Способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к полупро.водниковой технике и может быть использовано для определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запреценной зоне полупроводника, а также на основании этих данных - природы |примесей и дефектов фоточувствительiHbix материалов, например соединений типа , , Ge и Si с глубокими примесями. Известен способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенЪой зоне полупроводника, включающий облучение полупроводника элек тромагнитным излучением из области спектра многофотонного поглощения C Недостатком данного способа является то, что он предусматривает облучение материала излучением с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника в 2-3 раза; при этом коэффициент поглощения принимает максимальное значение, в результа те чего на точность и чувствительность .способа сильно влияет состояние поверхности. Кроме того, для широкозонных материалов реализация это го способа вызывает дополнительные трудности, связанные с применением ультрафиолетового излучения. Этот способ требует предварительного измерения времени жизни как основных, так и неосновных носителей заряда,а также удельной теплоемкости, которая неизвестна для новых материалов Известен также способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включакшщй предварительное возбужде ние полупроводника и измерение зави симости фотопроводимости от длины волны излучения последующего облучения, являющийся наиболее близким к описываемому способу и выбранный в качестве прототипа С2. В результате сканирования длины волны электромагнитного излучения, падающего на образец, в направлении от коротких к длинным появляется ши рокая полоса примесной фотопроводимости, по Длинноволновому спаду кот рой определяют положение энергетического уровня в запрещенной зоне , полупроводника. При сканирований длины волны электромагнитного излу992чения, падающего на образец, в направлении уменьшения длины волны явление .инду1дированной примесной фотопроводимости не наблюдается. Недостатком данного способа является низкая чувствительность и точность определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, так как широкая полоса индуцированной примесной фотопроводимости является результатом наложения в процессе сканирования нескольких элементарных перекрывающихся полос фотопроводимости, а на длинноволновой спад собственной фотопроводимости обычно накладывается примесной фотоэффект. Регистрация стационарного значения фотопроводимости исключает возможность выявления тех энергетических уровней, которые работают в неравновесном состоянии и релаксируют к равновесному по мере установления стационарного значения фотопроводимости. По зависимости фотопроводимости от длины волны электромагнитного излучения последующего облучения нельзя определить энергетическое положение нефоточувствительных центров - некоторых уровней рекомбинации и захвата. Цель изобретения - повьш1ение чувствительности способа и точности определения ширины запрещенной зоны полупроводника и положения локальных энергетических уровней в ней. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включающем предварительное возбуждение полупроводника и измерение зависимости фотопроводимости от длины волны излучения последующего облучения, измеряют зависимости разности между максимальным и стационарным значениями фотопроводимости от длины волны последующего облучения при фиксированных энергиях предварительного возбуждения и по максимумам этих зависимостей определяют ширину запрещенной зоны полупроводника и положение локальных энергетических уровней в ней. Поставленная цель может быть достигнута также предварительным возбуждением полупроводника электромагнитным излучением в области примесного и собственного поглощения и измере нием зависимости разности между макIсимальнмм и стационарным значениями фотопроводимости от длины волны излу чения предварительного возбуждения на фиксированных длинах волн последующего облучения и определением по, максимумам этих зависимостей ширины запрещенной зоны полупроводника и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника , На фиг. 1 представлена кривая . . фотопроводимости полупроводника; на фиг4 2 - кривые спектральной зависимости фотопроводй мости: кривая 1 спектральная зависимость продольной фотопроводимости, кривая.2 - зависимость амплитуды всплеска dJ при Д 0,875 мкм от длины волны предварительного освещения, кривая 3 - зависимость 4 D на фиксированной длине волны последующего облучения от длины волны предварительного возбуждения . Описьгоаемый способ использует явление вспьшечной релаксации фотопроводимости полупроводника электромаг нитным излучением в области собст-+ венного и примесного поглощения (4)иг. 1). В основе существования вспьшки фотопроводимости независимо от физических механизмов, ее вызьшающих, лежит необходимость создания неравновесного состояния на локальных энергетических уровнях, расположенных в Запрещенной зоне полупроводника. Последующая релаксация уровней в равновесное состояние приводит к восстановлению стационарного значения фотопроводимости. Если при. облучении полупроводника излучением определенной длины волны после длительной вьщержке в темноте релаксаций фотопроводимости плавно нарастает до стационарного значения, а такое же облучение полупроводника после предварительного возбуждения элек тромагнитным излучением другой длины волны либо любым другим видом излучения, создаю1цим пары неравновесных носителей, приводит к появлении) вспьшпси фотопроводимости с последующей релаксацией к прежнему стационарному значению, очевидно,что предварительное возбуждение полупровод-994 ника приводитК созданию неравновесного состояния на некоторых локальных энергетических уровнях. Количественным критерием этого состояния на всех прочих равных условиях полная вьщержка предварительного возбуждения до установления квазиравновесного состояния полупроводника,- регистрация разности между максимальным и стационар.ным значениями фотопроводимости - лЭ только после полной релаксации фотопроводимости к стационарному значению и т.д. - является, очевидно, величина ДЗ - разность между максимальным и стационарным значениями фотопроводимости при последующем облучении полупроводника, которая отражает процессы захвата и рекомбинации, происходящие при возвращении предварительно возбужденного .- приведенного в неравновесное состояние полупроводника в стационарное состояние. Если некоторые из имеющихся уровней предварительно не Ьыли выведены из равновесных условий, то при облучении полупроводника они могут неучаствовать в создании сигнала фотопроводимости - будучи либо нефоточувст- вительными, либо незаметньтми на фоне преобладающих каналов рекомбинации и захвата на других центрах, которые определяют стационарные процессы фотопроводимости. Предварительным возбуждением можно изменять состояние на этих уровнях, что приводит к их проявлению в величине 43 , на это указывает зависимость лО от длины волны предварительного возбуждения при фиксированной длине волны последующего облучения.- Поэтому исследование зависимости от длины волны последующего облучения при фиксированной энергии предварительного возбуждения и ее зависимости от длины волны предварительного возбз ждения при фиксированной длине волны последукицего излучения позволяет увеличить чувствительность способа и точность определения ширины запрещенной зоны и энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника по сравнению, с исследованием зависимостей стационарной фотопроводимости от сканирующего электромагнитного излучения из области собственного и примесного ттоглощеПример определения положения локальных уровней энергии в запрещенной зоне и ширины запрещенной зоны Материала ZnSe, специального нелеги- 5 ованного, с темновым удельным сопро

