Способ определения энергетического положения уровней дефектных и примесных центров в полупроводниковых и диэлектрических материалах Советский патент 1987 года по МПК H01L21/66 G01N21/00 

1

Изобретение относится к исследованию материалов оптическими методами и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых и диэлектрических материалов, применяемых в современной электронной тенике .

Цель изобретения - расширение области применения способа на полупроводниковые и диэлектрические материалы с низким квантовым выходом люминесценции и с большим удельным сопротивлением.

На чертеже представлена температурная зависимость дифракционной эффективности 7 записываемой голограммы на образце (кривая 1) и ее производной (ci J/cli) 7 (кривая 2).

Пример. Определяют энергетическую структуру дефектных и примесных состояний в кристаллах ниобата лития LiNbOj - высокоомном сегнето- электрике, обладающем спонтанным пи ропробоем.

Образец ниобата лития Х-среза тощиной 2 ММ И поперечными размерами 6x6 мм, торцы которого отполирован до оптического качества, помещают в криостат и охлаждают до 77 К.

Освещение производят светом с энергией кванта Е, ,, достаточной дл

П V

фотовозбуждения электрона с донорно го уровня в зону проводимости, при использовании ниобата лития, у которого ширина запрещенной зоны Eg 3,3 эВ, - в сине-зеленой области спектра, излучением аргонового лазера с длиной Dojnibi Л 0,48 мкм, для

которого Е, ,тг Е, с мощностью Р

bv

100 мВт.

Освещение образца выполняют двум когерентными пучками одинаковой ин- тенсивностл, что обеспечивает контраст пространственной модуляции интенсивности в питерференционной картине, близкий к единице. Интенсивность пучков составила примерно 10 Вт/см, что при константе фотопроводимости х 10 Вт обеспечивает пространственно модулированую фотопрово;:;имость Рр, 10 Ом см намного превышающую темповую проводимость G-f этого кристалла, оценива мую в6 , 10 Ом см .

Угол схождения пучков О. выбирают так, чтобы период интерференционной

картины Л Д/2sin - был больше дебаевской длины зкранирования 1 , и меньше размеров образца 1. Для кристалла LiNbO,, с концентрацией дефектов расчетное значение 1-р -2 мкм. Отсюда согласно неравенству Ij,,,, определяют интервал значений Q при размерах образца порядка 1 см:

14

и выбирают угол из этого диапазона. В данном случае .

Экспонирование светом производят до тех пор, пока дифракционная эффективность решетки, записываемой в кристалле, измеряемая при помощи до- полнител: ного тестирующего лазера с

неактивным излучением, не достигнет заметной величины, не превьпиающей 0,01-0,02. В этом случае дифракционная эффективность i рказьшается прямо пропорциональной квадрату изменения показателя преломления п, что облегчает пересчет полученных температурных зависимостей.

После экспонирования, как и во всех способах определения энергети

ческой структуры по термостимулиро

ванным процессам, образец подвергают нагреву; наиболее удобным с точки зрения последующей расшифровки температурных зависимостей является линейный по времени закон нарастания температуры.

В процессе нагрева измеряют зависимость дифракционной эффективности решетки ; от температуры (кривая 1).

Для этого на объемную решетку, возникшую в образце, направляют пучок считывающего излучения гелий-неонового лазера с длиной волны Х.0,63 мкм под углом Брэгга и измеряют интенсивность падающего пучка 1 и дифрагированного IQ, IQ/IO. Для относительных измерений интенсивности используют ФЭУ-62 и самопишущий потенциометр ПДП4-002. По зависимости зффективности от температуры находят температурную зависимость изменения показателя преломления лп (Т) с использованием известной связи:

- sin

5T&nd

Л,cos -jгде d - толщина образца.

3

По полученным данным рассчитывают зависимость температурной производно (d7/dT) 2 (кривая 2).

Эта зависимость для материалов с дискретньми уровнями имеет четко выраженные максимумы, температурное положение которых Т дает меру энергетической глубины залегания измеряемых уровней Е,

где d коэффициент пропорциональности эмпирического правила Урбаха.

Величина коэффициента сХ определяется по сопоставлению формы температурной производной для изолированного энергетического уровня. Для конкретных условий исследования она равна 516 К/эВ. От значения этого коэффициента зависит при фиксированной температуре Т облучения образца та

минимальная глубина Е залегания

мин

уровней, начиная с которой возможно применение данного способа:

Т

Е мим -

Поэтому согласно предлагаемому способу обработку ведут по методу последовательных приближений. На перво этапе при произвольном значении начальной температуры проводят все описанные действия и находят коэффициент . Затем устанавливают ту начальную температуру, которая необходима для исследования энергетического спектра дефектов и примесей в желаемом диапазоне энергий.

Описанная последовательность действия позволила (применительно к нио бату лития) определить две группы центров с энергетическими положениями 0,28 и 0,38 эВ. Использование известного способа для данного материала не позволяет однозначно су- цить о наличии уровней в запрещенной зоне, а лишь указывает вероят- ныГ1 интервал их залегания 0,25 - 0,5 зВ.

Результаты измерений на кристалле ниобата бария-натрия по предлагаемому способу совпали с точностью до 4Z с результатами измерений по из- вестному способу на том же образце.

Формула изобретения

Способ определения энергетического положения уровней дефектных и примесных центров в полупроводниковых и диэлектрических материалах, включающий облучение образца электромагнитным излучением с энергией кванта,

превьппающей глубину залегания уровней донорных центров, с последующим нагревом, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения на полупроводниковые и диэлектрические материалы с низким квантовым выходом люминесценции и с большим удельным сопротивлением, облучение осуществляют пространственно модулированным электромагнитным

излучением, причем среднее расстояние между двумя соседними максимумами в распределении интенсивности выбирают не меньше дебаевской длины экранирования в исследуемом материале, но не больше линейного размера образца, а глубину пространственной модуляции интенсивности облучения выбирают из условия, что наведенное пространственно-неоднородное изменение проводимости не меньше, чем тем- новая проводимость данного материала, измеряют температурную зависимость глубины пространственной модуляции показателя преломления, осуществляе

45 :

мой в результате облучения, а энергетическое положение уровней определяют по положению максимумов зависимости производной модуляции показателя преломления от температуры.

r

§

ir

&:s

1 Is 35

WQ

Составитель И. Петрович Редактор М. Келемеш Техред-Л,Сердюкова .Корректор А. Зимокосов

Заказ 3587/53 Тираж 698Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, А

ZOO

T,K

Изобретение относится к области исследования материалов оптическими методами и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых и диэлектрических материалов, используемых в электронной технике. Цель изобретения - расширение области применения способа на полупроводниковые и диэлектрические материалы с низким квантовым выходом люминесценции и с большим удельным сопротивлением. Согласно изобретению на поверхности образца создают неоднородно экспонированную картину путем облучения образца, например, интерференционным полем двух когерентных световых пучков. Затем фиксируют температурную зависимость глубины пространственной модуляции показателя преломления при линейном нагреве по изменению дифракционной эффективности, записанной на образце фазовой решетки - голограмме. Искомое энергетическое положение уровней, задаваемых дефектными или примесными центрами, определяют по положению максимумов зависимости производной модуляции показателя преломления от температуры. Начальную температуру, при которой производят экспонирование образца, выбирают в зависимости от глубины залегания исследуемых энергетических уровней. 1 ил. (Л с со со о О) vl а: