СПОСОБ ВИЗУАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДРЕЙФОВОЙ ПОДВИЖНОСТИ В АЗИДАХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области физико-химии твердого тела и может быть использовано для исследования амбиполярной подвижности в разлагающихся системах и для анализа чистоты материалов.

Известен способ определения подвижности инжектированного пакета носителей заряда в полупроводнике, имеющем форму тонкого и длинного стержня ("нитевидный" образец) Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников. М. Наука, 1977, с. 262-263. Избыточные носители создаются короткими импульсами напряжения в эмиттере и регистрируются коллектором. Если к торцам образца приложено внешнее напряжение, пакет инжектированных в эмиттере носителей движется к коллектору. Подвижность можно определить, измеряя время движения пакета, зная скорость пакета и поле внутри образца.

Однако в данном случае измеряется электрический сигнал, который не на всех системах может быть измерен вследствие малого объемного заряда. Кроме того, для системы, в которой измеряется электрический сигнал, необходимы контакты, не вносящие дополнительных полей, что достаточно трудно осуществить экспериментально. При регистрации амбиполярной подвижности, с помощью электрического сигнала, в контактных системах сигнал может быть меньше уровня чувствительности прибора, вследствие сильной компенсации объемных зарядов.

Наиболее близким является способ измерения подвижности электронов Хейнсома и Шокли К.Миз -Т.Джеймс, Теория фотографического процесса. Л. Химия, 1979, с. 101. Кристалл хлорида серебра зажимают между пластинками конденсатора и часть его экспонируют через полупрозрачную проводящую щель в одном из электродов. В случае действия сильно поглощаемого ультрафиолетового излучения потемнение ограничено приповерхностной областью. Если конденсатор зарядить до высокой разности потенциалов и создать сильное электрическое поле внутри кристалла, то фотоэлектроны, освобождаемые вблизи поверхности, будут смещаться полем внутрь кристалла. Это приводит к такому же смещению области потемнения и, наглядно демонстрируя отложение фотолитического серебра там, где происходит захват электронов, дает возможность определить подвижность электронов.

Однако данным способом невозможно определить тип измеряемой подвижности. Отсутствие четкой границы образования металла, в связи с неравномерностью поглощения света по толщине образца, требует дополнительного фотометрирования.

Предлагаемым изобретением решается задача визуального определения амбиполярной подвижности электронно-дырочной составляющей проводимости, которая в настоящее время не решена.

Поставленная задача решается способом визуального определения дрейфовой подвижности в азидах тяжелых металлов, включающим воздействие на два нитевидных кристалла ультрафиолетового излучения или постоянного электрического поля, или облучение быстрыми электронами, последующее действие электрического поля с длительностью импульса 10^-4 10^-1c, после чего в одном кристалле проявляют металл, другой растворяют, определяют диаметр и расстояние смещения от возбуждаемой области выделяемых пузырьков газа, рассчитывают величину дрейфовой подвижности по формуле:

где
d_i, r_i диаметр и расстояние смещения от возбуждаемой области i пузырька (см), τ_n время действия импульса (с), E напряженность электрического поля (В/см), и визуально определяют амбиполярную дрейфовую подвижность пространственным сопоставлением границ распространения металлического и газообразного продуктов.

Воздействием физического поля локально генерируют неравновесные электроны и дырки в кристаллах азидов тяжелых металлов. Затем на кристаллы воздействуют импульсным бесконтактным электрическим полем, это вызывает дрейф электронов и дырок направление смещения определяется носителями с меньшей зонной концентрацией. Длительность импульса определяет длину смещения носителей заряда и ограничивается размерами кристалла.

При проявлении металла происходит рост металлического серебра только в областях, насыщенных электронами, т.е. пространственное распределение металла совпадает с пространственным распределением электронов, что позволяет визуализировать процесс смещения неравновесных электронов.

При растворении кристалла дырки No3

выходят в раствор в виде высокореакционноспособных радикалов N₃, взаимодействующих между собой по бимолекулярной реакции с образованием молекулярного азота, который формирует пузырьки газа. Таким образом, пространственное распределение дырок совпадает с пространственным распределением пузырьков газа. Дрейфовая подвижность определяется длиной смещения центра масс газообразного продукта. Амбиполярный характер подвижности доказывается пространственным совпадением границ областей проявляемого металла и газообразного продукта.

Способ осуществляется следующим образом. Два нитевидных кристалла азида тяжелого металла, например: азиды свинца, серебра, таллия, наклеивают на слюдяную или стеклянную подложку. Средний размер кристаллов составляет 7•0,1•0,03 мм³. Затем с одного конца кристаллов область длиной 1 мм подвергают воздействию ультрафиолетового излучения, либо постоянного электрического поля, или облучения быстрыми электронами. Подготовленные таким образом образцы помещают в бесконтактное электрическое поле, после чего один кристалл растворяют в растворителе, при этом наблюдают выделение пузырьков газа из области, подвергшейся воздействию, по схеме:

Далее, замеряют диаметр (d_i) и расстояние смещения от возбуждаемой области i- пузырька (r_i) и определяют длину смещения центра масс газообразного продукта по формуле

Дрейфовую подвижность рассчитывают по формуле:

Направление смещения электронной составляющей на втором кристалле определяют с помощью одного из методов проявления металла. Сопоставляют результаты полученные на двух кристаллах, находят, что область потемнения и область, занимаемая пузырьками совпадают пространственно.

