Способ определения параметров варизонного полупроводника Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам измерения параметров вари зонных полупроводников. Известен способ определения координатной зависимости ширины аапрещенной зоны варизонного полупро водника с монотонно изменяющейся вдоль одной из координат шириной з прещенной зоны путем измерения его краевой фотолюминесценции., Суть сп соба заключается в том, что скалыв кристалл, измеряют энергию пика- фо толюминесценции (ФЛ) при возбуждени кристалла в определенной точке, по найденной энергии пика и известной из независимых измерений энергии залегания примеси, через которую идет ФЛ, определяют ширину запрещенной зоны Е в упомянутой точке, определяют координатную зависимость Ех- путем возбуждения кристалла в разных точках Yj . Недостатком способа является то что для определения градиента ширины запрещенной зоны производят скалывание кристалла, т.е. нарушают ег целостность. Кроме того, его применимость ограничена: луч возбуждающего света направлен перпендикулярно градиенту Е, поэтому толщина варизонного кристалла должна быть достаточно велика по сравнению с диаметром пятна возбуждающего све та (практически не менее 500 мкм) в то время, как . большинство варизонных структур имеет толщину наризонной области менее 100 мкм. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ .определения параметров варизонного полупроводника, включающий возбужде ние и измерение энергии пика его кр евой люминесценции со стороны узкозонной поверхности. Суть способа состоит в том, что варизонный полупроводник сошлифовывают с одной стороны под малым углом к плоскости, перпендикулярной iRtf, измеряют энергию пика ФЛ при возбуждении кристалла в определенной точке сошлифованной поверхности, по найденной энергии пика и известной из независи1 ых измерений энергии залегания примеси, через которую идет ФЛ, определяют Е в упомянутой точке, указанную операцию повторяют, возбуждая ФЛ в разных точках сошлифованной поверхности 2 . Недостатком известного способа является то, что он приводит к порче кристалла, т.е. к нарушению его целостности. Кроме того, он не позволяет определить локальное зна.чение градиента ширины запреоденной зоны вблизи узкозонной поверхности. Цель изобретения - определение градиента ширины запрещенной зоны iEtf вблизи узкозонной поверхности без нарушения целостности образца. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения параметров варизонного полупроводника, включающему возбуждение энергии пика его краевой люминесценции со стороны узкозонной поверхности, и измеряют зависимость коэффициента пропускания t указанного полупроводника от энергии кванта, из незави.симых измерений определяют значение коэффициента поглощения ot при t а искомую величину опредесоотношенияляют из ,Е,.. градиент ширины запрещенной зоны полупроводника, )- коэффициенты пропусt. ,t(h9 кания в области прозрачности и при h /иакс соответственно;характеристическая энергия в выражении для коэффициента поглощения;коэффициент поглощения полупроводника . при .. Экспериментально установлено, что при энергиях кванта, меньших края поглощения, твердые растворы, например, InAs..v, ЗЪ Р имеют экспоненциальный рост коэффициента поглощения. Поэтому коэффициент поглощения для света с Ь Ей-„ „ , падающего параллельно направлению градиента Е, в варизонном кристалле на. основе твердого раствора может быть определен в виде / h-J -Е-5 ,,..„ -V Ел- Z об оСс, « ширина запрещенной зоны на узкозонной поверхности варизонного полупроводника, мэВ энергия кванта мэв; градиент ширины запрещенной зоны, мэВ/мкм; 7, - координата, вдоль которой меняется Ел- (обычно 2 совпадает с направлением роста варизонного кристалла), мкм/ Z О - уравнение для узкозонной поверхности, Е - характеристическая энергия в выражении для коэффициента поглощения, мэВ. При возбуждении и измереЕ1ии люминесценции со стороны указанной поверхности энергия пика краевой люминесценции h-JMoirc определяется значением ширины запрещенной зоны поверхности полупроводника, т.е. Й мин Действительно, встроенное электрическое поле варизонного полупроводника при указанном способе возбуждения направлено навстречу неосновным носителям, образуюии мся при возбуждении кристалла. В резул тате основные носители скапливаютс в небольшой области вблизи поверхности полупроводника, где Eg равно ЕЙ ЛАКИ- Поскольку спектр излучеимя (ПИК люминесценции) формируют неосновные носители, то + 4h-, где Е д,„ц - ширина запрещенн зоны на узкозонной поверхности пол проводника, h- макс- энергия пика краевой люминесценции, т.е. энергия излученного кванта, при котором интенсивность люминесценции им ет максимальное значение, а д ь9 некоторая поправка, учитывающая по ложение уровня Ферми, глубину залегания примеси, через которую иде рекомбинация, а также особенности формирования пика люминесценции ва риэонного -полупроводника. Подставляя Ь-)мо,кс ДЬ в выражение (1), получаем . -У%21 (2) ОС-обоСХр IfI )(р(. Для вычисления оптической плотности варизонного полупроводника проинтегрируем выражение (2) по координате Z f «ioe .е,р|- где d - толщина варизонного кристалла, мкм. Из выражения (3) видно, что спектр оптической плотности вариэонного полупроводника при который экспериментально определяется из измерений спектра коэффициента пропускания t, содержит информацию о градиенте Eg вблизи узкозонной поверхности. Действительн практически представляет интерес случай, когда --|-- 2,3, так как iEtf.d -, нетрудно видеть, что при , оптическая плотность варизонного полупроводника совпадает с оптичес кой плотностью гомозонного полупро дника толщиной d и Eg- , т.