Способ определения длины диффузии электронов в многокомпонентном полупроводнике Советский патент 1993 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к изготовлению полупроводниковых структур с заданными параметрами (а том числе длиной диффузии электронов), используемых в электронных приборах.

Целью предлагаемого способа определения длины диффузии электронов в полупроводнике является упрощение способа при сохранении высокой точности определения длины диффузии электронов в полупроводнике и расширение возможности применения на объекты, не поддающиеся повороту при облучении.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения длины диффузии электронов в полупроводнике, включающем

предварительную обработку поверхности исследуемого полупроводника, обеспечивающую снижение работы выхода электрона на поверхности полупроводника до величины, соо ветствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, возбуждение внешнего рентгеновского фотоэффекта, измерение характеристики рентгеновского фотоэффекта и определение длины диффузии электронов по формуле, возбуждают рентгеновский фотоэффект при одном угле падения рентгеновского пучка, измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта, на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав по00

го со о со го

.J).

« ft г .fMj и , 5, н.

ЈiЈrЈ

.(b.-)|, e «я-„,,

- (hU4

лупроводника, по которой рассчитывают длину диффузии электронов.

Существенность отличий заявляемого способа обусловлена характером физических процессов, протекающих в полупро- 5 воднике со сниженной работой выхода при облучении потоком рентгеновских квантов и эмиссии возбужденных электронов в вакуум.

Если многохроматический пучок рентге- Ю невского излучения с интенсивностью Jo - Nob v. где No - число ежесекундно падающих квантов, a h v - энергия кванта, падает

под углом р к поверхности полупроводни-.. ... ,1

ка, то на глубине Z от поверхности в слое dZ 15 вским излучением, возникшим во всем объ- возникнет H(Z) собственно рентгеновских еме полупроводника в результате первичных электронов. Величина H(Z) будет поглощения падающего рентгеновского складываться

во-первых из рентгеновских фото- и Оже-электронов, возникающих в слое dZ 20 при поглощении в нем падающего рентгеновского излучения. Полная энергия этой группы электронов Wi(Z):

в-третьих из рентгеновских фото- и Оже-электронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемого по всему объему флуоресцентным рентгенопучка. Полна я энергия электронов этой группы Ws(Z):

. t -nit

Ч th

«.W4LJ |lVh«(.).

.J).

« ft г .fMj и , 5, н.

ЈiЈrЈ

.(b.-)|, e «я-„,,

- (hU4

.. ... ,1

вским излучением, возникшим во всем объ- еме полупроводника в результате поглощения падающего рентгеновского

в-третьих из рентгеновских фото- и Оже-электронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемого по всему объему флуоресцентным рентгеновским излучением, возникшим во всем объ- еме полупроводника в результате поглощения падающего рентгеновского

пучка. Полна я энергия электронов этой группы Ws(Z):

. t -nit

Ч th

«.W4LJ |lVh«(.).

Назначение: изобретение относится к области электронной техники. Согласно изобретению образец помещают на держатель, установленный с возможностью поворота его плоскости относительно оптической оси в диапазоне углоо 1-10°, освещают пучком рентгеновского излучения после предварительной обработки поверхности с помощью активатора, возбуждают фотоэффект при фиксированном значении угла падения рентгеновского пучка на поверхность полупроводника, измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих о состав полупроводника и аналитически определяют длину диффузии электронов о образце. (Л С

W.W-N.exp ju/sJn lbi-SPin.l lWJiuj/sinipaz

i lPW|

где ja - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией квантов h v полупроводником. //I - частичный линейный коэффициент поглощения рентге- невского излучения с энергией кзантов h атомами 1-того элемента, входящего в сом, став полупроводника fi Ј ц, М - число

элементов, входящих в состав полупроводника. Pim(h v)-зероятностьm-тогорадиационного перехода п атоме -того элемента при возбуждении его рентгеновским излучением с энергией i лапта h v, h - экер- гия флуоресцент його рентгеновского кванта, возникзюи го при m-том радиационном переходе в атоме i-того элемента, NI -число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме I-того элемента.

