Способ бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках Советский патент 1992 года по МПК H01L21/66 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при исследовании как полупроводниковых материалов, так и полупроводниковых приборов, создаваемых на их основе. В частности, целесообразно применять данный способ в тех случаях, когда невозможно изготовить контакты к исследуемому образцу.

Известны способы бесконтактного определения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках. Все эти способы имеют существенный недостаток - для измерения времени жизни используется СВЧ-излучение. В этом случае использование волноводных систем накладывает ограничение на размеры исследуемого полупроводникового образца и в открытых системах, где образец облучается СВЧ-из- лучением с помощью антенны, СВЧ-излучение оказывает вредное воздействие на обслуживающий персонал. Кроме того. СВЧ-аппаратура сложная.

Известны также способы бесконтактного определения времени жизни в полупроводниках, основанные на зондировании полупроводника длинноволновым инфракрасным излучением (с энергией фотонов, меньшей ширины Ед) при его одновремен 1vj

00

со hO

ном облучении коротковолновым светом (с энергией фотонов, большей Ед).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является способ измерения времени жизни неравновесных носителей тока по поглощению света в исследуемых полупроводниках, который заключается в пропускании через полупроводниковый образец зондирующего излуче- ния с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника, при его одновременном освещении светом оптического инжектора с энергией фотонов, большей ширины эапре- щенной зоны исследуемого полупроводника, и регистрации прошедшего через полупроводниковый образец или отраженного им зондирующего излучения, по параметрам которого определяют искомую величину времени жизни.

Когда полупроводниковый образец освещают светом с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны, в нем образуются неравновесные носители тока. Свет оптического зонда (энергия фотонов которого меньше запрещенной зоны полупроводника), которым одновременно освещают исследуемый образец, частично поглощается неравновесными носителями тока. Интенсивность прошедшего через образец света оптического зонда зависит от концентрации неравновесных носителей тока, созданных оптическим инжектором. Так как концентрация неравновесных носи- телей тока зависит от их времени жизни, то можно по интенсивности прошедшего через длинноволнового света определить время жизни неравновесных носителей тока по формуле

М

(1-R)/Screr

где т-время жизни носителей;

М - отношение интенсивности прошедшего или отраженного образцом света оптического зонда при включенном оптическом инжекторе к интенсивности прошедшего или отраженного света при вы- ключенном инжекторе;

R - коэффициент отражения граней образца;

/3- квантовый выход фотоионизации;

а- сечение поглощения света неравно- весными носителями;

в- поток фотонов накачки. Согласно описанному способу, можно осуществить измерение времени жизни г в полупроводниковом образце бесконтактно и не разрушая его, поэтому данный способ может применяться непосредственно в процессе производства полупроводниковых приборов. Кроме того, локальность измерений будет достаточно высокой, так как световые лучи легко фокусировать. Однако описанный выше способ имеет существенные недостатки. В частности, он не предоставляет возможности измерить так называемое объемное время жизни неравновесных носителей тока в легированных полуп роводниках.

Действительно, для определения величины объемного времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводнике необходимо создать максимально равномерную объемную генерацию носителей тока на всей глубине исследуемого образца. Поглощение излучения в веществе описывается законом Ламберта-Бугера:

-bt

Но € .,

где: lo - интенсивность падающего излучения;

I - интенсивность прошедшего излучения;

k- коэффициент поглощения излучения веществом;

Ј- толщина образца.

Для исключения влияния поверхностной рекомбинации носителей тока на измеряемую величину объемного времени жизни величина Едолжна быть достаточно большой ( 6 мм), превышающей 4-5 диффузионных длин носителей тока. Таким образом, величину k следует уменьшать, т.е. инжектирующее излучение следует выбирать из области максимально возможного пропускания исследуемого материала, сохраняя, естественно, условие, что его энергия превышает ширину запрещенной зоны исследуемого полупроводника.

