СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПОДВИЖНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к полупроводниковому материаловедению и может быть использовано для определения электрофизических свойств полупроводниковых материалов, при изготовлении полупроводниковых приборов, а также полупроводниковых пластин и структур.

Известны способы определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводниках, основанные на эффекте Холла [1]Для реализации этих способов необходимо создавать на образце два омических контакта, которые разрушают образец.

Известен способ определения электрофизических параметров в полупроводниковых материалах [2] при реализации которого вакуумированный образец полупроводникового материала медленно нагревают с постоянной скоростью до температуры, соответствующей второй точке перегиба зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры при одновременном освещении поверхности полупроводника оптическим излучением в УФ-диапазоне с энергией фотона, близкой к работе выхода электрона из поверхности полупроводника, определяя при этом зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от температуры. При достижении температуры, соответствующей точке второго перегиба зависимости, освещают поверхность образца оптическим излучением с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электрона с вакансированных уровней, регистрируя зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от времени, по которой определяют концентрацию вакансий. Этот способ неприменим для определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводнике.

Согласно настоящему изобретению для определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводнике образец вакуумируют, нагревают его медленно до температуры первого перегиба зависимости величины тока экзоэлектронной эмиссии от температуры при одновременном освещении поверхности образца оптическим излучением в УФ-диапазоне с энергией фотона, близкой к работе выхода электрона из поверхности полупроводника. При этом регистрируют зависимость величины тока экзоэлектронной эмиссии от температуры. Затем охлаждают образец до исходной температуры. Вторично нагревают образец при тех же режимах при дополнительном освещении поверхности образца импульсным ИК-излучением с энергией фотона, равной собственному поглощению полупроводника потока ИК-излучения. Повторно определяют зависимость величины тока экзоэлектронной эмиссии от температуры, сравнивают ее с ранее полученной, определяют температуру, при которой значения тока экзоэлектронной эмиссии принимают равные значения, определяют искомую величину с использованием плотности светового потока ИК-излучения и определенной ранее температуры.

Существенность введенных в формулу изобретения признаков обосновывается следующим. Для возбуждения экзоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника необходимо воздействовать на его поверхность одновременно УФ-излучением с энергией фотона, соответствующей работе выхода электрона на поверхности, и температурным воздействием. При дополнительном освещении поверхности полупроводника ИК-излучением с энергией фотона, соответствующей собственному поглощению полупроводника в слое, толщина которого равна глубине поглощения фотонов, генерируются электроны и дырки. Вблизи поверхности они находятся в поле поверхностного заряда. Появление дополнительных (неравновесных) электронов и дырок в поле поверхностного заряда приводит к его компенсации. Это, в свою очередь, приводит к изменению поверхностного потенциала. Если же с поверхности генерируются фотостимулированные электроны, то при дополнительной ИК-подсветке их квантовый выход изменяется. Это возможно в том случае, когда концентрация электронно-дырочных пар, генерированных УФ-излучением, много меньше концентрации электронно-дырочных пар, генерированных ИК-излучением. Однако концентрация носителей заряда в полупроводнике в отсутствии ИК-подсветки не превышает концентрации носителей, генерированных ИК-излучением. Следовательно, существует такая температура полупроводника, при которой концентрация носителей заряда в полупроводнике без ИК-излучения совпадает с концентрацией носителей заряда, генерированной ИК-излучением.

Техническим результатом изобретения являются:
повышение целостности образца в ходе его контроля за счет отсутствия между ним и контролируемым устройством механического контакта, то есть обеспечение неразрушаемого контроля;
возможность определения концентрации подвижных носителей заряда бесконтактным, неразрушающим измерением;
повышение достоверности контроля за счет использования специального дополнительного мощного источника инфракрасного излучения в области собственного поглощения полупроводников;
увеличение диапазона толщин контролируемых образцов от тонких пленок толщиной от нескольких десятков до сотен анстрем до массивных, толщина которых приблизительно равна глубине собственного поглощения инфракрасного света в полупроводнике, то есть порядка мкм-см в зависимости от ширины запрещенной зоны.

Заявителю неизвестно существование способа определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводнике, который мог быть охарактеризован совокупностью признаков, введенных заявителем в формулу изобретения, поэтому заявитель считает, что изобретение соответствует критерию охраноспособности "новизна".

