Способ определения параметров электронных состояний на поверхности полупроводниковых автокатодов Советский патент 1984 года по МПК H01J9/42 H01J1/308 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для опрея1еления электрон ных характеристик поверхности твердых тел,в частности, в условиях сверхвысокого вакуума. Известен способ определения пара метров поверхностных состояний (ПС) на границе раздела полупроводник вакуум, основанный на измерениях спектральных характеристик квантового выхода у фотоэлектронной эмиссии вблизи ее порога и распределений Эмиттированиных фотоэлектронов по энергиям. В соответствии с этим методом образец, в частности полупроводник, облучают монохроматическ светом с .энергией квантов liiti, где ti - постоянная Планка; ш - частота света. При данной энергии liu/ измеря квантовый выход д-, т.е. отношение числа эмиттированных фотоэлектронов к числу поглощенных : фотонов Изменяя частоту о , измеряют f как функцию ш. Для определения из этих измерений функции плотности ПС Ngs(E ), где.Е - энергия, требуются сведения о матричном элементе перехода между начальным и конечным состояниями, а также о распределени конечных состояний по энергии 1,1Необходимость использования анализатора энергий фотоэлектронов, эмиттированных из ПС, и большой объ ем измерений, обусловленный необходимостью регистрации сп§ ктральрых характеристик у , обусловливают до роговизну и неоперативность данного способа. Известен также способ определени параметров ПС основанный на измере ниях распределений по энергиям автоэлектронов, эмиттированных из пол проводниковых автокатодов. Этот спо соб включает в себя-следующие операции: подают на анод положительное относительное полупроводникового ав эмиттера фиксированное постоянное напряжение / производят анализ распределения эмиттированных автоэлектронов по энергиям путем подачи пучка в дополнительное тормозящее электрическое поле и снимают зависи мость коллекторного тока от величины этого поля, дифференцируют полученную зависимость коллекторного то ка от величины тормозящего поля, из полученных, измерений определяют функцию N55(2) 2. Однако поскольку прозрачность по верхностного потенциального барьера сдля электродов, эмиттируемых из ПС, расположенных под дном зоны проводимости, может быть весьма мал распределение эмиттированных автоэлектронов по энергиям, отвечающее составляющей автоэмиссионного тока Лпс всегда легко измерить, так как автоэмисионные токи, сйответствующие узким энергетическим интервалам автоэлектронов, оказываются очень малыми. Следовательно, восстановление таким путем функции- либо не всегда возможно, либо приводит к большим ошибкам, свойственным измерениям очень малых токов. Кроме того, необходимость использования спектрометра автоэлектронов усложняет и удорожает эксперименты, а также делает их очень трудоемкими и неоперативными ,так как для нахождения NgglEl требуется определять зависимость энергетического спектра автоэлектронов от напряженности внешнего поля в широком интервале полей. Таким образом, недостатками известного способа определения Ngg(E) являются сложнрсть, трудоемкость, неоперативность и недостаточная точность, в частности низкое энергетические разрешение. Цель изобретения - повышение разрешающией способности и точности измерений, а также сокращение времени измерения. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения параметров электронных состояний на поверхности полупроводниковых автокатодов, включающему измерение параметров автокатода и обра:ботку получеЛных данных, катод охлаждают до температуры т - -А , - 0 к где Лб - энергетическое разрешение в функции плотности поверхностных состоянийJ К - постоянная Больцмана, измеряют статическую вольтамперную характеристику, по котором определяют высоту внутреннего потенциальноЛЧго барьера т vi-- j где Vj - внешнее напряжение, после чего находят плотность поверхностных состояний Hgg (Е ) из выражения N .i-( N-IEJ/E F yjj , J F - уровень Ферми на поверх-г ности полупроводника; - длина экранирования JJ Дебая} зе - диэлектрическая проницаемость полупроводника; NJJ- концентрация примеси в полупроводнике; Я - заряд электрона; /3- формфактор полупроводниково го автоэмиттера; Е. - внешнее электрическое поле. Эта формула следует из решения уравнения Пуассона для слоя обеднения Щоттки в приближении нулевой температуры. Для нахождения искомой функции плотности ПС по вольтамперной харак теристике определяют высоту внешнего потенциального барьера f, для ряда значений тока автоэлёктронной эмисс|ии и внешнего напряжения находят высоту внутреннего потенццаль .dV ного барьера Vs и производную --т-З-. Подставляя эти значения - и-S. в формулу (1), определяют плотности ПС 9з(Е как функцию положения уровня Ферми на поверхности полупроводника. Таким образом, предлагаемый способ включает следующие операции: исследуемый образец охлаждают до 11 температуры - , где де - заданное I . техническими условиями энергетическ разрешение; подают внешнее положите ное напряжение V относительно полу проводника, величина которого должн обеспечивать режим автоэлектронной эмиссии; измеряют статическую ВАХ автоэлектронной эмиссии, т.е.-завис мость «дэ f (Vpj); по ЗАХ определяют высоты внешнего и внутреннего потен аЧ ;; выциальных барьеров / , Vg и числяют плотность Ngg(E/ как функци положения уровня Ферми F на границе полупроводник - вакуум от из выражения (т-Ш1 Пример. Автоэлектронный катод из sin - типа устанавливают в автоэлектронный проектор на охлаждаемую ножку. Проектор откачивают до высокого вакуума, катод охлаждают до температуры , где лЕ - требуемое энергетическое разрешение. Подают внешнее положительное напряжение V относительно кремниевого острия. Величина Vjj должна обеспечивать режим автоэлектронной эмиссии. Снимают статическую вольтамперную Характеристику автоэлектронной эмиссии. По вольтамперной характеристике определяют высоту внешнего потенциального барьера Ч ,. например по наклону характеристики..Найденное значение. Ч подставляют в выражении для вольтамперной характеристики полупроводника и определяют значение высоты внутреннего потенцид/1ьного . барье а Vc и производную -з« Под, э .dVj , ставив найденные значения в расчет-нуй формулу {),, найдем искомую функцию . . Увеличение точности измерений в предлагаемом способе обеспечивается тем, что контролируется общий ток эмиттера при снятии вольтамперной характеристики. Экспериментальная простота этой операции позволяет сократить время измерений по сравнению с прототипом в 100 раз. Энергетическое разрешение предлагаемого слособа определяется Температурой образца и может принимать значения около ci 1 мэВ, т.е. увеличено в о; 10 раз по сравнению с известным способом

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗЛЕКТРОНИз1Х СОСТОЯНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АВТОКАТОДОВ,. включающий измерение параметров автокатода и обработку полученных данных, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и точности измерений и сокращения времени измерения, катод охлаждают до температуры гг. Л где й - энергетическое разрешение в функции плотности поверхностных состояний К - постоянная Больцмана, измеряют статическую вольтамперную характеристику, по которой определяют высоту внутреннего потенциальd. ного барьера Yj Чи V где внешнее напряжение, после чего находят плотность поверхностных состояний где F - уровень на поверхности полупроводника; «КГ S, длина экранирования Дебая; Ж - диэлектрическая проницае- , мость полупроводника; NJJ - концентрация примеси в полу проводнике; Я -- заряд электрона; /5 Уформфактор полупроводнико вого автоэмиттера; Е - внешнее электрическое поле.