Il microscopio elettronico a scansione

La tecnica EBIC

La tecnica EBIC

La tecnica EBIC (Electron Beam Induced Current) sfrutta il fenomeno della conducibilità indotta dovuta alla formazione di coppie elettrone-lacuna che vengono separate da un campo elettrico

La tecnica EBIC

Il fenomeno è facilmente spiegabile fisicamente:

Il fascio elettronico investe il semiconduttore generando coppie elettrone-lacuna.

I portatori minoritari diffondono in una zona uniforme e percorrono in media una distanza pari alla lunghezza di diffusione e quindi si ricombinano.

Se i minoritari sul loro percorso trovano la regione di svuotamento di una giunzione P-N, verranno separati dal campo elettrico esistente in tale regione.

Si formerà una corrente che può essere raccolta, elaborata e inviata al monitor (CRT o PC)

Fenomeno della conducibilità indotta

• Generazione di coppie elettrone-lacuna

• Diffusione dei minoritari per una distanza pari alla lunghezza di diffusione

• 2 possibilità

a) Ricombinazione

b) Separazione di cariche se nel percorso trovano la regione di svuotamento

di una giunzione P-N o Schottky

pn

A

e-beam

Contatto n

Contatto p

Regione di svuotamento

Una volta chiuso il circuito con un Amperometro si ha quindi la formazione di una corrente, la cui intensità dipende dalle caratteristiche della regione di svuotamento come il drogaggio, l’estensione, la cristallinità e la posizione.

Zona neutra n

+

-

Nd

-Na

Xn

-Xp

Nd-Na

w

Emax

Regione svuotataZona neutra p

Il campo elettrico è massimo dove si forma la giunzione

Per maggior chiarezza

La corrente EBIC è dovuta alle coppie elettrone-lacuna generate dal fascio elettronico nella regione di svuotamento e dai portatori minoritari generati al di fuori della stessa regione ma entro la lunghezza di diffusione.

Regionesvuotata

n p

Ricombinazione con i maggioritari

(elettroni)

Assenza diricombinazione

Ricombinazione con i maggioritari

(lacune)

Ef

Ec

Ev

Ln Lp

EBIC

Questo segnale è tanto più intenso quanto maggiore è la frazione del volume di generazione che interseca la regione di svuotamento.

n

w

p

E1 E2 E3x

z

I1 I2

p nw

x

z

w

p

Ib

x

z

Metallo

La corrente Icc generata dal moto opposto di elettroni e lacune e raccolta dall’Amperometro, viene inviata ad un convertitore Corrente/Tensione e trasformata in un segnale in tensione in grado di pilotare il fascio elettronico di un fototubo.

In questo modo l’informazione data dalla corrente viene trasformata in immagine.

I processi di collezione di carica sono basati fondamentalmente su tre meccanismi

Creazione di coppie elettroni-lacune

Diffusione di portatori verso le giunzioni

Collezione vera e propria

Ogni fattore che influenza o altera uno di questi tre meccanismi può produrre contrasto e modificazioni nelle immagini EBIC.A seconda della geometria delle giunzioni e dalla presenza o meno di difetti, gli effetti sulle immagini saranno differenti.

Come si formano le immagini EBIC

Le immagini EBIC di un campione contenente le giunzioni vengono ottenute pilotando la scansione di un tubo a raggi catodici con il segnale EBIC convertito in tensione.

Le regioni di svuotamento di giunzioni superficiali dove la corrente EBIC è massima, saranno di più facile visualizzazione ed appariranno come regioni bianche su sfondo nero.

Il contrasto nelle immagini EBIC è originato da processi di collezione di carica e dai modi in cui questi processi possono variare spazialmente lungo il campione.

Confronto immagini

Secondari EBIC

Attraverso questo tipo di analisi si possono studiare le giunzioni P-N e Schottky presenti nei dispositivi a semiconduttore come i laser, i diodi e i transistor e se ne possono studiare gli eventuali difetti.

Applicazioni mirate all’analisi affidabilistica

• Localizzazione e delineazione delle giunzioni

• Rivelazione di CC

• Fenomeni di moltiplicazione di corrente

• Studio di difetti cristallografici

• Misura della larghezza di canale del MOS

• Misura della lunghezza di diffusione

Problemi e limitazioni della tecnica

Principalmente dovuti agli amplificatori presenti attualmente in commercio.

Essi hanno:

• Buon fattore di amplificazione (108V\A)

• Bassa risposta in frequenza

• Alta generazione di rumore

Difficoltà di avere il segnale a frequenza televisiva

Si è costretti a lavorare a scansione lenta per non perdere informazioni importanti sulla giunzione

ProblemiLa corrente EBIC è molto piccola tra (1nA e 1μA)

Necessità di amplificatori con alto G (108)

Alti G, bassa risposta in frequenza

Velocità di scansione di riga 512ms

Profilo della corrente di giunzione per una linea di scansione

Velocità di scansione di riga=8ms Velocità di scansione di riga=2ms

Profilo della corrente di giunzione per una linea di scansione

Alcuni esempi: Laser

Laser

ù

Secondary electrons

EBIC

e-beam

Laser 2

La corrosione ha generato un diodo parassita che ha fatto perdere potenza al laser

Laser 3

Dispositivo vergine Dispositivo degradato

L’ EBIC ha evidenziato la crescita di strutture anomale negli strati epitassiali dell’ p-InP

LED

L’Ebic evidenzia centri di ricombinazione nella regione attiva