Заявителю неизвестно использование признаков, введенных им в отличительную часть формулы изобретения для достижения аналогичного технического эффекта, поэтому заявитель считает, что изобретение соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

Заявитель считает, что сущность изобретения раскрыта в материалах заявки с полнотой, позволяющей потенциальному пользователю воспроизвести способ; кроме того, оборудование, используемое для реализации способа, является общедоступным. Следовательно, заявитель считает, что изобретение соответствует критерию охраноспособности "промышленная применимость".

На фиг. 1 изображена функциональная схема установки для реализации заявленного способа; на фиг. 2 вид зависимости для случая УФ-обработки; на фиг. 3 вид зависимости для случая УФ- и ИК-обработки.

Установка, используемая для реализации способа, содержит вакуумную камеру 1, в которой размещен предметный столик 2, выполненный с возможностью регулируемого и контролируемого подогрева, вторичный электронный умножитель 3. В стенке камеры 1 выполнены отверстия 4 и 5, закрытые прозрачными для УФ 6, и для ИК 7 материалами. За ними расположены соответственно источники 8 и 9 УФ- и ИК-излучения. Между источниками и отверстиями в стенке могут быть размещены фокусирующие системы.

Способ реализуют следующим образом.

Образец полупроводника (столик или пластину) помещают в вакуумную камеру и вакуумируют, нагревая образец со скоростью от 10 до 20 о/мин при одновременном освещении поверхности образца УФ-излучением с энергией фотона, близкой к энергии работы выхода электрона из поверхности образца. Регистрируют зависимость экзоэмиссионного тока от температуры. Доводят нагрев образца до температуры, соответствующей первой точке перегиба зависимости. Затем медленно (примерно с той же скоростью) охлаждают образец до исходной температуры. Повторяют процесс нагрева при УФ-облучении при тех же условиях с дополнительной ИК-подсветкой с частотой от 10 до 20 Гц и энергией фотона, равной собственному поглощению полупроводника, измеряя при этом плотность светового потока ИК-излучения. Повторно определяют зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от температуры. Сравнивают полученную зависимость с ранее полученной. Определяют температуру, при которой значения токов экзоэлектронной эмиссии совпадают при одинаковых световых потоках. Рассчитывают концентрацию подвижных носителей заряда по формуле [3]

где
n_i -концентрация подвижных носителей заряда;
m эффективная масса электронов;
k,ℏ︀ постоянная Больцмана и Планка соответственно;
E_g -ширина запрещенной зоны (все эти величины справочные данные);
T^*-температура, при которой токи экзоэлектронной эмиссии совпадают.

Источники информации.

1.Ковтонюк Н.Ф. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов. М. Металлургия, 1970, с.155-171.

2. Авторское свидетельство СССР 1728901, H 01 L 21/66, 1990.

3. Зеегер К. Физика полупроводников. М. Мир, 1977, с.54-69.

Использование: полупроводниковое материаловедение, для определения электрофизических свойств полупроводниковых материалов. Сущность изобретения: для определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводниках вакуумируют образец, определяют зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от температуры при медленном нагреве образца и УФ-обработке его поверхности. Медленно охлаждают образец до исходной температуры. Повторно определяют зависимость экзоэлектронной эмиссии от температуры при тех же условиях и дополнительной ИК-обработке поверхности с известной плотностью светового потока. Сравнивают две зависимости. Определяют температуру, при которой значения тока экзоэлектронной эмиссии совпадают. С учетом этой температуры рассчитывают искомый параметр. 3 ил.

Способ определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводниках, включающий помещение образца в вакуумную камеру, его вакуумирование, медленный нагрев образца при одновременном освещении поверхности его УФ-излучением с энергией фотона, близкой к работе выхода электрона из поверхности полупроводника, определение зависимости величины тока экзоэлектронной эмиссии от температуры и определение искомой величины расчетным путем, отличающийся тем, что нагревание образца ведут до температуры первого перегиба зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры, затем медленно охлаждают образец до исходной температуры, повторно нагревают образец при тех же режимах освещения и нагрева при дополнительной обработке поверхности полупроводника импульсным ИК-излучением с энергией фотона, равной собственному поглощению полупроводника, с определением зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры, сравнивают обе полученные зависимости, определяют температуру, при которой величины тока экзоэлектронной эмиссии в обоих случаях совпадают, и рассчитывают искомую концентрацию с использованием найденной температуры.