Способ определения энергетических уровней полупроводников Советский патент 1986 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

V

Изобретение относится к измерительной технике и может быть в частности использовано при определении электрофизических свойств полупроводниковых кристаллов.

Известны способы определения энергетических уровней полупроводников, основанные на взаимодействии света с полупроводником, согласно которьгм

по частотной зависимости коэффициенIта поглощения или фотопроводимости

определяют ширину запрещенной зоны и энергию примесных уровней.

Недостатком этих способов является сложность аппаратурной реализации

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения энергетических уровней полупроводников, основанный на воздействии на полупроводниковый образец внешним электрическим полем. Способ дает возможность вычислить ширину запрещенной зоны материала на основании температурного хода проводимости, для чего требуется подать на образец электрическое и тепловое поля.

Недостатками способа является сложность и невысокая точность, так как при его реализации используется большое количество приборов, а образец должен иметь определенные геометрические размеры. Кроме того, контактные явления при пропускании и индикации электрического тока через полупроводник ограничивают способ по концентрации и подвижности носителей заряда. Известнымспособом нельзя отличить донорные примеси от акцепторных.

Цель изобретения - увеличение точности и упрощение способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения энергетических уровней полупроводников, основанном на воздействии на-полу- . проводниковый образец внешним электрическим полем, возбуждают в локальной области полупроводникового образца управляемые по величине электрические колебания с частотой ,. nv

2L целые числа, v скорость волны деформации кристаллической решетки, L - длина свободной от возбуждения части образца, измеряемая в направлении распространения волны, затем устанавливают на поверх982

ности образца два .металлических зонда в направлении распрост{)анения волны деформации, причем расстбяние-между ними не превышает четверти длины

волны деформации кристаллической решетки и один из них находится на ми-нимально возможном расстоянии от локальной области, измеряют постоянную разность потенциалов между зовдами,

а о параметрах полупроводника судят по зависимости разности потенциалов от величины напряжения возбуждающего электрического поля.

На фиг. 1 представлена схема, с

помощью которой реализуется способ . на фиг. 2, 3 показана зависимость разности потенциалов между зондами и, расположенными на поверхности полупроводника, от напряжения на обкладках конденсатора Uf, возбуждающего электрические колебания в локальной области полупроводникового

образца.

Часть исследуемого полупроводника 1 (фиг. 1) помещают между обкладками конденсатора 2 и изолируют от них диэлектрическими пленкамт 3 так, что за его предела1у и остается свободная часть образца длиной L. Подключая обкладки конденсатора к генератору сигналов, создают в локальной области полупроводника переменное электрическое поле, которое вызывает колебания свободных носителей

заряда и ионов. Так как последние связаны с нейтральными атомами кристаллической решетки квазиупругими силами, то вдоль свободной части полупроводника будет распространяться

волна кристаллической решетки. За счет интерференции бегущей от источника (конденсатора) и отраженной от края полупроводника волн возникает стоячая волна кристаллической решетки. в узлах стоячей волны процессы генерации и рекомбинации определяются тепловыми явлениями, а в остальных областях стоячей волны процессы рекомбинации происходят интенсивнее

