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"Verfahren zur Messung der Ladungsträger-Lebensdauer von Halbleiter-Material"
Die Erfindung bezieht sich au9 ein Verfahren zur Messung der LadungstrtLger-Lebens
dauer von Halbl eiter-Material, dessen spezifische elektrische Leitfähigkeit für
Hochfrequenz-Ströme in Abhängigkeit von einer Belichtung in Form einer Abklingkurve
gemessen wird. Brhöht man durch Licht die Ladungsträgerkonzentriation in einer Halbleiterprobe
über den Gleichgewichtswert, so fällt sie nach Verlöschen des Lichtes exponentiell
mit der Trägerlebenedauer als Zeitkonstanten wieder ab. Entsprechend verhElt sich
die spezifische elektrische Leitfähigkeit und mit ihr der Leitwert einer vorgegebenen
Probe.
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Die 'Messung der Lebensdauer erfolgte nun bisher derart, daß in bei
mit einet zu messenden Halbleiterprobe ein Widerstand liegt Durch diese Serienschaltung
fließt ein Gleichstrom, der am Widerstand des Hsibleiters einen Spannungsabfall
erzeugt. Auf diesen wird nun eine periodisohe Polge von Rechtecklichtimpulsen gegeben.
Mit der dadurch erzeugten Leitfähigkeitsänderung der Probe ändert sich der an ihr
liegende Spannungsabfall. Dieser wird verstärkt und einem Oszillographen zugeführt.
Bei entsprechender Eichung kann auf dem Bildschirm direkt die Ladungsträger-Lebensdauer
abgelesen werden. Sie entspricht nämlich dem Punkt auf der
Zeitachse,
über dem der Wert des Spannungsabfalls au9 1/e abgesunken ist, SEr eine hohe Empfindlichkeit
der Messung muß das Widerstands verhältnis groß gewählt werden Der maximal mögliche
Strom durch die Halbleiterprobe ist durch deren Geometrie und spezifischen Widerstand
vorgegeben. Erwärmung und zu große Feldstärken verfälschen die Meßergebnisse.
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Die Gleichstrom-Meßmethode hat ferner den großen Nachteil, daß an
dem Halbleiter-Prüfling zwei sperrfreie Kontakte angebracht werden müssen, Dieser
zusätzliche Arbeitsaufwand ist sehr störend, ganz abgesehen davon, daß die Herstellung
wirklich guter, sperrfreier Kontakte schon ein Problem für sich darstellte Es vrar
daher naheliegend, bei der Messung statt Gleichstrom einen hochfrequenten Wechselstrom
zu verwenden und die Probe kapazitiv anzukoppeln. Dabei wird die Gleichspannungsquelle
durch einen HF-Generator ersetzt0 an den Meßklemmen erscheint eine amplitudenmodulierte
Hochfrequenzspannung, die gleichgerichtet werden muß, bevor sie dem Oszillographen
zugeführt werden kann0 Für die Größe des Vorwiderstand es gilt dasselbe wie für
die Gleichstrommethods.
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Hat man nur eine bestimmte Iis-Spannung zur Verfügung, wird man einen
Kompromiß schließen müssen, um die optimale Zeßspannung zu bekommen. Wenn die Wechselstromwiderstände
der Ankopplungskapazitäten als klein gegenüber dem Prüflingswiderstand anzusehen
und keine Parallelkapazitäten zu berücksichtigen sind, erhält man die maximale Meßamplitude
dann, wenn die Widerstände gleich sind. Hierbei wird vorausgesetzt, daß der sich
dabei einstellende Strom für den Prüfling noch zulässig ist0 Die soeben getroffene
Voraussetzung, daß die Widerstände der Ankopplungskapazitäten klein gegenüber denen
des Priiflings sein sollten, kann oftmals
nicht erfüllt werden.
