Способ определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников Советский патент 1991 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников .

Известен способ определения распределения плот.ности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводншсов, связанный с измерением вольтфарадных-характеристик. В этом способе осуществляется измерение емкости структуры с барьером Шоттки или р-п перехода в зависимости от приложенного напряжения, Об-работка экспериментальных данных в рамках существующих моделей позволяет получить , информацию о распределении плотности состояний в запрещенной зоне аморного полупроводника.

Недостатками данного способа являются

- недостаточная точность определения распределения плотности состояний- в объеме аморфного полупроводника вследствие невозможности вьщеления влияния поверхностных состояний в определяемую плотность,

ограниченность диапазона определения распределения плотности состояний по энергии,

длительность процесса измерений.

Известен также способ определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников, включающий приложение напряжения к структуре с барьером Шоттки, регистрацию тока и вычисление искомой величины. Согласно этому способу к структуре с барьером Шоттки (металл-окисел-полупроаодник) прикладывается внешнее постоянное напряжение и регистрируется поверхностный ток на границе окисел - полупроводник. Изменение величины внешнего напряжения ведет к изменению загиба зон в полупроводнике на границе окисел-полупроводник, что меняет концентрацию свободных носителей в полупроводнике и приводит к изменению поверхностного тока, измеряемого между контактами. Математическая связь между величиной измеряемого поверхностного тока и плотностью состояний, с одной стороны, и между внешним напряжением и плотностью состояний, с другой стороны, позволяет определить величину плотности состояний и ее распредепе ние в запрещенной зоне аморфного полупроводника .

Данный способ позволяет определит распределение плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников в широком диапазоне энергий и несколько повышает точность.

Недостатками способа являются

невозможность получения распределения состояний в объеме полупроводника.

невысокая точность вследствие высокой чувствительности к поверхности состояниям в связи с регистрацией поверхностного тока и влияния трудно устранимых постороиних токов (токи утечки, эмиссионные токи,термоэлектрические токи).

Цель изобретения - определение распределения плотности состояний в объеме аморфных полупроводников и |повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников, включающем приложение напряжения к структуре с барьером Шоттки,регистрацию тока и вычисление искомой величины, к исследуемой структуре прикладывают импульсное напряжение,дополнительно подвергают ее воздействию импульса света с длиной волны

----.

- Eg

длительностью

, удовлетворяющей усинтенсивностьюловию , и регистрируют изменение амплитуды переходного фототока в зависимости от времени между окончанием приложения к структуре импульса напряжения и временем фотовозбуждения, где:

Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ; h - постоянная Планка, эВ4с; с - скорость света, W - ширина области пространственного заряда в полупроводнике, см;

/ подвижность электронов в зоне проводимости полупроводника, . Е - максимальная напряженность

поля в области пространственного заряда, ; п - собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике, см ;

Пд - концентрация фотовозб5пкденных носителей в заряде,см Предлагаемый способ основан на измерении амплитуды переходного фототока, для чего необходимо создание неравновесных фотовозбужденных носителей заряда в объеме полупроводника. Это условие выполняется при

Л 6 , с другой стороны, длительbg

5 1

ность светового импульса, определяющая время нарастания переходного фототока от нулевого значения до максимума, должна быть такой,чтобы за это время фотовозбужденные носители заряда не вьппли из области пространственного заряда, что реализуется

л W

при условии С 17 Генерируемые /М t

при фотовозбуждении носители.могут искажать распределение поля в полупроводнике. Для устранения этого эффекта интенсивность света должна удовлетворять условию, при котором концентрация фотовозбужденных носителей не превышает собственной концентрации носителей заряда в полупроводнике, т.е. при условии

. При невыполнении указанных

условий для длины волны, длительности и-интенсивности светового импульса, т.е. при-Л -|-.. - окажется невозможным определение распределения плотности состояний в объеме полупроводника и повышение точности.

На фиг.I представлена исследуемая структура; на фиг.2 - профиль распределения потенциала в структуре с барьером Шотткй в отсутствии внешнего напряжения; на фиг.З - профиль распределения потенциала при приложении к структуре внешнего напряжения; на фиг. 4,5,6 - представлена временная диаграмма, разъясняющая порядок следования импульсов и регистрации фототока; на фиг.7 - определенное предлагаемым способом распределение плотности состояний в запрещенной зоне аморфного кремния.

