Способ определения подвижности неосновных носителей заряда (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

зоны полупроводника, регистрируют зависимость отражения излучения от величины магнитного поля, находят максимальный сигнал отражения, рассчитывают подвижность неосновных носителей заряда по формуле С

/неоои. в

m

где подвижность неосновных носителей заряда;

В - индукция магнитного поля (соответствующая максимальному сигналу отражения); .С - скорость света,

причем величину электрического поля выбирают соответствующей линейному участку вОЛЬт-амперной характеристики образца в отсутствие магнитного поля.

1. Способ определения подвижности неосновных носителей заряда, основанный на приложении к полупровода1иковому образцу электрического поля, о тличающийся TeMj что, с целью повышения точности определения подвижности в полупроводника:с с малой диффузионной длиной в области смешанной проводимости и упрощения способа, образец помещают в магнитное поле так что векторное произведение вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поЬя направлено вглубь образца перпендикулярно его поверхности, регистрируют зависимость отрицательной люминесценции на этой поверхности от величины магнитного поля, находят минимальный сигнал отрицательной люминесценции, рассчитывают подвижность неосновных носителей заряда по формуле / неосн в m где jMjjpQg - подвижность неосновных носителей заряда; Втиндукция магнитного (соответствующая минимальному сигналу лкминесценции); С скорость света, причем величину электрического поля выбирают соответствующей линейному участку вольт-амперной характеристики образца в отсутствие магнитного :ПОЛЯ. 2. Способ определения подвижности неосновных носителей заряда, о: основанный на приложении к полупроо ;водн иков ому образцу элек триче ско го 4 СХ поля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности оп4 ределения подвижности в полупроводниках с малой диффузионной длиной в области смешш1 ой проводимости и упрощения способа образец помещают в магнитное поле так, что векторное произведение вектора напряженно.сти электрического поля и вектора индукции магнитного поля направлено вглубь образца перпендикулярно его поверхности, облучают ЭТУ поверхность излучением с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной

1

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля подвижности неосновных носителей заряда в узкозонных материалах, используемых для изготовления полупроводниковых приборов.

Известен способ измерения подвижности неосновных носителей заряда который включает .создание эмиттерного, коллекторного и двух омических контактов к полупроводншсов |у образцу, приложение к образцу электрического поля напряженностью Е через омические контакты, 1шжекци 0 пакета неосновных носителей заряда из эмиттера, измерение времени дрейфа i пакета неосновных носителей заряда в электрическом поле от эмиттерного контакта к коллекторному, измерение расстояния между эмиттерньы и коллекторным контактами f, вычисление биполярной дрейфовой подвижности носителей заряда по формуле :

где t - время дрейфа пакета (время установления режима истощения в кристалле).

В общем случае биполярная дрейфовая подвижность определяется соотношением

(t)

n Р

где п,,Яр- подвижность электронов, дырок; - концентрация электронов,

дырок.

В области примесной проводимости, когда п р или , дрейф пакета инжектированных носителей заряда определяется неосновными носителями заряда и

. (2) где подвижность неосновных

Носителей заряда. Б области собственной проводимости, когда п р , согласно формуле (1)

jUf-.O (3)

Из формул (2) и (3) видно, что в зависимости от степени собственности материала (соотношения rv и Ь) jWg может изменяться в широких пределах tij.

Недостатком этого способа является низкая точность определения значения при переходе к смешанной проводимости. Точное вычисление подвижностей неосновных носителей по величинеjb затруднительно, так ;Как неизвестны значения подвижности носителей и концентраций электронов и дырок, определение которых представляет собой сложную задачу при смешанной проводимости полупроводника.

5 Кроме того, способ обладает низкой точностью в применении к узкозоннЕМ полупроводникам с характерными для них малыми диффузионньжи длинами L (L 100 - 1 мкм), поскольку коллекторные контакты имеют конечные размеры порядка 10 мкм, что не позволяет точно определять расстояние между этими контактами и в случае малых диффузионных длин приводит к значительном погрешностям. Точность измерений этого спосо ба существенно ограничивается также шумами и нелинейностыр коллектор ных контактов. V Способ сложен технологически для измерений в полупроводниках с малой диффузионной длиной, так как создание выпрямляющих контактов на образце -Ерлщйной порядка 100 мкм является трудно осуществимой задачей Контактная инжекция неэффективна в узкозонных материалах при повьшенных Температурах, т.е. при тех усло 1в1иях, когда наблюдается смешанная проводимость. Способ принципиально неприменим.для полупроводников с со ственной проводимостью. Известен также способ измерения подвижности неосновных носителей за ряда по величине размытия пакета не равновесных носителей заряда, в котором инжекция осуществляется оптическим путем, а регистрация производится с помощью коллекторных контактов. При реализации способа используются скрещенные электрическае и магнитное поля flj. Недостатком способа является низ кая точность определения подвижност при переходе к смешанной проводимости из-за невозможности точного вычисления по используемой фохжуле и из-за неопределенности расстояния между коллекторными контактами, обу ловленной их конечными размерами.. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения подвижности неосновных носителей заряда, осно- . ванный на приложении к полупроводни ковому образцу электрического поля. Способ включает создание антизапорного и омического контактов к полупроводниковому образцу, приложение к этим контактам импульсного электр ческого поля, измерение времени установления режима истощения в кристалле t, измерение расстояния между антизапорным и омическим контак тами Р, измерение проводимости образца в режиме кстощения Og , освеще ние образца от внешнего источника излучения, измерение проводимости 4844 образца при освещенииd, вычисление подвщсности неосновных носителей заряда по фо1шуле,. В отличие от других известных сйо-- собо измерения подвижиости яеоснов-. ных носителей в области смещанярй проводимости в известном способе используется явление зксклюзии для изменения проводимости полупроводникового образца от .смешанного типа до примесного 13. Недостатком известного способа является низкая точность определения подвижности неосновных носителей заряда для материалов с малыми диффузионню«и длинами, характерными для узкозонных полупроводников при высо-: ких температурах, что связано с неопределенностью расстояния между тактами, которая обусловлена конечностью их размеров Эта погрешность велика, так как размер образца в направлении движения носителей должен быть меньше растянутой диффузионной длины (диффузионнай длина вдоль электрического поля), иначе процессы объемной генерации носителей будут подавлять процесс эксклюзии. Кроме того, точность измерений значительно снижается из-за большой ошибки, связанной с определением времени вытягивания неосновных носителей заряда, величина которого сильно искажается паразитными индуктивностями и емкостями антизапорного контакта, самого образца и измерительной цепи. Точность способа существенно снижается из-за шумов и нелинейности эксклюзирующих контактов. Способ сложен технологически для измерений в полупроводниках с малой диффузионной длиной, так как создание эксклюзирующих контактов в-образце на расстоянии 10-100 ню является трудно осуществимой задачей. Следует отметить, что кон-. тактная эксклюзия не всегда эффективна, в частности, в узкозонных материалах и при повышенных температурах, что создает дополнительные сложности. Цель изобретения - повышение точности определения подвижности в полупроводниках с малой диффузионной длиной носителей в области смешанной проводимости и упрощение способа.

Цель достигается тем, что согласно способу определен подвижности неосновных носителей заряда, основаннежу йа приложении к полупроводниковому образцу электрического поля, образец помещают в магнитное, поле так, что векторное произведение вектора Напряженности электриг ческпго поля и вектора индукции магнитного поля направлено вглубь образца перпендикулярно его поверхности, регистрируют зависимость отрицательной люминесценции на этой поверхности от величины магнитного поля, находят минимальный сигнал отрицательной люминесценции, рассчитывают подйижность неосновных носителей заряда по формуле

U)

/ несен в

где Л/цр(,.. - подвижность неосновных

носителей заряда; Вт - индукция магнитного поля (соответствующая минимальному сигналу люминесценции) ; С - скорость света, причем величину,электрического поля выбирают соответствующей линейному участку вольт-амперной характеристики образца в отсутствие магнитног поля.

Согласно способу по второму варианту образец помещают в магнитное поле так, что векторное произведение вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля направлено вглубь образца перпендикулярно его поверхности, облучают эту поверхность излучением с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, регистрируют зависимость отражения излучения от величины магнитного поля, находят максимальный сигнал отражения, рассчитывают подвижность неосновных носителей заряда по формуле

С /неосн.- sr

-Ofn

где ц..,..-- подвижность неосновных

ИС-ОСН

носителей заряда; индукция магнитного поля (соответствующая максимальному сигналу отражения);

С - скорость света, причем величину электрического поля выбирают соответствующей линейному участку вольт-амперной характеристики образца в отсутствие магнитного поля.