Выбор зондирующего излучения при определении объемного времени жизни в легированных полупроводниках также не может быть произвольным. Зондирующее излучение должно быть выбрано из области максимальной прозрачности исследуемого материала (естественно, с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника). В противном случае измерение времени жизни неравновесных носителей тока будет либо невозможно вообще (в сильно легированных полупроводниках вследствие сильного поглощения на свободных носителях, пропорционального

А2), либо, если материал достаточно прозрачен, снизить чувствительность способа.

Пример. Необходимо провести измерение объемного времени жизни в SI п-типа с 10 , толщина мм. Зависимость (A) для такого материала приведена в 10. Оптимальным для использования в качестве зондирующего является излучение с ,15 мкм (He-Ne-лазер). Однако можно использовать, например, и излучение с ,7 мкм (вторая гармоника излучения с А 3,39 мкм He-Ne-лазера).

Пропускание образца определяется выражением (с учетом интерференции)

(I -R)2 + 4Rsln2

ekd + R 2 - 2 R cos 2 (p + V)

4япс

ty - arctg

2l

n2+x2-M

К

4nv

Для излучения с А 1,15 мкм ,5 см ; с ,7 мкм k 5cM 1.

Расчет показывает, что Т мин при ,15 мкм превышает Тмин при ,7 мкм примерно в 20 раз.

Кроме того, величина полезной модуляции М, регистрируемая в эксперименте, пропорциональна величине , где

tf-fl.

R)2 -2 Re

-2kd

(l+Re-Ky

Tf1/ 1,1610 1; ,6310-3. ); ,15мкм ,7мкмmax

Таким образом видно, что величина полезной модуляции регистрируемая в эксперименте, при изменении длины волны зонда от 1,15 до 1.7 мкм снижается примерно в 150-200 раз. Соответственно суммарная потеря чувствительности составляет примерно 3000 раз.

Естественно, потеря в чувствительности будет тем ощутимее, чем толще будет выбранный для исследования образец и чем выше степень его легирования.

Выбор как зонда, так и инжектора из области максимальной прозрачности исследуемого материала приводит к тому, что инжектирующее излучение проникает через исследуемый образец и засвечивает фотоприемник. При этом оказывается невозможным зарегистрировать малые изменения прошедшего через полупроводник зондирующего излучения (интересующую нас информативную часть сигнала). Разделить зондирующее и инжектирующее излучение полностью при помощи оптических спектральных фильтров оказывается невозмож- ным, Раздвинуть зондирующее и инжектирующее излучения по длинам волн также невозможно, так как при уменьшении длины волны инжектора измеряемое время жизни будет все больше отличаться от объ0 емного, а при увеличении длины волны зонда измерение времени жизни либо вообще перестает быть возможным в силу непрозрачности образца, либо существенно снизить чувствительность способа. Это

5 исключает возможность применения описанного выше способа прототипа для измерения объемного времени жизни неравновесных носителей тока в легированных полупроводниках.

0 Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения за счет получения возможности измерения объемного времени жизни неравновесных носителей тока в легированных полупровод5 никах и повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе зондирующее и инжектирующее излучения выбирают из области максимальной прозрачности исследу0 емого образца (сохраняя при этом условие, что энергия фотона зондирующего излучения меньше, а энергия фотона инжектирующего излучения больше ширины запрещенной зоны Ed исследуемого образ5 ца), и, кроме того, зондирующее излучение модулируют, причем с частотой, отличной от частоты модуляции инжектора, и регистрируют параметры зондирующего излучения на частотах, равных разности или сумме ча0 стот модуляции зондирующего и инжектирующего излучений.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего предложенный способ. Устройство содержит источник зондирую5 щего излучения 1 с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника (оптический зонд), источник инжектирующего излучения 2 с энергией фотонов, большей ширины

0 запрещенной зоны измеряемого полупроводника (оптический инжектор), фотоприемник 3, фильтр-пробку 4 на частоте оптического инжектора, детектор 5, регистрирующий прибор 6.