Во-вторых из рентгеновских фото- и Оже-злектронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемого по всему объему полупроводника падаю- щим рентгеновским пучком. Полная энергия этой группы элехтронов W2(Z):

i til

,M.

с VJ1Ul- i ilt e ..

о e .QU-tl «;. fJ,,VL. .

e ,;,9 .1И

-efjU J

25

-nisyjn MM-UV

30

,).

.;1,Т,(,,,;.м,..

.pHrlUji

Р ir -ji/ ..

е ,

,№

Itt

f.lhjb

(...М.

«|пч fct

,.,

i(W;J

P.M

ZXMle

Й-М«-1)

««ч

W(W™1

-filhiiiUa-zi

(jJe- - V

tot If

«i.}jz

Таким образом, полная энергия собст- венно рентгеновских электронов, ежесекундно возникающих в слое dZ на глубине Z от поверхности полупроводника, на который под углом р падает рентгеновский пучок с интенсивностью Jo равна: W(Z) - WifZ) + W2(Z) + W3(Z).

Возникающие первичные рентгеновские электроны растрачивают свою энергию на возбуждение электрон-дырочных пар, а результате чего возникает каскад медленных вторичных электронов, практически в месте образования первичных быстрых собственно рентгеновских электронов. Как известно, средняя энергия ЕО, затрачиваемая на возбуждение одного такого электрона примерно п 3 раза превышает ширину запрещенной зоны полупроводника. Тогда число вторичных медленных электронов ежесекундно возникающих в слое dZ на глубине Z равно:

G(Z) W(Z)/ Co.

Вторичные электроны, термализуясь и диффундируя в твердом теле, имеют вероятность подойти к поверхности. В соответствии с теорией диффузии электронов в полубесконечном твердом теле, электроны, возникшие на глубине Z в слое dZ, дойдут до поверхности с вероятностью exp(-Z/L), где L - длина диффузии термализованных электронов. Электроны, подошедшие к поверхности полупроводника, работа выхода которой снижена до состояния отрицательного электронного сродства, имеют определенную вероятность В выхода в вакуум. При этом число электронов, возникших в слое dZ на глубине Z и вышедших в вакуум будет равно:

dn - BG(Z)exp(-Z/L)

Полное число электронов, ежесекундно выходящих в вакуум при облучении полупроводника монохроматическим рентгеновским пучком с энергией кванта Е h v, падающим под углом f к поверхности (полный ток рентгеновского фотоэффекта):

оо I е /z o dn еМ0 В A (h v)/Co, где

M-e-i)5 fl -S - tlk -

wiel , . .

|иЫ1П,1

LEn

.п,1

MtbUl

(ь),„-2РИ 1Ч.Ь

S &ibUSM VH Hr1

( VntJ X

H,n,l L.|UIE1M)

M(W,J

Cn

M -1 L I / ,,)

( n(t L s Lf

10

м

лу

ru.,J(u,p(h5,,lj I lh,, I I I

15

где ft (Е) - частичный коэффициент поглощении рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами l-того элемента, входящего в состав полупроводника, ft (E) - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником.

ft (Е) 2, /Л (Е) М - число элементов,

1

входящих в состав полупроводника, Pim(E) вероятность гл-того радиационного перехода в атоме l-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с

энергией h m при снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, h цт - энергия флуоресцентною рентгеновского кванта, возникающего при гл-том радиационном переходе в

атоме l-того элемента, NI - число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме -того элемента, /лср (h VJK)- усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения

полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h V)k по нормали к поверхности, L - длина диффузии электронов, р - угол падения рентгеновского пучка на полупроводник.

Анализ приведенного выражения для

полного тока рентгеновского фотоэффекта показывает, что при изменении энергии падающего рентгеновского пучка вблизи энергии какого либо края рентгеновского поглощения какого либо из элементов входящих в состав полупроводника, рентгеновский фотоэффект претерпевает скачкообразное изменение. Величина скачка рентгеновского фотоэффекта определяется как отношение полных токов

рентгеновского фотоэффекта до и после края рентгеновского поглощении соответст- оенно:

Sf - Ipk + Ј)/l(t -С ) А(Ек 4f )/A(Ek -Ј ),

i до Ek энергия края рентгеновского поглощения, Ј малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего данному краю помещения.

