Способ определения электрофизических параметров полупроводников Советский патент 1993 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области техники контроля электрофизических параметров полупроводников. Наиболее целесообразно использовать изобретение для локального контроля таких параметров высокоомных полупроводников, как время жизни носителей заряда и длина свободного пробега.

Целью изобретения является повышение локальности измерений и упрощение аппаратуры для реализации предлагаемого способа.

Сущность изобретения состоит в использовании эффекта диамагнитизма неравновесной полупроводниковой плазмы, генерируемой электромагнитным излучением. Ранее этот эффект для контроля полупроводников не использовался. Эффект заключается в том, что свободные носители заряда, генерируемые излучением приобретают в магнитном поле диамагнитный момент. Величина этого момента определяется интенсивностью излучения, величиной индукции магнитного поля, временем жизни и длиной свободного пробега свободных носителей заряда. При облучении полупроводника излучением, меняющимся по интенсивности во времени, диамагнитный момент также изменяется во времени. При этом изменяется эффективная магнитная проницаемость полупроводника и соответственно величина магнитного

00

о ел ел

ю

потока через соленоид, что приводит к появлению на выводах соленоида электрического напряжения пропорционального производной от магнитного потока по времени, который в свою очередь пропорционален количеству свободных носителей заряда. Таким образом напряжение на выводах соленоида определяется в конечном счете параметрами полупроводника (а также контролируемыми параметрами внешнего воздействия). При проведении измерений выходной сигнал снимается непосредственно с выводом соленоида, что существенно упрощает аппаратуру, необходимую для реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ обеспечивает высокую локальность измерений поскольку электромагнитное излучение, например, инфракрасного диапазона может быть сфокусировано в пятно диаметром несколько микрон. Электромагнитное излучение может быть также подведено с помощью гибкого световода диаметром несколько десятков микрон; локальность измерения в этом случае имеет порядок диаметра световода.

На фиг, 1 приведена функциональная блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема позволяющая рассчитать параметры выходного сигнала, их зависимость от параметров полупроводника.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит (см. фиг. 1) из соленоида 1, подключенного к регистрирующему прибору 2 и находящегося между полюсами электромагнита 3, световода 4, светодиода 5. Светодиод 5 подключен к генератору б через выпрямительный диод 7 и ограничивающее сопротивление 8. Переменная емкость 9 подключена параллельна соленоиду 1. Контролируемая полупроводниковая пластина 10 находится у торца соленоида 1.

На эквивалентной схеме (фиг. 2) через обозначена индуктивность соленоида, через С -емкость контура, через RI - активное сопротивление соленоида, через R2 - активное сопротивление, характеризующее омические потери в полупроводнике (при интенсивности излучения равной нулю), е- ЭДС, обусловленная изменением магнитного потока через соленоид.

Способ реализуется следующим образом. Контролируемая полупроводниковая пластина 10 помещается около торца соленоида 1, Светодиод 5 через световод 4 освещает небольшую часть площади пластины 10, находящуюся в рабочей области соленоида 1, прерывистым излучением. Частота прерываний определяется генератором 6. Под действием излучения периодически из: меняется эффективная магнитная проницаемость освещаемой части полупроводника. Это приводит к периодическому изменению магнитного потока через соленоид и появлению на его выводах напряжения, которое регистрируется регистрирующим прибором

2. Переменная емкость 9 используется для подстройки резонансной частоты контура на частоту генератора 6. Параметры выходного сигнала определяются параметрами электромагнитного излучения, величиной

магнитной индукции электромагнита 3 и электрофизическими параметрами полупроводника.

Анализ эквивалентной схемы показывает, что в случае, когда интенсивность излучения изменяется с резонансной частотой (о амплитуда напряжения на катушке определяется соотношением

..1 LMu/2e2l2Bq0PoT0 ,,,.

Do- ------------------- , ()

127rR mnE0RiVl + ftA2 а фаза

Ј -arctg йлг0 .(2) В выражениях (1) и (2) L-индуктивность соленоида; М - взаимоиндуктивность соленоида и витка тока радиусом Ro, текущим по границе освещаемой зоны; е - заряд электрода; I-длина свободного пробега носителя заряда; В - индукция магнитного поля, qo - эффективность конизации; Ро - амплитуда

изменения мощности излучения, mn - эффективная масса свободного носителя заряда, Ео - энергия кванта излучения, RI - сопротивление соленоида, то - время жизни носителей заряда.