5 Устройство работает следующим образом. Образец освещается промодулирован- ным по интенсивности с некоторой частотой fj излучением оптического инжектора. При этом в образце генерируются неравновесные носители тока. Одновременно через исследуемый образец проходит излучение оптического зонда, промодулированное с некоторой частотой f 1, отличной от fa, которое регистрируется фотоприемником 3. Интенсивность прошедшего через образец света оптического зонда зависит от концентрации неравновесных носителей тока, созданных оптическим инжектором, Так как концентрация неравновесных носителей тока зависит от их времени жизни, то можно по изменению параметров прошедшего через образец зондирующего излучения (например, по изменению его интенсивности) определить время жизни неравновесных носителей тока.

Для определения величины объемного времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводнике необходимо создать равномерную объемную генерацию носителей тока на всей глубине измеряемого образца. Поглощение излучения в веществе описывается законом Ламберта-Бугера.

Ho«fw ,

где 10 - интенсивность падающего излучения;

I - интенсивность прошедшего излучения;

k- коэффициент поглощения излучения веществом;

Е- толщина образца. Для исключения влияния поверхностной рекомбинации носителей тока при измерении их эффективного объемного времени жизни величина должна быть достаточно большой ( 5 мм). Таким образом, величину следует уменьшить до величины 0,5,1 (см ). Это приводит к тому, что длина волны инжектирующего излучения растет и оказывается близка к длине волны зондирующего излучения. Кроме того, излучение оптического инжектора проникает через образец и засвечивает фотоприемник.

Генерация неравновесных носителей тока в измеряемом образце приводит к незначительному относительному изменению его прозрачности (примерно 10 -10 j. Таким образом, оказывается, что паразитный сигнал инжектирующего излучения существенно превышает измеряемый информатив- ный сигнал зондирующего излучения. Поскольку полностью избавиться от паразитной Засветки фотоприемника инжектирующим излучением при помощи оптических спектральных фильтров не представляется возможным, в устройство введены фильтр-пробка 4 и детектор 5. При помощи фильтра-пробки 4, установленной на выходе фотоприемника 3, полностью гасят паразитный электрический сигнал на частоте модуляции оптического инжектора

(f2). Из оставшейся части спектра сигнала,

например, при помощи детектора 5, выделяют информативный сигнал и регистрируют

его прибором 6. Определив интенсивности

прошедшего через образец зондирующего излучения при включенном оптическом инжекторе и при выключенном оптическом инжекторе рассчитывают коэффициент М и время жизни неравновесных носителей тока по формуле

fr

М (1-R)/8tf0

(аналогично прототипу).

Пример. Измеряют объемное время жизни г носителей в образце, изготовленном из кремния n-типа с -1017 , диаметром мм и толщиной мм. Способ

реализуют с помощью устройства, показанного на фиг. 2,

Зондирующее и инжектирующее излучения необходимо выбрать из области максимальной прозрачности исследуемого

полупроводника, сохранив, естественно, условие, что энергия фотона зондирующего излучения должна быть меньше Erf, а энергия фотона инжектирующего излучения - больше Ed. Действительно, выбор таким образом зонда обеспечит высокую чувствительность способа, а инжектора - максимальную равномерную объемную генерацию носителей тока в исследуемом образце и, соответственно, измерение именно

объемного времени носителей тока.

Оптимальным выбором для данного образца является зондирующее излучение на длине волны А 1,15 мкм (гелийнеоновый лазер ЛГ-126), инжектирующее излучение

на длине волны ,06 мкм (лазер ИТ-118). Коэффициент поглощения k для этих длин волн равен 0,5 10.

Естественно, что при выполнении условий выбора зондирующего и инжектирующего излучений их длины волн оказываются достаточно близким, 15 мкм и 1,06 мкм) и излучение оптического инжектора засвечивает фотоприемник 5 (в качестве светочув- ствительного элемента которого

используется германиевый фотодиод ФД- 5Г, чувствительный к излучению в диапазоне 0,8-1,5 м$м).