На фиг. 1 представлена схема изме риТельной; установки, первый вариант; на фиг. 2 - то же, iторой вариант; на фиг1 3 - кривая, отвечающая Пространственному распределению но- сителей заряда в образце; на фиг. 4 кривая зависимости интенсивности

рекбмбинационного излучения Р/Р, от величины магнитной индукции В; на фиг. 5 - кривая зависимости отражен 9|.го сигнала R/Rp от величины магнитной индукции В. На фиг. 3 и 4

обозначены: Р - интенсивность рекомбинацйонного излучения; Pj, - равновесная интенсивность рекомбинационного излучения; R - коэффициент

отражения; К - коэффициент отражения в отсутствие внешних полей.

Схема устройства по первому варианту (фиг. 1) содержит полупроводниковый образец ,1, источник 2

электрического напряжения, полюса электромагнита 3, систему 4 управления электромагнитом, фокусирующую систему 5, фотоприемник 6, усилитель 7, осциллог раф 8. ;

Схема устройства по второму варианту (фиг. 2) содержит полупроводниковый образец. 1, источник 2 электрического напряжения, полюса электромагнита 3, систему 4 управления элек тромагни- ом, фотоприемник 6, усили-,: тель 7, осциллограф 8, источник 9 излучения. .

,

Изображены также (фиг. 3) уровень 10 концентрации равновесно распределённых нёбсновных носителей заряда 10, уровень 11 концентрации нескомпенсированных примесей, распреде- . ление 12 неосновных носителей заряда при В