Die Ankopplung an die Probe geschieht normalerweise dadurch, daß man unter Zwischenlage
geeigneter Isolierfolien zwei Metallelektroden an die Probe preßt. Die Kapazitätswerte,
die man auf diese Weise erreicht, hängen stark von der Geometrie der Probe bzw.-des
Prüflings, der Isolierfolie und den Elektroden ab.
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Bei kleinen Proben erhält man nur wenige, bXi großen bis zu einigen
hundert Picofarad0 Bei kleinen Kapazitäten und einer Meßfrequenz von z. B. 50 MHz
muß man daher mit Werten für 1/#0 in Höhe von einigen hundert Ohm rechnen.
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Ein weiterer Empfindlichkeitsverlust kann durch die unvermeidlichen
parallel liegenden Kapazitäten auftreten. Diese sind durch die räumliche unordnung
der Teile, insbesondere der anschlußklemmen und des am ausgang angeschlossenen HF-Gleichrichters
bzw. des Verstärkers bedingte Im übrigen muß ein leistungsfähiger HF-Generator zur
Verfügung stehen, der einen gewissen Aufwand darstellt.
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Diese Nachteile beseitigt das Verfahren zur Messung der Ladungsträger-Lebensdauer
von Halbleiter-Material gemäß der erfindung dadurch, daß das Halbleiter-Material
als Serienwiderstand eines zu einem HF-Schwingkreis kapazitiv parallel geschalteten
Bedämpfungsgliedes eingeführt wird und aus der durch die Beliohtung resultierenden
Änderung der Dämpfung des Schwingungskreises die Abklingkurve und damit die Lebensdauer
gemessen wird.
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Die untere Grenze des Halbleiterwiderstandes, bis zu der na-ch dem
üblichen Verfahren noch Lebensdauermessungen durchgeführt werden können, wird um
mehr als eine Zehnerpotenz erweiterte Infolge der äußerst kleinen, für die Messung
der Probe erforderlichdn Ankopplungskapazitäten ist es möglich, Kristallplättchen
mit
einer Fläche von wenigen mm 2 zu messen.
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Anhand der Zeichnung wird das Verfahren gemäß der erfindung näher
erläutert.
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Es zeigen Zig, 1 einen für das Verfahren verwendeten Oszillatorsohwingkreis,
Fig. 2 eine Abwandlung des Schwingkreises, Fig. 9 ein Diagramm und @ @ Fig. 4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines bei dem Verfahren verwendbaren Oszillators. t
Na-oh Fig. 1 wird das Steuergitter 1 einer HF-Verstärkerröhre 2 mit einer geeigneten
H2-Schwingung angesteuert. Im Anodenkreis der Röhre liegt ein auf Resonanz abgestimmter
Schwingungskreis, dem der zu messende und belichtende Halbleiterprüfling 4 über
der Ankopplungskapazität 5 parallel liegt.
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Die Ankopplungskapazität ist praktisch durch die Halterung des Prüflinge
4 bedingt. Durch den Widerstand des Prtiflings @ wird der Schwingungskreis bedämpft.
Damit wird die Verstärkung der Röhre und als Polge die HF-Amplitude al Schwingkreis
herabgesetzt.
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Jede Änderung von RHL bewirkt eine Änderung der Dämpfung und damit
der Schwingkreisspannung, die gleichgerichtet, verstärkt und auf einen Oszillographen
gegeben wird.
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Die Meßanordnung ist umso empfindlicher, je größr der Resonanzwiderstand,
d. h. je höher die Güte des Resenanskreises ist. Übliche Werte liegen bei 10 bis
20 50 MHz.
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Die Ankopplung des Halbleiter-Prüflings erfolgt vorte
weise
nicht über die sich durch seine Geometrie ergebende Ankopplungskapazität 5 (Cs)
sonden über einen weiteren, sehr kleinen veränderbaren Kondensator 6 (C') mit Kondensator
5 in Serie geschaltet.