Для структуры с барьером Ч1оттки (фиг.1),содержащей металлический полупрозрачный контакт 1 , слой 2 диэлектрика, слой 3 исследуемого аморфного полупроводника, металлический электрод 4 на границе диэлектрикполупроводник в отсутствии внешнего напряжения в равновесной ситуации образуется загиб зон и формируется область пространственного заряда, что показано на фиг.2, где граница 5 зоны проводимости FJ, граница 6 валентной зоны Еу, уровень 7 Ферми полупроводника F, область 8 пространственного заряда (ОПЗ).

27488

При таком профиле потенциала плотность заряда в ОПЗ определяется выражением

i-etftx)

ролз е I N(6)dg,

(1)

i

где е - заряд электрона, k; N(§) - функция распределения плотности состояний в запрещенной зоне полупроводника, см-. ; Б - энергия, эВ;

( (х) - профиль потенциала в ОПЗ,В, При приложении к структуре внешнего напряжения - на электроде I, + на электроде 4 (см.фиг.1), происходит изменение профиля потенциала в полупроводнике, что иллюстрируется фиг.З.

При таком профиле потенциала плотность заряда в ОПЗ определяется выражением

i-ecf(v) fi-ctf(v)

РОПЗ I W(6)d6 е / N(6)d6,

Е(х)

(2)

где Е(х) - профиль потенциала в

ОПЗ при приложении внешнего напряжения,В.

После выключения внешнего напряжения профиль потенциала в ОПЗ стремиться к равновесному, т.е. переходить от Е(Х) к Ср(х) за счет термического освобождения электронов с локализованных состояний в ОПЗ с вероятностью

р ( 3)

где Nph- фотонная частота, Гц; 5 энергия освобождаемого состояния, эВ; k - постоянная Вольцмана,

эВ .

Т - абсолютная температура,град. Тогда энергия состояний, освобождающихся к моменту времени t после окончания импульса напряжения:

(t) kTln(,).

(4)

