Способ определения диффузионной длины электронов в полупроводниках р-типа проводимости Советский патент 1992 года по МПК H01L21/66 

сл

С

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для измерения параметров полупроводниковых кристаллов и приборных структур на их основе. Цель изобретения - обеспечение возможности измерения многослойных структур. Образец получают циркулярно поляризованным светом. Регистрируют люминесцирующее от образца излучение на двух длинах волн. Определяют степень циркулярной поляризации на этих волнах. Рассчитывают диффузионную длину электронов.2 ил.

Изобретение относится к полупровод-1 никовой технике и может быть использова- но для измерения параметров полупроводниковых кристаллов и приборных структур на их основе.

Большинство существующих способов определения диффузионной длины неравновесных носителей заряда основано на измерении фототока и предполагает наличие контактов на образце.

Не требует нанесения контактов способ измерения диффузионной длины электронов путем облучения образца светом, где фототек снимается с помощью капли электролита, помещенной на поверхность образца. v

Недостатком известного способа является ограничение области использования

образцами со свободной поверхностью. В частности, этим способом невозможно измерить диффузионную длину электронов во внутренних слоях многослойных структур, находящих широкое применение в полупроводниковой технике.

Целью изобретения является обеспечение возможности измерения многослойных структур.

Поверхность исследуемого слоя облучают циркулярйо поляризованным светом с энергией квантов Еп„ S Eg, регистрируют люминесцентное излучение от образца на длинах волн АО и Ак, определяют соответствующие им степени циркулярной поляризации ро иуэк , удовлетворяющих условиям СЈ 1-макс 1, ак LMHH 1,а искомый параметр определяют из соотношения

ю

VJ

ю

I -рк-A3

aK(pD-pKVpD/P)

0)

где Р - степень циркулярной поляризации люминесценции в отсутствие спиновой релаксации;

«D , «к - коэффициенты поглощения света на длинах волн До и Як для данного образца; макс и Цшн соответственно максимально и минимально допустимые значения диффузионной длины электронов для образцов с данной концентрацией легирующих примесей.

На фиг.1 показана блок-схема установки для измерения р нафиг.2-зависимость степени циркулярной поляризации от длины волны люминесценции.

На блок-схеме показаны образец 1, анализатор 2 циркулярной поляризации, спектрометр 3, источник 4 циркулярно поляризованного света, регистрирующее устройство 5.

Для определения диффузионной длины электронов достаточно провести измерение р на двух длинах волн люминесценции АО и Як при возбуждении циркулярно поляризованным светом поверхности слоя, причем Яо и Як должны удовлетворять условию

1, 0Ј) Ј 1.

Пространственная неоднородность распределения концентрации электронов и плотности их спина приводит к зависимости степени циркулярной поляризации люминесценции от длины волны (фиг.2). На фиг.2 треугольникам обозначены величины рдля пассивированной поверхности (границы GaAs-GaAIAs), а кружками - для свободной поверхности GaAs.

Сущность явления, лежащего в основе изобретения, заключается в следующем.

Вероятность W(x,t) рекомбинации фотовозбужденного электрона на расстоянии х от поверхности в момент времени t после его рождения определяется не только временем жизни т , но и вероятностью ( VD т )1exp(-x2/Dt) того, что за время t он продиф- фундировал на глубину х (D - коэффициент диффузии электронов). При этом W оказывается не экспоненциальной функцией времени и имеет максимум при некотором t, зависящем от х. Таким образом, пространственное положение точки рекомбинации определяют средний интервал времени от момента возбуждения электрона до его рекомбинации в этой точке.

В условиях оптической ориентации это приводит к появлению зависимости степени циркулярной поляризации рекомбинаци- онного излучения р от расстояния х. Измеряемая на эксперименте интеграль

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

ная по х величина р является функцией коэффициента поглощения, который зависит от длины волны Я. При этом информацию о пространственном распределении фотовозбужденных электронов, установившемся в результате диффузии, дает функция р (Я).

Выражение зависимости р от длины волны Я для образцов толщиной d следующее:

. 1+aL . 1 +ST/Lm

Р W г г 1+аЦ 1 +STs/Ls (2) где Ts и LS - время жизни и диффузионная длина среднего спина оптически ориентированных электронов;

S- скорость поверхностной рекомбинации.

Сплошные линии (фиг.2) рассчитаны по формуле (2). Сопоставление величины р, рассчитанной по формуле (2), с измеренной экспериментально позволяет определить L при соблюдении следующих условий.

Для устранения влияния второй поверхности образца и обеспечения применимости формулы (1) необходимо выполнение условия d 5: L-макс, При выполнении этого условия можно пренебречь вкладом в люминесценцию электронов, достигших второй поверхности.

Для исключения влияния поверхностной рекомбинации необходимо, чтобы поверхность образца была пассивирована. Внутренние слои многослойных полупроводниковых структур имеют пассивированные поверхности.

Необходимо произвести измерения ро на длине волны люминесценции, удовлетворяющей УСЛОВИЮ OD 1-макс 1. При ЭТОМ НЭ

величину PD не сказывается диффузионный отток электронов от поверхности образца, так как регистрируется в равной мере ре- комбинационное излучение электронов, ушедших на различные расстояния от поверхности.

Необходимо произвести измерение рк на длине волны люминесценции Як, удовлетворяющей условию «к1-мин 1. При этом на величине рк. сказываются как процессы релаксации в объеме кристалла, так и диффузионный отток электронов от поверхности.

Измерение значений р на длинноволновом и коротковолновом участках спектра краевой люминесценции позволяет определить диффузионную длину свободных электронов в полупроводнике методом, основанным на эффекте оптической ориентации электронных спинов.

Пример. Предлагаемый способ реализован на эпитаксиальных слоях p-GaAs,

легированных германием ( -1018 толщиной d 12 мкм 1 МаксЮ мкм, входящих в состав структуры GaAs-GaAIAs. Образец 1 облучают светом криптонового лазера, являющегося источником 4 цирку- лярно поляризованного излучения, с Явоэб 8525 А ( 1,65 Эв Eg - 1,49 эВ), поляризованным по правому или левому кругу, через слой GaAIAs, прозрачный для излучения с данной длиной волны. Степень циркулярной поляризации люминесценции измеряют с помощью анализатора 2 циркулярной поляризации. Спектрометр 3 служит для выделения нужной области спектра люминесценции.

По результатам измерений

ро 0,003 ± 0,005 АО 905 нм), сю- 659 см 1; / 0,011 ± 0,0005 (Яо - 825 нм), «к 15682 .

Диффузионная длина свободных электронов, определенная из соотношения (1), составляет L 3,4 ± 1,0 мкм.

Формула изобретения

Способ определения диффузионной длины электронов в полупроводниках р-ти0

5

0

па проводимости путем облучения образца светом и регистрации отклика на него, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения многослойных структур, облучение производят циркуляр- но поляризованным светом с энергией квантов Е Eg, где Eg - ширина запрещенной зоны, регистрируют люминесцентное излучение образца на длинах волн До и Як, удовлетворяющих соответственно условиям

АО Ьмакс 1 И Як LMHH 1, где Яо и Як коэффициенты поглощения на длинах волн Яо и Як соответственно; макс и LMHH - максимально и минимально допустимые значения диффузионной длины электронов, определяют соответствующие Яр и Як степени циркулярной поляризации ро и/Эк, диффузионную длину электронов вычисляют по формуле

t Рк-рр

ак(ро -pKVpo/P)

где Р - степень циркулярной поляризации люминесценции в отсутствие спиновой релаксации.

Фи.г.1

МО

S20 UO 860 880 900 920

А, им

Фиг. 2