Способ определения коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения коэффициента диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниковых материалах, используемых для изготовления полупроводниковых приборов.

Известен способ определения коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках IJ, основанный на создании п-п-перехода в образце, помещении Образца в СВЧ-поЛе, измерении термоэдс горячих носителей за- ряда, измерении коэффициента диффузии носителей заряда в слабом электрическом поле, определении высоты потенциального барьера р-п -перехода и получении коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда расчетным путем.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках 2J, основанный на освещении пластины из полупроводникового материала зондирующим инфракрасным излучением, а также импульсами света, вызываюпдего генерацию электронно-дырочных пар, измерении интенсивности зондирующего инфракрасного излучения, прошедщего через пластину, и вычислении коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда.

Недостаткс1ми этого способа являются низкая точность и большая трудоемкость, а также непригодность для определения коэффициента биполярной диффузии при нелинейных механизмах рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Целью изобретения является повышение точности, снижение трудоемкости и раоиирение функциональных возможностей способа путем обеспечения определения коэффициента биполярной диффузии при нелинейных механизмах рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Поставленная цель достигается тем, что по способу определения коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках, основанному на освещении пластины из полупроводникового материала зондирующим инфракрасным излучением, а также импульсами света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, измерении интенсивности зондирующего инфракрасного излучения, прошедшего через пластину, и вычислении коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда, длительность импульсов света, вьлзывающего генерацию электронно-дырочных пар, устанавливают больше времени жизни неравновес ных носителей заряда, дополнительно измеряют интенсивность света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар и интенсивность зондирующего инфракрасного излучения, прошедшего и отраженного от пластины в момент достижения максимального значения интенсивности света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар при двух или более значениях его интенсивности, а коэффициент биполярной диффузии неравновесных носи телей заряда в 1числяют по формуле

4Т„ ДТ,

4R.

+к.

относительные коэффидециенты пропускания и отражения при боль-шей интенсивности света, вызывающего генерацию электронно- - дырочных пар;

uT-i йК. то же при меньшей интенсивности света вызывающего генерацию электронно-дырочных пар;

(VI

N Ч

2

(SQ- сечение поглощения

зондируклцего инфракрасного излучения в

0материале пластины

показатель преломления материала пластины;

UI - частота зондирукхцего 5инфракрасного излучения;пт.е - эффективная масса и

заряд электрона. На фиг. 1 представлена схема Q установки для реализации данного способа, установка содержит полупроводниковую пластинку 1, источник возбуждающего излучения 2, источник зондирующего ИК-излучения 3, фотоприемник 4 для регистрации возбуждающего излучение и фотоприемники

5, 6 для регистрации зондирующего излучения и осциллограф 7.

На фиг. 2 приведены экспериментально полученные зависимости относительного пропускания AL-(a}f отражения (Ъ) ; на фиг. 3 - зависимость коэффициента биполярной диффузии D от уровня возбуждения. Способ позволяет повысить точность измерения коэффициента биполярной диффузии благодаря контрблю интенсивности- возбуждающего и зондирующего излучений в каждом импульсе возбуждающего света. Это позволяет устранить влияние известной нестабильности лазерных источников. Сущность способа состоит в следующем. Если полупроводниковую диффузионно-толстую пластину -АиФ / освещать светом из области собствен-, ного поглощения, то распределение электронно-дырочных пар в объеме описывается уравнением диффузии . 3)(п)(п). ИГ с граничными условиями на плоскости X О К) , 2) где (I-RO) - интенсивность возбуждения; (Q - коэффициент отра жения возбу кдакнцего излучения; п - концентрация носителя;tl - квантовый выход; 5{Л(,)- скорость поверхностной рекомбинации. . Уравнение (1 ) допускает решение в квадратурах при произвольных зависимостях г , D , 5 от и . После первого интегрирования по- - „ . (3) Полное число носителей будем искать в виде d d N jndK-jn-| dn (4) .00 подставляя уравнения (3) в (4, находимD(nldn J2U(nMDln)anV в случае малой скорости поверхностной рекомбингщии, когда вторым членом в уравнении (2 ) можно пренебречь (такая ситуация, как правило, реализуется при высоки) концентрациях неравновесных носителей заря-, да /HH3I вблизи травленной поверхности ), находим Пр п н с но D 15 в i п к н н Q н ,в т Т н м 50 N зводная формулы (5 ) по Пд о ) (о 2 -1п)3)(пЧс1п тавляя уравнение (6) в уравне(7) и решая уравнение (7) отнольно D(n)/ имеем следующее соотние:I ри двух значениях интенсивности уравнении (8 можно представить де«Kl- -i. ... Ol() полное число и приповерхностная концентрация ННЗ при меньшей интенсивности возбуждения; ПР большей интенсивности возбуждения. становим теперь связь величин ого числа N и поверхностной ентрации входящих в уравне(91, с измеряемыми, на опыте оттельным изменением пропускания и отражения . ропускание среды при прохождеэлектромагнитной волны через ужденную полупроводниковую пласку иожно Зсшисать в виде V 2 2 / пропускание невозбужденной пластины; q,2 показатель преломления на невозбужденной грани кристалла) &Q- сечение поглощения ИК-излучения свободными носителями заряда; д - изменение показателя преломления на грани, освещае мой возбуждающем светом. ожно показать, что 4,f 4 () а при условии GQN « 1 относитель изменение пропускания пластины но записать в следующем виде: . „ R (V-P , (2) ешая уравнение (12) относительно имеем

п ()

.(6)

ОJ

(3)

65 Для нахождения поверхностной коиц грации Пд воспользуемся выражение -.i 83/е Ld , при условии где Ljj - длина диффузии, л jy iltlf .«8J/e подставляя выражения (13 и (14) выражение Ч 9), получим окончатель г ., ( . Т 1 W ЛК /,uR Ur-K При определении коэффициента би лярной диффузии данным способом нет необходимости в измерении объе ного времени жизни f , что в случа узкозонных материалов избавляет от необходимости применения аппаратуры с высоким временным разрешением (н-ремени жизни / и позволяет измерять J) с большой точностью в у ловиях нелинейных механизмов реком бинации при большом уровне возбуждения, когда релаксация фотоответа характеризуется набором мгновенных времен жизни и не описывается одно экспонентой. Кроме того, способ бесконтактный и относительно прост технической реализации. Пример. Данным способом оценивалась величина коэффициента биполярной диффузии, принимавшаяся при расчете кс5нцентрационной зависимости -от уровня возбуждения по данным фотопроводимости D - 35 см Значения 1) , полученные предлагаемым способом, в теллуре составляют D 37 см с 39,8±1 см сек, 42 + 1 при интенсивностях возбуждения J 1 1-1023см-. и 1 сек соответственно. Несколько большая величина D и наблюдаемый слабый рост D с интенсивностью возбуждения обусловлен влиянием вырождения электронно-дырочной плазмы. П р и м е р 2. Дсшный способ использовался при измерении коэффициен та биполярной диффузии ННЗ в коистаплах JnSfc , No|- No 1,6- при комнатной температуре. Образец из- . готовлен в виде пластины,возбуждаемая грань которой сначала полировалась, затем обрабатывалась стандартным травителем СР-4А, а другая грань во избежание интерференционных эффектов шлифовалась абразивным порошком мкм. Экспериментальные зависимости .относительного пропускания - (кривая а) и отражения (кривая Ъ) показаны на фиг. 2, Погрешность при измерении обусловлена,, главным образом, ошибкой при считывании амплитуды сигнала и была не хуже 5%. Точность измерения может быть повышена при использовании цифровых импульсных приборов. На фиг. 3 представлена зависимость коэффициента биполярной диффузии D от уровня возбуждения. Рост коэффициента иллюстрирует расширение области -плазмы, обусловленное вырождением электронного газа и увлечением менее подвижных дырок . более подвижными электронами. Способ, сохраняя технико-экономические преимущества способа-прототипа, обладает рядом следующих: -повышение качества контроля П/п материалов, использующихся в приборах, работающих в условиях высоких плотностей тока (п/п лазеры, тиристоры, h/п -переключатели и т. п. ), -снижение экономических затрат при контроле широкого класса г /и материалов как на оборудование, так и на времени, необходимом для измерений.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА БИПОЛЯРНОЙ ДИФФУЗИИ НЕРАВНОВЕСШЛХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, основанный на освещении пластины из полупроводникового материала зондирующим инфракрасным излучением, а также импульсами света, вызывающего генерацию электронно-лырочных пар, измерении интен :я1вности зондирукяцего инфракрасного излучения, прошедшего через пластину, и вычислении коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности, снижения трудоемкости и расширения функциональных возможностей путем обеспечения определения коэффициента биполярной диффузии при нелинейных механизмах рекомбинации неравновесных носителей заряда, длительность импульсов света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, устанавливают больше времени жизни неравновесных носителей заряда, дополнительно измеряют интенсивность света, вызы-. вающего генерацию электронно-дырочных пар, и интенсивность зондирующего инфракрасного излучения, про.шедшего и отраженного от пластины в момент достижения мбиссимального .значения интенсивности света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, при двух или более значениях его интенсивности, а коэффициент биполярнс диффузии неравновесных носителей заряда вычисляют по формуле D. , л 2 R. относительные коэффИ где циенты пропускания и отражения при большей интенсивности света, вызывающего генерацию электроннодырочных пар; &Г Tl д( то же при меньшей К интенсивности света 3, вызывающего генерацию электроннодырочных пар) 60сечение поглощения зондирующего инфракрасного излучения в материале пластины, Ягпоказатель преломления материала -пластины, ш частота зондирующего ин акрасного излучения; т,е эффективная масса и заряд электрона.

t,,-f

df

гг

Ю

fO J, фl/г.J