е по оптическим свойствам варизонный полупроводник аналогичен гомозонному d o-ti «-3 При -4 2,3 выражение ( 3) рощается , . «ioe y-W i,M-.,p Используя соотношение (4), характеристическую энергию определяют из экспериментальных данных по пропусканию следуюгдам образом Ы,-Ь U, enD,-enD/e. где h- , - произвольные точки на спектре коэффициента пропускания, t,t(h-i ) , t,( ) . Подставляя в выражение ( 4) ,p, получаем ь(ь,„,,Ь. Таким образом, гргщиент ширины запрещенной зоны определяют из соотношения«Р g Г77- Г г11Ь-)мо,кс где t(,jc ) - коэффициент пропускания варизонного полупроводника при l5- h Mai{c to - коэффициент пропускания полупроводника в области прозрачности. Параметров5, который не зависит от градиента ширины запрещенной зоны, используемый для вычисления iEg, определяют из независимых измерений, т.е. измерений, проводимых на калиброванном образце с известным градиентом Eg с той же, что и в исследуемом образце концентрацией и типом примеси, а такжеобластью составов твердого раствора. Независимое измерение параметра ос-о для данной серии образцов (образцов с разным градиентом Eg, но одинаковым уровнем легирования проводят только один раз. Особенностью способа является то, что он позволяет определить градиент ширины запрещенной зоны вблизи узкозонной поверхности. Известный способ определяет л Eg как некоторую усредненную величину, точность определения которой зависит от шага сканирования точки возбуждения ФЛ, а также от диаметра пятна.возбуждения. В способе градиент ширины запрещенной зоны определяют из данных по коэффициенту пропускания, а поскольку поглощение света происходит на глубине примерно 1 мкм, то значение градиента Е, определяемого по этому способу, соответствует локальной величине дЕ вблизи узко зонной поверхности на глубине примерно 1 мкм. В этом проявляется пр имущество предлагаемого способа в тех случаях, когда важно знать не среднее, а локальное значение градиента ширины запрещенной зоны варизонного полупроводника. Пример. Измеряют градиент ширины запрещенной зоны в эпитаксиальных пленках твердых растворов 1пАз4-.ц ., (0,,12, , выращенных методом жидкофазной эпй таксии на подложках InAs (Ш)В. Образцы были Т1 типа с концентрацией носителей (3 - 5) Ю см. Концен рация атомов суры«1 возрастает к поверхности, а фосфора - падает, поэтому во всех образцах ширина за прещенной зоны убыъае-г к поверхнос ти, и на поверхности имеется минимальная ширина запрещенной зоны. Измерения проводят при 100 К. Д возбуждения ФЛ используют полупроводниковый лазер ЛД-16 при эФом уровень возбуждения слабый. Спектр коэффициента пропускания измеряют на двухлучевом ИК-спектрофотометре UR-20. Для определения параметра / неоЬходимого дяя расчета л Kg, выращ калибровочный образец и типа с кон цеитрацней п(3 - 5) - со таном 0,08$Х«0,12, ,10. После измерения энергии пика краевой люминесценции ЫмоксИ спектра про,пускания в калибровочном образце методом послойного стравливания определяют грашиент Eg. При этом оптические параметры образца оказываю-гся слеДумишми: 11)макс.337 мэ е 7 мэв, - tn lil MS-Ell 0,56, uEtf 2,8 мзВ/мкм. Используя .соотнойение (5), определяют параметр , котсфый оказывается равным et. .-10 СМ- (100К). Градиент ширины запрещенной зоны в исследованных образцах определяет ся следующим образом. ВозБуждагат ФЛ со стороны узкозон ной поверхности эпитаксиальных слоев. Измерения ФЛ проводят со стороны возбуждения. Из спектров ФЛ определяют h Macti Затем измеряют спектр коэффициента пропускания t, из которого определяется характеристическая энергия и значение коэффициента пропускания при На чертеже представлены экспериментальцые спектры коэффициента пропускания (кривые 1-3) и спектры ФЛ, измеренные со стороны узкозонной поверхности(кривые 4-6) трех образцов 1-3. Изсоотношения (5) определяют градиент Е. Расчетные значения АЕ соответственно равны:ДЕ«,1,8 мэВ/мкм ,6 M3B/MkM,Erf,, 8 мэВ/мкм.Для проверки способа в этих же образцах путем послойного стравливания независимо определяют VЕл-,который равен ,8 мэВ/мкм для всех трех образцов . Таким образом, предлагаемый способ позволяет определись градиент ширины запрещенной somt вблизи узкозонной пбверхности неразрушакядам методом. ДРУГИМ важйнм преимуществом способа являетс.я его простота. Изобретение позволяет определить &Е и в том случае, когда коэффициент поглощения гданяетсй неэкспоненциально.. Для определения при этом следует пользоваться соответствующими градуировочными кривыми.

АР,

пм НАЯ:з

n/lN

СПОСОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАРИЗОННОГО ПОЛУПРОВОДНИКА, включающий возбуждение и измерение энергии пика его краевой люминесценции со стороны узкозонной поверхнос ;с /,1/ ,ти, отличающийся тем, что, с целью определения градиента ширины запрег{енной зоны &Е вблизи УЗКОЗОННОЙ поверхности без нарушения целостности образца, измеряют за висимость коэффициента пропускания t указанного полупроводника от энергии кванта, из независимых измерений определяют значение коэффициента поглощения otj при h9,m,Kc искомую величину определяют из соотнокюния ,с -ТПГл 6 о.ЛхМ, макс -Вп где 4Е, - градиент ширины заё прещенной зоны полуi проводника ; )- коэффициенты пропусt- ,t(h-J k/) Р макс кания в области прозрачности И при соответственно; Е характеристическая энергия в выражении для коэффициента поглощения, коэффициент поглощео ел ния полупроводника при . с э