. В случае, когда частота прерываний электромагнитного излучения близка к обратному времени жизни носителей заряда То, значение то может быть определено по фазе колебаний в контуре из (2), а длина

свободного пробега I из (1).

В качестве примера рассмотрим возможность контроля времени жизни и длины свободного пробега электронов в полуизолирующем арсениде галлия. Поскольку ширина запрещенной зоны арсенида галлия 1,4 эВ, то.длина волны источника света Я должна быть

. Зх10вх4. „ ,л-е ----f4---- 0,87хЮ°м

здесь с - скорость света, h - постоянная Планка.

Время жизни носителей заряда в арсениде галлия TO по порядка величины равно

, а длина свободного пробега I м. Частоту прерываний источника целесообразно выбрать из условия 0)Т0 1.

f а) /2л: 1/2лг0 1,6-Ю6 Гц.

В качестве источника излучения выбе- рем полупроводниковый лазер с длиной волны 0,82 мкм (Ео 2,4 х Дж) и мощностью излучения 10 мВт. Излучение попадает в полупроводник через гибкий световод диаметром 2 мм. Соленоид пред- ставляет из себя катушку со средним диаметром D 1 см, длиной 1К 0,1 см, числом витков WK 300. Собственная резонансная частота контура fo 1,6 МГц, индуктивность L 1,6 мГн, емкость С 6,3 пф, взаимоин- дуктивность М 0,12 мкГн, добротность Q 200, RI 160 Ом. Индукция внешнего магнитного поля В 0,5 Т, значение коэффициента эффективности ионизации qo 0,9. Подставив значения параметров в (15), получим Uo ЮмкВ.

Таким образом, чтобы определить время жизни неравновесных свободных носителей заряда и длину их свободного пробега, необходимо определить амплитуду и фазу напряжения на электрических выводах соленоида, что для напряжений порядка 10 мкВ можно выполнить, используя стандартные измерительные приборы.

Формула изобретения

Способ определения электрофизических параметров полупроводников, включающий обеспечение электромагнитной связи полупроводника с резонансной цепью и об-

лучение полупроводника модулированным по интенсивности электромагнитным излучением с энергией квантов, достаточной для генерации свободных носителей заряда, о т- личающийся тем, что, с целью повышения локальности измерений и упрощения способа, электромагнитную связь обеспечивают путем помещения полупроводника в область пространства, примыкающую к соленоиду, в которой магнитное поле этого соленоида при пропускании по нему электрического тока отлично от нуля подвергают образец воздействию внешнего постоянного магнитного поля, вектор индукции которого перпендикулярен рабочей поверхности образца и параллелен оси соленоида и направлению облучения, величину магнитной индукции постоянного магнитного поля выбирают из условия, что радиус вращения свободных носителей заряда, генерируемых электромагнитным излучением, превышает длину свободного пробега носителей заряда, электромагнитное излучение локализуют на контролируемом участке поверхности полупроводника, а частоту модуляции электромагнитного излучателя выбирают равной обратной величине ожидаемого времени жизни свободных носителей заряда, измеряют амплитуду и фазу переменной электродвижущей силы, возникающей на клеммах соленоида, и по их значениям рассчитывают время жизни и длину свободного пробега неравновесных носителей заряда.

Par. 2

Образец полупроводника облучают электромагнитным излучением с энергией квантов, достаточной для генерации свободных носителей заряда и модулированным по интенсивности с частотой, равной обратной величине ожидаемого времени жизни свободных носителей заряда. Электромагнитное излучение локализуют на контролируемом участке поверхности образца. Образец помещают в область пространства, примыкающую к соленоиду, в которой магнитное поле этого соленоида при пропускании по нему электрического тока отлично от нуля, На образец воздействуют внешним постоянным магнитным полем, вектор индукции которого перпендикулярен рабочей поверхности образца, параллелен оси соленоида и направлению облучения. Выбирают величину магнитной индукции постоянного магнитного поля из условия, что радиус вращения свободных носителей заряда, генерируемых электромагнитным излучением, превышает длину свободного пробега носителей заряда. Измеряют амплитуду и фазу переменной ЭДС на выводах соленоида, по которым определяют искомый параметр. 2 ил, СО С