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Die wirksame Ankopplungskapazität ist hierbei direkt proportional
dem Produkt aus Cs und C' und indirekt proportional der Summe aue und C'. Mit diesem
Wert als Parameter kann man Kurven aufzeichnen, deren Abszisse gleich RHL und deren
Ordinate gleich dem Außenwiderstand Ra ist (Fig. 5).
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Während, bedingt durch die geometrischen Abmessungen der Halbleiter-Probe,
die Bedingung 1/#C#RHL oft nicht zu erfüllen ist, kann man die umgekehrte Bedingung
1/#C# RHL stets dadurch erfüllen, daß man in Serie mit C@ einen klein nen, variablen
Kondensator 6 (C') schaltet. Man kann so den Arbeitspunkt für die Messung mit Sicherheit
auf einen geeigneten Kuvenast legen und braucht nicht zu befürchten, auf irgendeinem
flachen Kurventeil oder gar im Minimum arbeiten zu müssen. In den flachen Kurventeilen
ist die erzielbare Meßamplitude gering und kann zu Verzerrungen führen, wähend im
Bereioh dem Minimums überhaupt keine Messung möglich ist.
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Der Verlauf der Kurven nach Fig. 3 zeigt, daß die Dämpfung des Schwingkreises
für den geforderten Bereich abnimmt, wenn durch Lichtbestrahlung der Probe deren
Widerstand verkleinert wird. Widerstandsänderungen der Probe führen also zu Änderungen
der Schwingkreisspannung, die einer Änderung des Außenwiderstandes proportional
ist.
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Ohne besonderen Aufwand kann bei dem Meßverfahren nach der Erfindung
das Mehrfache der Meßamplitude erhalten werden gegenüber
den bekannten
Verfahren, Für werden vorgegebenen Probenwiderstand gibt es einen Wert für 1/#C,
bei dem man den maximalen Transformationseffekt' erzielt. Wird zur Messung ein Halbleiter-Prüfling
an den Schwingkreis geschaltet, so tritt zwar eine Frequenzanderung auf diese Änderung
ist jedoch relativ gering und kann durch Nachstimmen ohne weiteres ausgeglichen
werden.
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Bei den bisherigen Betrachtungen wurden die Parallelkapazitäten unberücksichtigt
gelassen. Dieses ist aber nur zulässig für die dem Schwingkreis direkt parallel
liegenden Kapazitäten, denn diese gehen in den Schwingkreis ein und führen zu der
erwähnten Frequenzänderung.
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Bei jeder Bebensdauermessung treten Parallekapazitäten auf, die die
eigentliche Messung nicht stören, weil sie entweder zu klein sind, oder weil sie
in die Schwingkreiskapazität eingehen. Sie verursachen aber eine Verstimmung des
Schwingungskreises. Benutzt man eine Röhrenschaltung, bei der das Gitter mit einer
festen Frequenz angesteuert wird, so wird man mit der Frequenz des Meßkreises danebenliegen.
Natßrlich kann man den Meßkreis nachstimmen.'Man kann diesen Schönheitsfehler vermeiden,
wenn man einen selbstschwingenden Oszillator benutzte Kommen nun durch die zu messenden
Proben zusätzliche Kapazitäten in den Schwingkreis hinein, so ändert sich zwar auch
hier die Frequenz, es tritt aber keine Amplitudenänderung auf. Die Frequenzänderung
selbst ist uninteressant, da das MeßprinZip keine bestimmte Frequenz vorschreibt.
Außerdem ist ein selbstschwingender Oszillator viel weniger aufwendig, als ein Oszillator
mit nachgeschaltetem Verstärker. Auch bei einem selbstschwingenden Oszillator kann
ausreichende Proportionalitat zwischen der Schwingkreisspannung und dem Außenwiderstand
bestehen.
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In Fig. 4 ist eine solche Schaltung angegeben. Der an sich bekannte
Oszillator 7 arbeitet zweckmäßigerweise in einem Frequenzbereich von 30 bis 70 MHz.
Patentansprüche: