Способ определения оптической энергии ионизации и типа симметрии глубокого примесного центра в полупроводнике Советский патент 1985 года по МПК H01L21/66 

1 11

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения параметров примесных центров в полупроводниковых материалах.

Известен способ определения оптической энергии ионизации глубоких примесных центров БО путем измерения спектрального распределения фотопроводимости или коэффициента поглощения в полупроводниках, состоящий в нахозвдении длинноволновой границы (порога) фотоионизации примесного центра (Лрр) или длины волны, соответствующей умень-i шению фотопроводимости на половину / ,/2 / ПО сравнению с величиной насыщения ее, и в определении 6о по формулам

,24 .24

toл- «лиео т-(1)

л гр л /г

Недостатком этого способа является неоднозначность определения .обусловленная неоднозначностью значений

о f грНаиболее близким к изобретению является способ определения оптической энергии ионизации и типа симметрии глубокого примесного центра в полупроводнике 2 путем освещения его монохроматическим светом.

Способ определения оптической энергии ионизации о состоит в освещении кристалла монохроматическим светом, энергия которого больше ширины Запрещенной зоны, в исследований спектральной зависимости рекомбйнационного излучения, в определении длины волны Я цакс соответствующей положению максимума излучения рассматриваемого примесного уровня и нахождению 8 по формуле

i,24

(2)

макс

Тип симметрии примесного центра определяется по смещению максимума фотолюминесценции приложении давления. Тчп симметрии примесного центра находится из наилучшего соответствия экспериментальных зависимостей Vj,ia f/P/ и расчетных кривых, полученных с учетом изменения с давлением ближайших зон. Изза неточного значения констант дефор мационного потенциала для зон в полу

142622

проводниках со структурой алмаза, которые могут отличаться в 3 раза, не всегда удается однозначно определить тип симметрии центра. В этом 5 способе требуется знание накс которое может быть точно определено лишь для узких линий. Фотолюминесценция , связанная с глубокими уровнями, как правило, дает широкие пики,

что затрудняет нахождение точного

значения , и следовательно, вносит погрешность в определяемые величины. Серьезным препятствием для применения способа определения.

оптической энергии ионизации и типа симметрии примесного центра является значительное уменьшение вероятности излучательной рекомбинации носителей тока при введении

в кристалл глубоких примесных центров и при увеличении плотности состояний на них.

Цель изобретения - повьш1ение точности определения параметров глубоких примесных центров в полупроводниках со структурой алмаза.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения оптической энергии ионизации и типа

симметрии глубокого примесного центра в полупроводнике, путем освещения его монохроматическим светом, измеряют спектральную зависимость фотопроводимости или коэффициента поглощения в интервале энергии фотонов :

3(8rpt4)(iia)i ; -AAfl

((Dsg,ptiw e:jАЛИ U-EO, (3) егр-Ьсо е дм л „,

где а - ширина запрещенной зоны; fo - удаление уровня от одной

из зон;

U - величина спин-орбитального расщепления; frp энергия, соответствующая началу фотоответа , связанного с исследуемым уровнем,

измеряют ЭДС Холла без освещения и по знаку ее определяют тип примесного центра, освещают кристалл светом из указанного интервала энергий, по знаку ЭДС Холла при освещении находят тип неравновесных носителей тока, по типу примесного центра и типу неравновесных носителей тока определяют зарядовое состояние исследуемого центра после фотоиони зации, экспериментальные зависимости фотопроводимости или коэффициент поглощения сопоставляют с расчетными кривыми, величину оптической энергии ионизации глубокого примесного центра €„ и тип его симметрии определяют по значениям параметров расчетной кривой,дающей наилучшее совпадение с экспериментальной зависимостью. На фиг.1 приведен энергетический спектр валентной зоны и зоны проводимости полупроводника; на фиг.2 экспериментальная зависимость сечения фотоионизации для кристалла кремния, легированного индием,и расчетные кривые. Для определения оптической энергии ионизации примесного центра по предлагаемому способу необходимо знание хода спектральной зависимости сечения фотоионизации не только вблизи длинноволновой гравицы, а в широком интервале энер- . гий падающих квантов, определяемом выражением (3). . Выбор указанного интервала энергий Ъсо обусловлен сложной структурой зон в полупроводниках со структурой алмаза. Именно для этого клас са полупроводников имеются формулы позволяющие учесть вклад в спектрал яую зависимость сечений фотоиониэа- {ЩИ всех зон. Валентная зона отделе на от зоны проводимости, обладающей в точке k О симметрией Г, , на величину f а , и имеет сложную структур Вышвлежа1цие минимумы зоны проводимости расположены значительно выше основного минимума Г, и вкладом и. в спектральное распределение можно п енебречь. Валентная зона в точке k О четырехкратно вырождена и соответствует симметриии Fg, Спин орбитальнр отщепленная зона, имеющая в точке fc 0 симметрию Г, удалена от вершины валентной зоны на величину U и вкладом ее пренебречь нельзя Если вклад в спектральную зависимост сечения фотоионизации зоны тяжелых и легких дырок начинается при h W f, то влияние зоны спин-орбитального отщепления начнет проявляться только с энергией 1i со В,, + & . Поэтому измерения спектральной зависимости следует выполнить в интерале энергий фотонов, достаточном для проявления всех особенностей, связанных со сложной структурой зон полупроводника; Этот факт и отражают условия (3), Измерения фотопроводимости или коэффициента поглощения следует проводить со значений энергий fiU - 5рр, соответствующей началу фотоответа, связанного с рассматриваемым , примесным центром. При увеличении интервала измерения 3(бгр 4) для л во Н(а(егр + 2л ) дляД-Еор1 с( + + Л) для Л БО мы не получим дополнительной информации для достижения поставленной цели. При определении интересующих величин для уровней, лежащих вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, условия - (3) могут привести к значениям п 4) 9 $ . В этом случае на фотоответ связанный; с примесным уровйем, будет наложен сигнал, обусловленный переходами валентная зона-зона проводимости; эта область спектра не может быть использована для анализа, и измерения не следует производить приьы 6д При рассмотрении фотоионизации примесного центра важно знать зарядное состояние после фотоионизации, так как волновая функция сво бодного электрона сильно зависит от заряда на примесном центре (притягивающий центр увеличивает плотность свободных электронов вблизи его по сравнению с нейтральньм, отталкивающий-уменьшает). Для этого следует определить тип примесного центра (донор или акцептор) и установить знак неравновесных носителей тока, создаваемых светом иэ рассматриваемой области энергии фотона (дьфка, электрон). Эти сведения могут быть получены из исследования знака ЭДС Холла в темноте и при освещении светом из указанного интервала. Конечное зарядное состояние определяется из таблицы. Далее по формулам (4-8), привеенным ниже, строятся расчетные кривые спектральной зависимости сечений фотоионизации j , учитьшающие зону проводимости /d /, зону тяжеых дырок /Ofj /, зону легких дьфок / бе /, зону спин-орбитального расепления / Cs / для каждого типа имметрии /Tg, ГУ, Гд /. Сечение фо S1 тоионизации для определенного типь симметрии есть: (S.c5,7:e,(), j где do - константа для рассматривае МОГО типа симметрии центра и величины его энергии ионизации; - множитель Зоммерфельда, а Р; (tw) - множитель, кото рый учитывает частотную зависимость сечений фотоио низации для нейтрального центра для притягиваю Г в - воровская энергия Симметрия Fj, : Переход уровеньвалентная зона г /i..42 Ф f. (gbtP)rgo I. , , (.-M -H bVpbi ; J(MPl-2-)(ags(p)-eelP) L (Eo-eeCP)) )l( (Pl) 46Р%I С о+ебСР))()8о)1 (еоПеь(Р1)ти L(e9(pvee(pl () Симметрия Г

(()

(МрЛГзв т„

-r-:

cj(6s{p)-8e(P))2

((р))

(5И-2У(е.((р)4бр) 4Вр-д

())

C(eblP)f mjfe-H((

(1(ОГ

(еб(Р)(Р))

т. (

(7)

((рП((р)). г ,-.,(Р)-В8%,Р). 2me 2we mj ee+eg(p))(gg(p)-ee(p)) (ico) ее.) f-ffig 2mв р2 g 2L6glP)(P), 2те (б (р)) о в ((P))l /. Р Г(н(Р)) тн s(l) Ues(Pl-MP))M2nie Мр)-4 ;е«С18 еК ввтеРл Нсо (ёЖЩб1(Гм B meUoo) H5,-«-W-2,-Sf(l «-.f) .(rl-ae.(Pl4,, ,(p|-,13;r- . . ((р)у2 Се.е(РГ (ee(p)-ee(p))Njj. fTle - эффективная масса электронов, fHj - эффективная масса дырок. Переход уровень-зона проводимости: 8 К (со-еоГ()-6,(,)/ 1,а).бЯба- о-- Т / из

WBm(E,(p)-)

nu|pme C9 Pr.tne//8u 86meP co

e..BaP))(e,(p1-ef/ -S 8,(p)-asV.e)

e(en(p)f т„

Psdiw)

(iiur

m/ (f((p)) (e..e.(«)(4-6.irt-,.,(. Симметрия Tg : Переход уровеньзона проводимости: () бз((2еа -ьц-2ео (liQ /P.4.-fe,.-9ff г (Eal-liQ-Zeo) ч Переход уровень-валентная зона: (tco-foV g 0 ,,.г.(г,-г,Ь (liw-eo) () (eoft,(j-eo) . Смысл величин. f,,(P),Ee(p)j e(p). пояснен фиг.1, где приведен знер- v гетический спектр валентной зоны и .зоны проводимости расстояния от вершины валентной зонд до зонного состояния,и импульсом р в зоне тяжелых дырок /Ь /, легких дырок /е / и в зоне спин-орбитального расщепления / 5 /,,- расстояние, отсчитываемое от соответст „ « вующей зоны ГПг 2- ГП | t rng ЛР)-(А4) (9 g . ,( fslPl-lA g-jP +l- l-J B P +2ВдР -нЛ (9 А.-1 .0-1 4 4 Wh 88mel 1(au (rtl(e.(f)-e.(p,fj a значение квaзиkмпyльca p находится из условия бо(Р)« где у примает значения п, е,5 . Приведенные формулы громоздки, но они просты для вычисления и содержат только известные величины, Далее экспериментально кривые сопоставляются с расчетными. Искомые значения оптической энергии ионизации и тип симметрии примесного центра соответствуют параметрам расчетной кривой, дающей наилучшее совпадение с экспериментальной зависимостью. Учет сложной структуры зон полупроводников со структурой алмаза и зарядового состояния примесного центра после фотоионизации дает возможность точнее определить оптическую энергию ионизацииИ тип симметрии примесного центра по сравнению с прототипом. Способ позволяет исследовать указанные характеристики для примесных уровней, имеющих низкую вероятность излучательной рекомбинации, которые не могут быть излучены по методу, приведенному в прототипе. Приведенные на фиг.2 расчетные кривые построены по формулам (6) с учетом условий (3) для значений параметров О,,16 эВ; 0,175 эВ; 0,19 эВ для симметрии примесного центра Fg (кривые 1,2,3), кривые 3,4,5 соответствуют одному значению оптической энергии ионизации ЕО типам симметрии Г , Г, Fg соответственно. Пример. Взят кристалл Si, который имеет структуру алмаза. Ширина запрещенной зоны Еапри 300 К