тивлением f А10 Ом-см, с индиевыми омическими контактами. Измерения роводят при комнатной температуре и постоянном напряжении нр образце

V 5В, Сначала измеряют/ спектральную зависимость продольной фотопроводимости (фиг, 2, кривая 1). На спектре фотопроводимости наблюдают максимумы при длинах волн 0,45; 0,51; 0,925 мкм и слабо заметные особенноети при 0,62 и 0,875 мкм Эксперим нтально определяют, что релаксационная кривая фотопроводимости возбуждении светом, в частности, с длиной волны 0,875 мкм имеет форму 20 всплеска (фиг, 1), амплитуда которого ЛЗ - разность между максимальным и стационарным значениями фотопроводимости зависит.от длины волны предварительного освещения об- разца. Измеряют зависимость амшштуды всплеска при ( 0,875 мкм от длины волны предварительного освещения (фиг. 2, кривая 2), Для этого образец ZnSe, вьщержанный в темноте, 30 предварительно освещают монохроматическим светом из области фоточувствительности. Когда фотопроводимость достигает стационарного значения, свет выключают и включают освеще.нйе 35 с длиной волны 0,875 мкм, при этом регистрируя величину амплитуды всплеска. При следующем измерении меняют длину волны предварительного освещения, оставляя неизменной дли- 40 ну волны последующего облучения. Измеряют также спектральную зависимость 43 при фиксированной длине волны предварительного освещения 0,45 мкм, соответствующей максимуму 45 собственного поглощения (фиг, 2, кривая 3), Для этого, предварительно освещая образец, выдержанный в темноте, светом с длиной воЛны 0,45 мкм, при последующем освещении 50 образца монохроматическим светом из „области фоточувствительности, регист;рируют величину амплитуды всплеска, Сравнивают кривые 2 и 1 фиг, 2, Ко- . ротковолновые максимумы на спектрах 55

