найти соединение для качественного контакта к любому типу полупроводников (узкозонных и широкозонных). Кроме того, использование именно жидкого электролита при приложении определенной полярности напряжения позволяет проводить реакцию электрохимического травления материала. По мере удаления материала исследуемого образца измерительный электролитический контакт фактически заглубляется в структуру, снимая тем самым ограничения классического метода измерения ВФХ по глубине профилирования.

Отличительной особенностью предлагаемого метода является измерение  неравновесных ВФХ в доступном «окне профилирования» (то есть области напряжений соответствующих минимальным потерям), с последующим определением локальных концентрационных профилей, и их суперпозицией в результирующий профиль распределения концентрации основных носителей заряда по глубине измеряемого образца. Предложенный способ диагностики выделяется широким диапазоном измерения концентрации (10¹⁰-10²¹ см^-3) на глубинах от единиц нм до десятков мкм, при пространственном разрешении менее 1 нм. Метод позволяет диагностировать полупроводники и полупроводниковые гетероструктуры с любой шириной запрещенной зоны (InAs, Si, GaP, SiC, Ga2O3, полупроводниковый алмаз, In_xGa_1-xAs и In_xGa_1-xN), а также измерять концентрацию во всех функциональных слоях гетероструктуры, в том числе в областях КЯ и δ-слоя.

«Важным преимуществом нашего метода является возможность измерения как широкозонных, так и узкозонных полупроводников - в частности измерения профиля концентрации в полупроводниковом алмазе без контактов, а также в n-InAs, в котором, из-за образования инверсного слоя на поверхности, измерения методом классических вольт-фарадных характеристик дают более чем на порядок завышенную концентрацию».

Для применения нового метода диагностики полупроводниковых гетероструктур ученые ЛЭТИ разработали специальный программно-аппаратный комплекс. В его основе электрохимический ECV-профилометр (установка имелась в распоряжении РЦ ФТТ), прибор, в котором проводится травление различных материалов. Сбор измерительных данных осуществляется с помощью прецизионного внешнего RLC-измерителя.  Управление комплексом в автоматическом режиме осуществляется с персональногокомпьютера на базе системы NI-PXI с набором плат. Разработано оригинальное программное обеспечение для управления процессом измерения и обработки полученных экспериментальных данных.

«На данном этапе мы разработали первый лабораторный прототип автоматизированного комплекса. Он позволяет проводить высокоточную диагностику любых полупроводников, полупроводниковых гетероструктур и их функциональных слоев. Областью применения нашего изобретения являются диагностика перспективных для электроники материалов, исследуемых в научных лабораториях и R&D центрах, а также сквозной контроль на различных стадиях производства гетероструктур на фаундри и предприятиях полупроводниковой промышленности. Сейчас мы ищем инвесторов и ресурсы для создания на основе нашего метода первого полностью отечественного ECV-профилометра. Общаясь с коллегами на конференциях и симпозиумах, понимаю, что на прибор будет большой спрос».

Исследователи ЛЭТИ подали заявку на патент для нового метода изучения характеристик полупроводниковых гетероструктур. Новый способ диагностики был создан в рамках реализации проекта «Разработка и адаптация технологии диагностики ключевых параметров полупроводниковых структур на основе GaAs и GaN для использования в современных приборах экстремальной и СВЧ-электроники», поддержанного грантом конкурса научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических проектов СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Проект получил финансирование на реализацию в размере 800 тысяч рублей. Проект соответствует научно-исследовательской политике СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках программы развития «Приоритет 2030».