При этом вьш1е .(t) локализованные состояния свободны, а ниже - заняты электронами, и формулу (2) можно переписать.в. виде: Н -е{рм « J N(E)de + fi-etfCx) + e f W(E)J. Поле в ОПЗ определяется по закону Пуассона: Ei(x,t) { р (x,t)dx+c, (6) &0& X где д - диэлектрическая проницае мость вакуума, , м; - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; . с - постоянная интегрирования, В м -. Амплитуда измеряемого переходного фототока определяется выражением j ..5.1JE. е jEi(x,t) |ц /Мр дрейфовые подвижности элек ронов и дырок в полупровод вике соответственно, см. с ; L - толщина слоя полупроводника, см; - квантовый выход; ОС - коэффициент поглощения,см I- - поток подающих фотонов, ° длительность импульса возбуждения , с. Таким образом, система уравнений (4) - (7) позволяет установить кол чественную связь между амплитудой переходного фототока и величиной плотности состояний, а изменение этой амплитуды во времени по.сле окончания импульса напряжения - рас ределение плотности состояний в интервале энергий от границы зоны проводимости до середины запрещенной зоны. Распределение плотности состояний в интервале от границы ва лентной зоны до середины запрещенной зоны определяется аналогично пу тем приложения к структуре внешнег напряжения другой полярности. На фиг. 4,5,6 представлена време ная диаграмма, разъясняющая порядок следования импульсов и регистрации фототока. ; К исследуемой структуре приклады вают внешнее импульсное напряжение (фиг.4). Спустя некоторый интервал 1 8Q времени t после окончания приложения к структуре импульса напряжения, структура подвергается воздействию импульса света длительностью (фиг,5). Производится регистрация переходного фототока во времени.При этом за время фотовозбуждения переходный фототок возрастает от нулевого значения до амплитудного (максимального) j а после окончания фотовозбуждения спадает в соответствии с законами дрейфа, диффузии и т.д. пакета фотоинжектированного заряда (фиг.6). Производится измерение двух величин:временного интервала от окончания приложения к структуре импульса напряжения до времени, при котором переходный фототок достигает своего амплитудного (максимального) значения, равный /2, и амплитуды (максимального значения) переходного фототока j,которая достигается в момент времени t t, + v /2 после окончания приложения к структуре импульса напряжения. По значению времени t t + { /2 по формуле (4) определяется энергия (t + Ь 12), а по амплитуде переходного фототока j по формулам (5) - (7) определяется величина плотности состояний Ы(5) для этой энергии (t + + /2). Таким образом, чтобы определить величину плотности состояний H(f) при любой наперед заданной энергии f , т.е. определить распределение плотности состояний в запрещенной зоне, нужно произвести последовательность вышеуказанных операций, т.е. произвести измерение амплитуды (максимального значения) переходного фототока j для соответствующего заданной энергии 8д интервала времени между окончанием приложения к структуре импульса напряжения и временем фотовозбуждения . Конкретная реализация способа осуществлялась следующим образом: в качестве металлического полупрозрачного контакта 1 .использовалась пластина толщиной 100 А с коэффициентом пропускания 0,3, в качестве диэлектрика - слой 2 SiO толщиной 1000 А , в качестве исследуемого полупроводника - пленка аморфного кремния, полученного методом разложения силана в ЗЧ-разряде,толщина пленки составляла 0,5 микрона, в качестве металлического электрода 4 - слой NiCr толщиной 300 А на стею1янной подложке. Измерения проводились на типовой установке для определения дрейфовой подвижности из времяпролетных измерений. Возбуждение проводилось лазером ЛГИ-21 с длиной волны 337 нм,дли тельностью импульса 10 не и потоком фотонов -с . К структуре прикладывалось импульсное напряжение длительностью 300 мкс и амплитудой 2В. Переходный фототок наблюдался на экране осциллографа. Проводилась регистрация изменения амплитуды переходного фототока в зависимос ти от времени между окончанием прило жения к структуре импульса напряжения и временем фотовозбужденир.Измерения проводились в диапазоне времен больше I МКС. ; Определенное распределение плот|ности состояний в аморфном кремнии представлено на фиг.7. Как видно из 1 10 фиг.7 предлагаемый способ позволяет определить распределение плотности состояний практШески по всей ширине запрещенной зоны полупроводника и выявить особенности распределения. что необходимо для анализа работы полупроводниковых приборов на основе аморфных полупроводников. Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ обеспечивает определение распределения плотности состояний в объеме полупроводника и повышение точности за счет устранения влияния посторонних токов и исключения влияния поверхностных состояний. Кроме того, способ позволяет определить распределение плотности состояний практически по всей ширине запрещенной зоны аморфного полупроводника, определить изменение распределения плотности состояний по объему за счет соответствующего выбора длины волны возбуждающего света и сократить время измерений .

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СОСТОЯНИЙ В ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЕ А140РФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, включающий приложение напряжения к структуре с барьером Шоттки, регистрацию тока и вычисление искомой величины, отличающийс я тем, что, с целью определения распределения плотности состояний в объеме аморфных полупроводников и повышения точности, к исследуемой структуре прикладывают импульсное напряжение, дополнительно подвергают ее воздействию импульса .света с л he длиной волны % S ---, длительностью Л W с fc ---, интенсивностью,удовлетвогп ряющей условию , и регистрип руют изменение амплитуды переходного фототока в зависимости от времени между окончанием приложения к структуре импул1зса напряжения и временем фотовозбуждения, где ; Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ; Ь - постоянная ГЬтанка, зВ-с; с - скорость света, см-с; 1S W - ширина области пространст(Л венного заряда в полупроводнике, см; Р подвижность электронов в зоне проводимости полупроводника, Е -. максимальная напряженность поля в области пространст. венного заряда, В-см п - собственная концентрация носителей заряда в полупро.воднике, Пд - концентрация фотовозбужденных . носителей заряда,см .

///У/////////У/У

1 Й/г f

1

X

X X

X X X X

X X X X X X X X X X X

Риг.Ч

Фиг.З

Внешнее напряжение

-J.O-7

(5)