Примеры конкретного выполнения:
Пример 1. Два нитевидных кристалла азида свинца, наклеенных на подложку, локально облучают на установке Мира 2Д, с параметрами: энергия электронов 0,18 МэВ, длительность импульса 30 нс, скважность 0,1 с. После облучения кристаллы помещают в бесконтактное электрическое поле, подают прямоугольный импульс с длительностью 10^-2 c. Один кристалл в течении 5 мин выдерживают при температуре 90^oC. Второй растворяют под микроскопом в 0,2 N водном растворе ацетата натрия. Замеряют объем и пространственное положение i пузырька газа (результаты сведены в таблицу). Сравнивают положение области потемнения на первом кристалле и области, занимаемой газообразным продуктом, отмечено их совпадение. Расчет подвижности проводят по формулам (1) и (2), получено μ=3,70 см²/(B•c).

Пример 2. Два кристалла азида таллия локально облучают ультрафиолетовым светом в течении 10 с (ртутная лампа ШГК-500). Затем помещают их в бесконтактное электрическое поле: подают прямоугольный импульс 1В/с, длительность 10^-4 c. Один их кристаллов выдерживают при температуре 80^oC в течение 5 мин и под микроскопом фиксируют пространственное положение области потемнения.

Второй кристалл подвергают растворению в воде при 90^oC, процесс растворения наблюдают под микроскопом, замеряют диаметр и пространственное положение i- пузырька газа. Расчет подвижности проводят по формулам (1) и (2), получено m= 1,2 см²/(B•c). Сопоставляют пространственно области потемнения на первом кристалле и область, занимаемую газообразным продуктом, отмечают их совпадение.

Пример 3. На два нитевидных кристалла азида серебра, предварительно наклеенные на слюдяную подложку, наносят два галлиевых контакта, между которыми прикладывают напряжение 250 В. После снятия напряжения контакты с кристаллов удаляют и помещают кристаллы в бесконтактное электрическое поле с длительностью импульса 10^-1. Затем один из кристаллов растворяют под микроскопом в 0,2 N водном растворе тиосульфата натрия. При этом фиксируют диаметр и пространственное положение пузырьков выделившегося газа. По формулам (1) и (2) определяют величину дрейфовой подвижности m11,5 м²/ (В•с).

Второй кристалл в течении 5 мин выдерживают при температуре 90^oC, фиксируют положение области потемнения. Сопоставляют и отмечают совпадение области потемнения и области, занимаемой газообразным продуктом.

Преимущество заявляемого способа перед прототипом заключается в том, что способ позволяет определить тип измеряемой подвижности (электронную и дырочную составляющие), доказать ее амбиполярный характер.

Определяемая предлагаемым способом амбиполярная дрейфовая подвижность очень чувствительна к содержащимся в кристаллах примесям, которые являются ловушками по отношению к носителям заряда. Примеси дают уровни прилипания, на которые захватываются носители заряда, тем самым увеличивая их дрейфовую скорость.

Способ может применяться в качестве анализа чистоты материалов для азидов тяжелых металлов, например, при производстве азида свинца. Способ обладает более высокой чувствительностью по сравнению с существующими способами химического анализа.

Использование: физическая химия твердого тела, для исследования амбиполярной подвижности в разлагающихся системах и для анализа чистоты материалов. Сущность изобретения: в способе визуального определения дрейфовой подвижности в азидах тяжелых металлов воздействуют на кристалл ультрафиолетовым излучением или постоянным электрическим полем или облучают быстрыми электронами, затем кристаллы помещают в электрическое поле с длительностью импульса 10-4 - 10-1с. Затем в одном кристалле проявляют металл, другой растворяют, определяют при этом диаметр и расстояние смешения от возбуждаемой области выделяемых пузырьков газа, величину дрейфовой подвижности расчитывают по формуле:

где
d_i и r_i - диаметр и расстояние смещения i-го пузырька от центра возбуждаемой области (см), τ_n - время действия импульса (с), E - напряженность импульсного электрического поля (В/см), а - амбиполярную дрейфовую подвижность определяют визуально пространственным сопоставлением границ распространения металлического и газообразного продуктов. 1 табл.

Способ визуального определения дрейфовой подвижности в азидах тяжелых металлов, включающий воздействие на кристаллы физического поля, последующее действие электрического поля и проявление металла, отличающийся тем, что локально воздействуют на центральные области двух нитевидных кристаллов и в качестве физического поля используют воздействие ультрафиолетового излучения, или постоянного электрического поля, или облучение быстрыми электронами, помещают кристаллы в электрическое поле с длительностью импульса 10^-4-10^-1 с, после чего в одном кристалле проявляют металл, другой растворяют, определяют диаметр и расстояние смещения от возбуждаемой области выделяемых пузырьков газа, рассчитывают величину дрейфовой подвижности по формуле

где d_i, r_i диаметр и расстояние смещения i-го пузырька от центра возбуждаемой области, см;
τ_n- время действия импульса, с;
Е напряженность импульсного электрического поля, В/см,
и визуально определяют амбиполярную дрейфовую подвижность пространственным сопоставлением границ распространения металлического и газообразного продуктов.