составляет 1,09 эВ, величина спинорбитального расщепления А равна 0,035 эВ, эффективные массы электронов и дырок равны trig 0,l6;fti,, 0,5; Кристалл легируют индием, которьй образует примесный уровень, лежащий на 0,16 эВ выше валентной зоны. При температуре жидкого азота исследуют фотопроводимость в интервале 0,16-0,4 эВ, что удовлетворяет условию (3) для А .i бд . Согласно исследованию знака ЭДС Холла, носитлями тока без освещения и при освещении светом, удовлетворяющем условию (3), были дырки. Т.е. примесный уровень In является акцепторным и при освещении имеет ме.сто перевод электронов из валентной зоны на примесный уровень с образованием дырки в валетной зоне. Согласно табл. 1, после фотоионизации примесный центр является притягивающим центром и в расчетах следует учесть 2 .

Из фиг.2, видно, что наилучшее совпадение экспериментальной зависимости /кривая ЗУ и расчетнай кривой достигается при параметре f 0,19 эВ. Сравнение кривых 3,4,5, полученных для возможных типов V 7

с эксметрии центра

б

периментальной показывает, что примесный центр имеет симметрию Tg, так как только для этой симметрии можно получить согласие экспериментальной и расчетной зависимостей. Две другие возможные симметрии примесных центров не могут описать экспериментальную зависимость ни при каких значениях 6о

Таким образом, из сопоставления экспериментальной и расчетной кривой следует, что In в Si образует примесньй уровень, оптическая энергия ионизации которого равна 0,19 эВ и имеет симметрию Tg. Известно, что энергия ионизации In в Si составляет 0,15 эВ.

Использование предложенного способа определения оптической энергии иони 4ации в конкретном случае позволило уточнить значение оптической энергии ионизации примесного центра In в Si на .0,03 эВ при точности измерений не хуже 0,01 эВ.

Предлагаемый способ определения оптической энергии ионизации и типа примесного центра не создает экономии а создает иной положительный эффект: он позволяет повысить точность определения оптической энергии и правильно найти тип симметрии примесного центраjзначение которьк необходимо при разработке и котроле технологических процессов получения как легированных так и нелегированных полупроводниковых кристаллов,применяемых в оптоэлектронике для создания приборов для систем оптической связи.

Зарядовое

Тип, неравноип примесвесных носостояниеого центра сителей тоцентрапосле фока в исслетоионизадуемом спектцииральном интервале

НейтральДырки

онор ный центр

ПритягиЭлектровающийны центр

Притягикцептор

Дырки вающий центр

Нейтральныйцентр iiV f 41 ,г

о,г0.3

fffpzuff фотона . зЗ

ОЛ .. Х X,

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ И ТИПА СИММЕТРИИ ГЛУБОКОГО ПРИМЕСНОГО ЦЕНТРА В ПОЛУПРОВОДНИКЕ путем освещения его монохроматическим светом, о т л ичающийся тем, что с целью повышения точности определения параметров глубоких примесных центров в полупроводниках со структурой алмаза, измеряют спектральную зависимость фотопроводимости или коэффициента поглощения в интервале энергии фотонов iico : Э(егр + , Л-гЕо , (егр + 2д) Ксо 2 Егр ,tiu Д - ,, () Ьо f гр I ti W - 3 АЛЯ л fo ; ширина запрещенной зоны; (, - удаление уровня от одной из зон; U - величина спин-орбитального расщепления; fР - энергия, соответствующая на чалу фотсответа, связанного с исследуемым уровнем, измеряют ЭДС Холла без освещения и по знаку ее определяют тип примес- ного центра, освещают кристалл светом из указанного интервала энергии, по знаку ЭДС Холла при освещении находят тип неравновесных носителей тока, по типу примесного центра и типу неравновесных носителей тока определяют зарядовое состояние исследуемого центра после фотоионизации, экспериментальные зависимости фотопроводимости или коэффициента поглощения сопоставляют с расчетными крывыми, величину оптической энергии ионизации глубокого примесного центра оИ тип его симметрии определяют по значениям параметров расчетной кривой,; дающей наилучшее совпадение с экспериментальной зависимостью.