СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОДЛОЖКАХ ДИОДНЫХ СТРУКТУР Российский патент 1994 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области измерений электрофизических параметров полупроводниковых материалов и может быть использовано в электронной промышленности для определения диффузионной длины, времени жизни и коэффициента диффузии неравновесных носителей заряда в подложках диодных структур p⁺-n(n⁺-p)-типа, в том числе в элементах солнечных батарей.

Известны способы определения времени жизни неравновесных носителей заряда τ в подложках диодных структур p⁺-n(n⁺-p)-типа, основанные на измерении времени релаксации концентрации неравновесных носителей заряда после их инжекции импульсом тока через p-n-переход. При этом значение диффузионной длины L неравновесных носителей заряда определяют по формуле
L = , (1) где D - коэффициент диффузии неравновесных носителей заряда.

Недостатком таких способов является невозможность контроля однородности электрофизических параметров подложек диодных структур путем неразрушающих измерений.

Указанный недостаток устраняется в способе, основанном на локальном освещении p⁺(n⁺)-слоя амплитудно-модулированным с частотой f световым потоком, коэффициент поглощения которого α₁ удовлетворяет условию α₁L<1. При этом на основании измерений переменной составляющей интенсивности светового потока Р₁ и переменного фототока короткого замыкания I₁ определяют значение коэффициента собирания на переменном токе Q₁, который без учета отражения света равен
Q₁= , (2) где q - заряд электрона; h ν - энергия кванта света. Измерение I₁производят по амплитуде переменного напряжения V на подключенном к p-n-переходу резистору, величина R_н которого должна быть много меньше дифференциального сопротивления p-n-перехода R_i. Затем по найденному значению Q₁ вычисляют L. В частности, если толщина d подложки удовлетворяет условию
exp(-d/L)<< 1, (3) то для вычисления L используют формулу
L = ,
(4) где d_c - толщина p⁺(n⁺)-слоя. Этот способ является наиболее близким к заявляемому.

Недостатком такого способа является неточность определения L вследствие отличия измеряемого тока от тока короткого замыкания. Это отличие связано с влиянием сопротивления подложки, сопротивления растекания p⁺(n⁺)-слоя и с шунтирующим действием неосвещаемой части p-n-перехода. В особенности этот недостаток проявляется при больших уровнях инжекции, когда под действием дополнительного светового потока постоянной интенсивности значение R_i существенно снижается. При малых значениях L необходимость выполнения условия R_н << R_i приводит к дополнительному снижению точности из-за уменьшения V до значений, сравнимых с шумами. Рассмотренные причины приводят также к снижению достоверности определения L.

Другими недостатками такого способа являются необходимость знания величины D для определения τ , а также невозможность определения L и τ на диодных структурах без контактов, что является крайне важным для разбраковки этих структур на промежуточных этапах изготовления полупроводниковых приборов.

Целью изобретения является повышение точности, достоверности и расширение информативности при измерении электрофизических параметров неравновесных носителей заряда в подложке диодной структуры. Это достигается тем, что p⁺(n⁺)-слой дополнительно освещают световым потоком, интенсивность которого промодулирована с той же частотой f, а коэффициент поглощения света α₂ удовлетворяет условию d_c< α₂^-1<L, и осуществляют компенсацию переменных фототоков.

При этом для низких частот, удовлетворяющих условию f<f_o, где f_o≪ , компенсацию осуществляют путем подбора отношения переменных составляющих интенсивностей P₁/P₂, промодулированных в противофазе, дополнительно измеряют интенсивность Р₂, определяют на переменном токе отношение коэффициентов собирания Q₁/Q₂, по которому вычисляют L.

При более высоких частотах, соответствующих f ≥ f_o, для осуществления компенсации дополнительно подбирают сдвиг фаз ϕ модуляций световых потоков, измеряют ϕ или частотную зависимость P₁/P₂, по которым вычисляют τ , а по найденным L и τ по формуле (1) определяют коэффициент диффузии неравновесных носителей заряда.

Значение f_o практически соответствует максимальной частоте модуляции, при которой отношение Q₁/Q₂ еще не зависит от f.

Увеличение точности и достоверности достигается за счет того, что при компенсации переменных фототоков падения переменных напряжений на подложке и сопротивлений растекания p⁺(n⁺)-слоя равны нулю, при этом исключается и шунтирующее влияние неосвещаемой части р-n-перехода, поскольку переменная фото ЭДС его освещаемой части также равна нулю. Кроме того, благодаря компенсации фототоков отпадает необходимость выполнения условия R_н<< R _i. Это позволяет увеличить значение R_н, соответственно улучшить степень компенсации переменных фототоков и тем самым дополнительно повысить точность определения L и τ в особенности, если их значения малы.

Дополнительная цель изобретения, состоящая в осуществлении возможности измерений на структуре без контактов достигается тем, что структуру помещают между обкладками конденсатора, пропускающим оба световых потока со стороны p⁺(n⁺)-слоя, причем о компенсации переменных фототоков судят по отсутствию переменной фотоЭДС на конденсаторе. Благодаря компенсации переменных фототоков исключается возможность появления ошибок, связанных с сопротивлением емкости на частоте модуляции.

Пример реализации способа для диодных структур из монокристаллического кремния. В этом случае в качестве источников света могут быть использованы неодимовый и гелий-неоновый лазеры. Для них α₁= 15 см^-1; α₂ = 3200 см^-1 при длинах волн λ₁= 1,06 мкм и λ₂= 0,63 мкм соответственно. При этом условия применимости способа α₁ L<1; α₂ L>1 выполняются для L = 7˙10^-2 - 3˙10^-4 см, что соответствует практически всему диапазону возможных значений L в кремнии при комнатной температуре. Условие α₂ d_c<1 выполняется для структур с d_c<3 мкм. В этот диапазон укладываются значения толщин для большинства р⁺ и n⁺-слоев, получаемых диффузией, эпитаксией и ионной имплантацией.