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

В отсутствие внешних полей из полупроводника выходит равновесный поток междузонного излучения Р, величина которого определяется равновесной концентрацией п носителей токапр-п . При наложении скрещен7ных Е и в полей в таком направлении, чтобы дрейф электронно-дырочных пар происходил от поверхнос ти, со стороны которой наблюдается излучение, вглубь полупроводника, концентрация носителей вблизи этой грани становится меньше равновесно го значения. Соответствующим образом уменьшается интенсивность рекомбинационного излучения, т.е. наблюдается отрицательная люминесценция. При сильном истощении приповерх ностной части полупроводника(пр« я глубина модуляции рекомбинационного излучения практически становится равной значению Р, т.е. максимальная амплитуда отрицательной .люминесценции равна интенсивности равновесного рекомбинационного излучения свободных электронно-дырочных пар. Зависимость сигнала отрицательной люминесценции Р от электрическ го Е и магнитного В полей имеет сл дующую особенность: с увеличением магнитного поля при постоянном зна чении величины Е на образце интенсивность рекомбинационного излучения падает, проходит через минимум, а затем начинает возрастать (фиг. 4). Такое поведение Р теоретически предсказано, рассчитано и объяснено. Приводим конечный результат расчета и краткое объяснение сути эффекта. При увеличении магнитного поля при Е - const уменьшается подвижность носителей тока из-за искрив ления траекторий их движения на длине свободного пробега. Падение подвижности неосновных носителей тока с ростом В замедляет отток пар от поверхности образца, в результате чего на этой поверхности интенсивность люминесценции возрастает. Минимум люминесценции наблюдаетс,я тогда, когда в приповерхностной области грани d , со стороны которой наблюдается люминесценция, реализуется обедненны слой, обладающий примесной проводимостью (фиг. 3). В слое с примесной проводимостью диффузионнодрейфовые процессы определяются неосновными носителями и на полевой зависимости отрицательной лю848минесценцки положение минимума связано с величиной магнитного поля выражением В С J HeoCH. Поскольку исследуемое междузонное рекомбинационное излучение изза большого коэффициента поглощения ( 10 см ) выходит только из тонкого п риповёрхностного слоя, то остальная часть кристалла, в области которой может сохраняться смешанная проводимость, не влияет на величину ЁГП и не снижает точности определения/ „еоем Сущность BTopof-o варианта предлагаемо1;б способасостоит в следующем. В отсутствие внешних полей коэффициент отражения полупроводнадса для зондирующего излучения с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной зоны кристалла, равен п -( qjf Ч Я, где q - показатель преломления полупроводника; Ч„ показатель преломления среды, из которой излучение па-, дает на кристалл (в данном случае - воздух, поэтому 42 1 Поглощение излучения. в крис.та.лле считают слабым, что для любого полупроводника . можно выполнить путем подбора соответствующей длины волны зондирующего излучения, приходящегося на область за краем собственного поглощения. Поэтому формула R упрощена - в ней отсутствует член, связанный с поглощением (для большинства полупроводников область длин волн приходитсй на ближний Ж-диапазон). Показатель преломления по.лупроводника q зависит от концентрации свободных носителей заряда ,, -; и при {.хВ О в собственном полупроводнике определяется собственной равновесной концентрацией , здесь uJp - плазменная частота; W - частота падающего на по.лупроводник излучения; е - заряд электрона; эффективная Miacca носителей заряда; 6 - диэлектрическая про ницаемость решетки. При Наложении скрещевгных полей в таком направлении, что дрейф электронно-дйрочных пар происходит от поверхности, со которой , на полупроводник падает излучение, вглубь кристалла, концентрация носителей вблизи этой грани становится меньше равновесного значения. СОО ТВ е тствзтащим о бразом увеличив а-. ется показатель преломления кристал ла и его отражательная способность R.В условиях сильного истощения приповерхностной части полупроводника (п0«н| ) наблюдается максималь ная модуляция величины R, так как при этоми). Однако, как и в сл чае отрицательной лнминесЦенции, на зависимость R от С ЕхВ существенное влияние оказывает величина В. Здесь также на зависимости R от В при Ё const наблюдается экстремум. Причина этого явления и его объясне ние те же, что и в случае первого .варианта предлагаемого способа: па;дение подвияшости неосновных носителей тока с ростом В замедляет отток электронно-дырочных пар от поверхности образца. Поэтому (в области В В по мере увеличения В у этой поверхности остается все больше и больше не поддавшихся поперечному вытягиванию электронно19Фочных пар, что сказывается в уме ньшении q и R. Максимальное значег ние отражения наблюдается при В . Збидирукщее излучение, падающее ifa кристалл, отражается от поверхности образца, а также Проникает вглубь полупроводника н претерпевает отражение на градиентах концентрации носителей заряда. Бели сравнивать вклад в отраженный сигнал поверхности образца и градиеитов концентрации внутри полупроводника, то можно сделатьвывод, что вклад последних на 2-3 порядка меньше по сравнению с поверхностью. Это легко понять, учитывая, что на границе, полупроводника показатель преломления резко меняется-от 1 (воздух, qjj 1) до 3,5-4 (например, в -InSb, Ge, CdHgTe и др.). Внутри полупроводника разница в показателя преломления за счет градиента концентрации порядка примерно 0,01, Таким образом, фактор, о котор идет речь, практически не влияет на определяемую величину В, а значит, и jiiHooQif что позволяет сделать вывод о высокой точности предлагаемого способа определения подвижности неосновных носителей заряда. По предлагаемому способу на образец следует подавать электрическое поле, не превышающее определенного уровня, достаточного для соэдания в кристалле ударной ионизации. В противном случае процесс ударной ионизации искажает ход зависимости Р или R от В и ведет D конечном счете к ошибкам в измерении неоси К таким же последствиям ведут процессы инжек.