Разделить оптическими фильтрами на входе фотоприемника промодулированное по амплитуде зондирующее излучение и излучение инжектора с требуемой эффективностью невозможно. В самом деле, отношение переменной составляющей зондирующего излучения, вызванной изменением прозрачности исследуемого материала вследствие генерации в нем излучением инжектора неравновесных носителей тока, к величине прошедшего через образец зондирующего излучения составляет примерно . При мощности излучения зонда в 10тВт (гелий-неоновый лазер ЛГ- 126) величина переменной составляющей зондирующего излучения оказывается порядка тВт. Интенсивность инжектирующего излучения (лазер НТ-118), попавшего на фотоприемник, составляет около 50 тВт. Очевидно, что осуществить разделение двух близлежащих длин волн (1,15 и 1,06 мкм) с требуемой эффективностью при помощи оптических фильтров невозможно, поэтому поступают следующим- образом.

Зондирующее и инжектирующее излучения модулируют по интенсивности с частотами 30 кГц и 3 кГц соответственно при помощи приборов МЛ-102 3,4. Паразитный электрический сигнал фотоприемника гасят фильтром-пробкой 6, работающей на частоте инжектора (3 кГц), а из оставшегося электрического сигнала при помощи детектора 7 выделяют информативный сигнал (на частое оптического инжектора) и регистрируют его прибором 8.

Выделение информативного (полезного) сигнала можно осуществить и неким дру- гим образом. В самом деле, спектр выходного сигнала фотоприемника содержит составляющие с частотами fu f2; fi-fc; f i+f2. где f 1 - частота модуляции зондирующего излучения; h частота модуляции инжектирующего излучения: fi-f2; fi+f2 - так называемые боковые частоты, которые появляются в спектре зондирующего излучения вследствие изменения прозрачности образца из-за генерации в нем излучением инжектора неравновесных носителей тока. Именно в этих боковых частотах и содержится полезная информация о времени жизни неравновесных носителей тока. Выделить этот полезный (информативный) сигнал можно как описанным выше методом

детектирования, так и, например, путем исследования выходного сигнала фотоприемника на спектроанализаторе, и по параметрам боковых частот (амплитуда, 5 фаза) оценить искомую величину (объемное время жизни неравновесных носителей то- ка).

Можно предложить и другие методы. Однако любой из методов будет связан с

0 обработкой электрического сигнала фотоприемника на боковых частотах, которые появляются в спектре зондирующего излучения после прохождения полупроводникового образца.

5

Формула изобретения. Способ бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках, включающий пропуска0 ние через полупроводниковый образец зондирующего излучения с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника при его одновременном освещении модулированным

5 светом оптического инжектора с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника, и регистрациюпрошедшегочерезполупроводниковый образец или отражен0 кого им сигнала, по параметрам которого определяют искомую величину, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет получения возможности измерения объемного времени

5 жизни неравновесных носителей тока в легированных полупроводниках и повышения чувствительности, длину волны зондирующего и инжектирующего излучения выбирают из области максимальной прозрачности

0 исследуемого образца, зондирующее излучение модулируют, причем с частотой, отличной от частоты модуляции инжектора, а интенсивность прошедшего через полупроводниковый образец или отраженного им

5 сигнала регистрируют на частотах, равных разности или сумме частот модуляции зондирующего и инжектирующего излучений.

образец

Сущность изобретения: полупроводниковый образец одновременно освещают модулированным зондирующим излучением с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника, и модулированным светом оптического инжектора с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника. При этом длину волны зондирующего и инжектирующего излучения выбирают из области максимальной прозрачности исследуемого образца, а частоту модуляции зондирующего излучения - отличной от частоты модуляции инжектора. Регистрируют интенсивность прошедшего через полупроводниковый образец или отраженного им сигнала на частотах, равных разности или сумме настот модуляции зондирующего и инжектирующего излучений и определяют искомый параметр расчетным путем. 2 ил. СП С

Фиг. I образец

Фиг. 2