за счет встречных колебаний ионов кристаллической решетки и свободных носителей заряда. Это приводит к уменьшению концентрации свободных носителей заряда в пучностях по сравнению .с областями узлов стоячей волны. Таким образом, вдоль полупроводника будет наведено распределение концентрации свободных носителей заряда с закономерностью, обратной распределению колебаний в стоячей волне. Между двумя металлическими зондами 4, расположенными на поверх ности свободной части полупроводника, один из которых - в области пуч ности, а другой - в области узла стоячей волны, наводится разность потенциалов, обусловленная разными концентрациями свободных носителей заряда, фиксируемая цифровым вольтметром 5, работающим в режиме посто янного напряжения. Величину амплитуды колебаний в стоячей волне можно регулировать из менением напряжения на конденсаторе С увеличением этого напряжения будет расти амплитуда колебаний ионов кристаллической решетки и .свободных носителей заряда, в связи с чем увеличивается частота их столкновений. Все это приводит к увеличению интенсивности рекомбинационных процессов и. уменьшению концентрации свободных ; носителей заряда в пучностях стоячей волны. Когда энергия свободных элект ронов, сообщённая им электрическим полемj становится равной энергии пер ,хода связанных электронов на более высокий энергетический уровень в кристалле, интенсивность процесса ге нерации увеличивается из-за ударной ионизации, увеличивается и концентра ция свободных носителей заряда. Если это основные носители заряда, то раз ность потенциалов между зондами умен шается, если это неосновные - увеличивается . При этом закономерность зависимости разности потенциалов меж ду зондами от напряжения на конденсаторе скачком изменится. Пример реализации способа. .Часть исследуемого образца в виде кремниевой пластины, легированной бором (р-типа проводимости), с удельным сопротивлением 0,1 0мм, диа метром 25 мм помещают между обкладками конденсатора площадью 10-10 мм и изолируют от них полиэтиленовыми пленками той же площади толщинЬй 0,5 мм. Обкладки конденсат.ора подклю чают к генератору сигналов типа ГЗ7А, работающему на частоте 10 Гц. Разность напряжений на зондах, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга и от обкладок конденсатора, фиксируют цифровьтм вольтметром типа В7-27А, работающим в режиме измерения постоянного напряжения. Частота 10 Гц является оптимальной для полупроводниковых пластин, вьшускаемых промышленностью. На фиг. 2 показано изменение напряжения на зондах U от напряжения на обкладках конденсатора Uf. в пределах 0,15-1,6 В, а на фиг. 3 - в пределах 0,005-0,150 В. На фиг. 2 наблюдаются три линейных участка при напряжениях на обкладках конденсатора в пределах 0,005-0,050 В; 0,0551,0 В; 1,1-1,6 В. При напряжении на обкладках конденсатора в пределах 0,050-0,055 В ход зависимости скачкообразно изменяется из-за уменьшения напряжения на зондах Следовательно, энергия перехода, электронов на более высокий уровень равна 0,05 эВ. По уменьшению напряжения между зондами можно судить о том, что в результате перехода увеличилась концентрация основных носителей заряда. Таким образом, определена величина энергии акцепторного примесного уровня, которьй находится на расстоянии 0,05 эВ от дна запрещенной зоны. Следуюпщй перелом графика фиг. 2 соответствует напряжению на конденсаторе 1,0 В, при котором разность напряжений на зондах несколько увели- . чивается, достигая максимума при напряжении на конденсаторе 1,05 В. Следоват льно, в данном случае увеличилась концентрация неосновных носителей заряда, что возможно при переходе электронов из валентной зоны в соседнюю свободную зону. Поэтому ширина запрещенной зоны равна 1,05 эВ. Приведенные значения акцепторного уровня (кремний, легированньй бором) и ширины запрещенной зоны соответствуют литературным данным. По сравнению с базовым объектом предлагаемый способ определения энергетических уровней полупроводников принципиально отличается от него и имеет следующие преимущества: 1)использует взаимодействие электрической энергии с полупроводником без каких-либо дополнительных преобразойаний энергии из одного вида в другой; 2)использует полупроводниковые ластины, выпускаемые промыщленносью, без какой-либо их обработки; 3)использует контактные явления ля индикации, что снимает ограниче51ния на концентрацию и подвижность носителей заряда} 4)для его реализации используют минимальное число приборов - источник переменного электрического напря женин и вольтметр постоянного напряжения, 5)графические зависимости строят ся с большой точностью, обеспечиваемой регулируемым источником переменного напряжения, 986) позволяет определить донорные и акцепторньте уровни Ботдельности. Указанные преимущества расширяйт -сферу применения способа определения энергетических уровней полупроводт .ков, что имеет большое значение при исследовании электрофизических свойств полупроводников и их использовании в полупроводниковых приборах, интегральных схемах и т.д.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, основанный на воздействии на полупроводниковый образец внешним электрическим полем, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и упрощения, возбуждают в локальной области полупроводникового образца управляемые по величине электричесliv кие колебания частотой f 2L п - целые числа, v - скорость волны деформации кристаллической решетки, L - длина части образца, свободной от возбуждения, измеряемая вдоль направления распространения волны, затем устанавливают на поверхности образца два металлических зонда в направлении распространения волны деформации, причем расстояние между ними не превышает четверти длины волны деформации кристаллической i решетки и один из них находится на минимально возможном расстоянии от локальной области, измеряют постоянную разность потенциалов между зондами, а о параметрахэнергетических уровней судят по зависимости разности потенциалов от величины напряжения возбуждающего электрического поля. СО со 00 7 V (J}fJ2. /