ции носителей из контактов, которые могут проявиться, если к образцу приложить большое поле Ё. Чтобы исключить эти явления, необходимо перед измерением зависимости Р или R от В снять вольт-амперную характеристику (ВАК) Образца, в результате чего выбрать дпя проведения измерений снеоси поле Е, соответствующее линейному участку этой характеристики. Измерения ВАХ следует проводить при В 0, чтобы исключить возможное появление нелинейности на ВАХ, вызванное наличием магнитного поля. В предлагаемом техническом решении изменение типа проводимости Достигается без антизапорных контактов и при определении подвижности , неосновных носителей нет необходимости определять межконтактное расстояние t , которое вследствие неопределенности глубины залегания антизапорного контакта определяет- сЯ с точностью до 10 км, что при малых диффузионных длинах порядка 1-100 мкм дает большую ошибку. Таким образом, устранение этой погрешнос-ш повышает точность определения подвижности неосновных носителей, примерно, на порядок. Кроме того, измеряются стационарные характеристики в отличие от известного, где необходимо было определять время установления режима истощения в кристалле t которое должно быть меньше времени жизни Т. Для полупроводников с, малой диффузионной длиной L /Dt , где D - коэффициент диффузии неосновных носителей заряда, характерны малые времена жизни t 1 100 НС. Непосредственное определение длительности столь коротких импульсных сигналов связано с боль шими методическими трудностями и ошибка при определении параметраt может быть сравнима с измеряемой величиной и даже превышать ее. Параметр t очень сильно может искажаться паразитными емкостью и индуктивностью полупроводникового образца и антизапорного контакта, которые невозможно устранить и практически очень сложно рассчитать. При этом ошибка определения t растет по мере уменьшения t, а следовательно, и L. Кроме того, на точность определения t значительное влияние оказьшают шумы и нелинейность запорно го контакта. Таким образом, устраняя указанн погрешности определения С и t, необходимые для определения , по известному способу, с помощью предлагаемого технического решения можно увеличить точность определения подвижности неосновных носите, лей заряда на один-два порядка. Кроме того, способ значительно упрощается, поскольку устраняется такая сложная технологическая операция, как создание антизапорных контактов. Пример 1. Образцы выполне из р -InSb .с концентрацией нескомпенсированныхакцепторов Na - Nd 10 см . Размеры образца соответс венно равны 0,3-0,3-0,01 см. Изме рения проводят при Т 300 К. Собственная концентрация носителей при этой температуре п 2-10 см На образец чистым индием наносят омические контакты. Для наблюдения больших сигналов люминесценции или отражения (удобно в эксперименте) целесообра но на поверхности образца, где необходимо реализовать обедненный слой, обеспечить скорость поверхностной рекомбинации несколько меньшую, чем на противоположной грани. С этой целью поверхность образ травят в травителе типа СР-4. Далее при В О снимают ВДХ образца, показавшую, что до 300 В/см 412 не наблюдается никаких нелинейностей проводимости. Поэтому дальнейшие измерения Р, R f(Е, Н) проводят при Ё 150 В/см.; С помощью держателя образцы устанавливают между полюсами электромагнита, после чего к контактам образца подают импульсное электрическое поле, что обеспечивает мо- . дуляцию рекомбинационногб излучения и исключает перегрев образца. Люминесценция полупроводника фиксируется охлажденным до 77 К фотосопротивлением из Ge(Au). Сигнал с фотоприемника усиливается и поступает на осциллограф. Путем регулировки тока питания электромагнита находится минимум сигнала отрицательной лкминесцен- ции (фиг. 4), после чего по градуировке магнита находят значение магнитного поля В 1,7 кГс. Расчеты по формуле . С/Во1 дают значение 6-10 . Полученная величина хорошо согласуется с. теоретическими расчетами. Пример 2. Образцы выполнены из р -Cd, с концентрацией нескомпенсированных доноров 8-10 см Процедура подготовки образца и измерения проводитсяпо схеме предыдущего примера. Bfn 10 кГс, что по формуле (5) дает значение 71 неосн 10см /В-с. Это значение хорошо совпадает с теоретическими оценками подвижности в этом соединении. Пример 3, Образцы выполнены из f-InSb с концентрацией нескомпенсированных акцепторов 10 см-з Na - Nd Размеры образца 0,30,3«0,01 см . Измерения проводят при Т 300 К. Собственная концентрация носителей при той температуре h4 2 10см мические контакты наносят инди- . м, посредством контактов на обраец подают импульсное электричесое поле. Обработка поверхности й ыбор электрического поля посредстом предварительного измерения ВАХ такие же, как в примере 1. Образец омещается между полюсами электроагнита, магнитное поле которого зменяется током питания. Поверхость обр1азца облучают COj-лазером ощностью 0,5 Вт, отраженный сигал регистрируется охлажденным до 77 К фотосопротивлением на основе ,CdHgTe, соединенным с осциллографрм Регулировкой тока питания электр магнита находится; минимум сигнала Rji/R. Соответствующее ему значение В(д составляет 1,7 кГс (.фиг. 5). Ра четы по формуле jJ HeocHi .С/В„, дают ; эн ачение кёосн. 6 10 см /В с. Как лидно из примеров 1 - 3, по предлагаемому спосрбу возможно проведение измерений в импульсном режиме. При этом величины Р и R представляют разницу между Р,-Р (Е и R (Е,Н)-Кд;срответственно. Таким образом реализуется хорошо известная дифференциальн-ая методика измерений, значительно повышающая точ ность результатов. Этот фактор выгодно отличает предлагаемое изобретение от аналогов. 84J4 Предлагаемое техническое решение, сохраняя технико-экономические прей-, мущества известного способа, обладает следующими преимуществами: измерение подвижности неосновных носителей заряда при неизвестной степени собственности материала и значениях подвижности основных носителей; расширение класса исследуемых материалов в стррону полупроводников с малой диффузионной длиной; упрсяцение подготовки образца, а следовательно, и способа в целом, так как нет необходимости создавать антизапорные контакты; расширение класса исследуемых материалов в сторону полупроводников с узкой запрещенной зоной, для KOTOI%IX при высоких температурах невозможно создать неомические контакты.

Фиг.}

i

i tnniti

Я;

R, ,.

jSTiflBWieR

В,НГС

ФигМ