фотопроводимости, соответствующие области собственного поглощения селенида цинка, на кривьпс 1 и 2 совпа/ ;ают. Ширина запрещенной зоны, определенная по этим максимумам, составляет 2,6 эВ, В области примесной фотопроводимости на кривой 2 (фиг, 2) наблюдается несколько минимумов, в отличие от кривой 1 (фиг,2), Эти максимумы являются элементарными полосами фотопроводимости, которые, перекрываясь, дают широкую сглаженную примесную полосу в спектре фотопроводимости на кривой 1 (фиг, 2)-, Этим максимумам, расположенным при длинах волн 0,515; 0,58; 0,64; 0,75; 0,79; 0,85; 0,925; 0,975 мкм соответствуют локальные уровни энергии 2,4; 2,14; 1,94; 1,65; 1,57; 1,46; 1,34; 1,27 эВ от дна зоны проводимости соответственно. Кривая 3 (фиг, 2) вьщеляет только один локальный уровень энергии на расстоянии 0,6 эВ от потолка валентной зоны.

Предлагаемый способ ойределения локальных уровней энергии эффективен для исследования полупроводниковых материалов. Данньй способ по сравйению со ctteKTpoM фотопроводимости позволяет выявить большее количес тво локальных уровней. На спектральных зависимостях д 3 проявляются дополнительные относительно спектров фотопроводимости максимумы, а его особенности более резко выражены на спектральных зависимостях ЛЗ , что /увеличивает чувствительность и лочность данного метода. В полупроводнике всегда присутствуют неконтролируемые примеси и дефекты кристаллической структуры, .за счёт которых в спектpax фотопроводимости размывется длинноволновой спад собственной фотопроводимости или даже возникает широкая полоса примесной фотопроводимости, Данньй способ может использоваться в технологии изготовления фоточувствительных полупроводниковых материалов для контроля чистоты полупроводника и состава примеси, а также в научных целях для определения параметров полупроводника, для исследова . ния процессов захвата и рекомбинатдаи :и для определения природы ripime;сей.

Cffem Темно

пмно Фиг.1

1. Способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальнык энергетических уровней, в запре.щенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение полупроводника и измерение зависимости фотопроводимости волны излучения последующего облучения, о т л и ч яю щ и и с я тем, что, с целйю повыйенйя чувствительности способа и точности определения ширины запре 1ценной зоны и положения энергетичес ких уровней, измеряют зависимости разности между максимальным и стащ онйрным значениями фотопроводимости от длины волды последующего облучения при фиксированных энергиях предварительного возбуждения k по максимумам этих зависимостей определяют ширину запрещенной зоны полупровод ника и положение локальных энергети, ческих уровней в ней. 2. Способ определения ширины запрещённой зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение по-; лупроводника и измерение зависимости фотопроводимости от длины волны S излучения последующего облучения, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности способа и точности определения ширины запрещенной зоны и положения энергетических уровней, полупроводник предварительно возбуждают электромагнитным излучением в области яримесного и собственного поглощения сх и измеряют зависимости разности межо ду максимальным и стационарным знасо ю р чениями фотопроводимости от длины волны излучения предварительного возбуждения на фиксированных длинах волн послед5П(щего облучения и по максимумам этих зависимостей определяют ширину запрещенной зоны полу.проводника и положение локальных энергетических уровней в ней.