Пусть для диодной структуры n⁺-p-типа, для которой d = 0,04 см, d_c= 0,5 мкм, а ожидаемые значения L и τ заключены в пределах 150-30 мкм и 10-0,4 мкс, в результате измерений получили, что
1. При f = 70 Гц P₁/P₂ = 3,8.

2. При f = 10 кГц ϕ = 0,16 рад.

3. При f = 20 кГц отношение P₁/P₂ увеличилось в 4 раза по сравнению со значением при f = 70 Гц.

Значения L, τ , D по этим данным определяют следующим образом. Поскольку максимально ожидаемое значение τ = 10 мкс, то можно положить f_o = 1 кГц. Как видно, результаты измерений по п.1 соответствуют режиму f<f_o, а по пп. 2 и 3 - режиму f >f_o. Далее, поскольку отражение света от кремниевой пластины практически одинаково при λ₁ = 1,06 мкм и λ₂ = 0,63 мкм, то его можно не учитывать. Это позволяет определить отношение Q₁/Q₂ по формуле
= · .

(5) В соответствии с результатами измерений п.1 и формулой (5) Q₁/Q₂ = 0,16.

Для рассматриваемого примера условие (3) практически выполняется во всем диапазоне ожидаемых значений L. Это позволяет по найденному отношению Q₁/Q₂ определить значение L по формуле
L = - A - (6) где A = exp( α₂ - α₁ )d_c. В соответствии с ней L = 100 мкм.

По сравнению с условиями применимости способа в рассматриваемом примере ожидаемые значения L удовлетворяют более жестким условиям: α₁L<<1; α₂L>>1. Это позволяет определять значения τ по результатам измерений пп.2, 3 с помощью следующих приближенных формул:
τ =
(7)
τ = .

(8) По формуле (7) при f = 10 кГц получают τ = =4,9 мкс, а по формуле (8) при f = 20 кГц и f¹ = 70 Гц получают τ = 5,1 мкс. Полагая τ = 5,0 мкс и используя найденное значение L = 100 мкм, вычисляют значение D = 20 см²/с.

Для определения значений L и τ , которые выходят за рассмотренные в примере рамки, но удовлетворяют условиям применимости способа, расчеты проводят по более общим по сравнению с (6) - (8) формулам или используют номограммы, полученные экспериментальным путем.

Способ позволяет производить локальный контроль электрофизических параметров неравновесных носителей заряда подложки в плоскости параллельной p-n=переходу с разрешающей способностью порядка L или размера светового пятна на р⁺(n⁺) слое, если этот размер превышает значение L. В частности, по п. 2 способ позволяет проводить такой контроль путем бесконтактных неразрушающих измерений.

Использование: изобретение относится к области измерений электрофизических параметров полупроводниковых материалов и может быть использовано в электронной промышленности для определения фотоэлектрических параметров подложек np-типа с тонким слоем p⁺(n⁺) -типа. В частности, оно может быть использовано для контроля элементов солнечных батарей. Сущность изобретения: P⁺(n⁺) -слой одновременно освещают двумя модулированными на одной частоте световыми потоками, коэффициенты собирания для которых существенно различаются. Отношение амплитуд модуляций световых потоков и сдвиг фаз между ними подбирают такими, чтобы обращалась в ноль переменная фотоЭДС, снимаемая с контактов к pn-структуре или с обкладок конденсатора, между которыми она помещается. При этом величины L и τ определяют по абсолютному значению отношения коэффициентов собирания, его зависимости от частоты модуляции и (или) сдвигу фаз. Способ позволяет повысить точность определения диффузионной длины L и времени жизни t неравновесных носителей в пластинах полупроводников с контактами и без них. 1 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОДЛОЖКАХ ДИОДНЫХ СТРУКТУРp⁺ - n(n⁺ - p)-типа, включающий освещение со стороны p⁺(n⁺)-слоя модулированным по интенсивности с частотой f световым потоком, коэффициент поглощения которого α₁ удовлетворяет условию α₁L << 1 , где L - диффузионная длина неравновесных носителей заряда, измерение переменной составляющей интенсивности P₁ падающего светового потока, определение на переменном токе коэффициента собирания Q₁ и расчет по нему электрофизических параметров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, достоверности и информативности способа, p⁺(n⁺)-слой дополнительно освещают световым потоком, интенсивность P₂ которого промодулирована с той же частотой f, а коэффициент поглощения света α₂ удовлетворяет условиям d_c << α₂^-1 << L , где d_с - толщина p⁺(n⁺)-слоя, осуществляют компенсацию переменных фототоков, причем для частот модуляции f << f_o , где f_o≪ , τ - - время жизни неравновесных носителей заряда, компенсацию осуществляют путем подбора отношения переменных составляющих интенсивностей P₁/P₂, промодулированных в противофазе, дополнительно измеряют интенсивность P₂, определяют на переменном токе отношение коэффициентов собирания Q₁/Q₂, по которому вычисляют L, затем на частотах модуляции f ≥ f_o компенсацию осуществляют дополнительно подбором сдвига фаз ϕ модуляций световых потоков, измеряют ϕ или зависимость P₁/P₂ от f , по которым вычисляют τ , и по найденным L и τ определяют коэффициент диффузии неравновесных носителей заряда. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью осуществления возможности измерений на структуре без контактов, структуру помещают между обкладками конденсатора, прозрачными для обоих световых потоков, причем о компенсации переменных фототоков судят по отсутствию переменной фотоЭДС на конденсаторе.