Приведенное выражение для скачка рентгеновского фотоэффекта Sf представляет собой уравнение относительно величины L длины диффузии электронов в полупроводнике. Таким образом, для определения длины диффузии электронов в полупроводнике достаточно измерить величину скачка рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения одного из элементов, входящих в состав полупроводника и получить значение длины диффузии электронов из решения уравнения:

Sr A(EK + e)/A(Ek- 4 где Sf- величина скачка рентгеновского фотоэффекта, измеренная на крае поглощения одного из элементов, входящих в состав полупроводника, Ek - энергия края поглощения данного элемента, к - малая величина энергии, равная ширине энергетического уровни, соответствующего данному краю поглощения. Функция А(Е) определяется выражением (1).

Теоретическое исследование связи скачков рентгеновского фотоэффекта с длиной диффузии электронов в полупроводнике проведено авторами впервые и в литературе не описано.

Способ реализуют следующим образом. Исследуемый полупроводник зэклепляют в держателе вакуумного прибора, служащего детектором рентгеновского излучения и содержащего входное окно, прозрачное для рентгеновского излучения и вторично-электронный умножитель. Поверхность исследуемого полупроводника обрабатывают, обеспечивая снижение работы выхода электрона на поверхности до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательным электронным сродством. Затем на исследуемый полупроводник воздействуют рентгене вским излучением, возбуждающим в полупроводнике рентгеновский фотоэффект. Регистрируют полный ток детектора. Измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав полупроводника. Длину диффузии электронов в полупроводнике находят из решения уравнения.

Пример.

Для определения длины диффузии электронов з эпитаксиальном слое полупровод- никл GaP :-тот слой помещают в вакуумный прибор с окном из бериллия, прозрачным

.-

для рентгеновского излучения, содержащий вторично-электронный умножитель и источники цезия и кислорода. Слой закрепляют на держателе под углом ip 5° оптической

оси прибора, таким образом, что исследуемый полупроводник служит рентгеновским фотокатодом. Работу выхода поверхности полупроводника снижают до величины, соответствующей состоянию поверхности, харастеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, известным методом адсорбции цезия и кислорода. Затем на поверхность слоя направляют пучок рентгеновского излучения вдоль оптической оси

прибора и с помощью самопишущего прибора ЛКД-4-003, подключенного к измерителю токов У5-6 измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта на К-крае поглощения галлия Sf. В примере она составляет Sf 1,86.-В качестве возбуждающего рентгеновский фотоэффект излучения используют тормозное излучение стандартной рентгеновской трубки БСВ-29 с молибденовым анодом. Выделение рентгеневского пучка с энергией, близкой к энергии К-края поглощения галлия производится рент(еновским спектромет- ром-монохроматором. Значение длины диффузии электронов в полупроводнике

получают решая уравнение:

Sf - A(Ek + Ј)/A(Ek - Ј), где Ek - энергия К-края поглощения галлия, Е 10366,5 эВ Ј - малая величина -энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего К-краю поглощения Ga, в расчете величина Ј принимается равной 0,5 эВ

40

45

Л 1Й(4.-.

Z H -ZP HiUhj,.).

(Е | иЈиьиич Э|.ь

ME , . , УГч

),™)

I ffbU

50

- :Hl

Ц1Ч„1 I L|U|E1

Ч Ph

5

iulel

I Vim .1 j jj1

I 6.nl|

. ч . luie

K-K- r

.l

-en

UHO Ј; .„„к./

где: /ii (E) - частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами 1-того элемента, входящего в состав полупроводника, значения величин известны из таблиц и для GaP равны //i (Ek + Ј) - 671,28 /ii (Ek -e ) 83.574 /12 (Ek + е) - /12 (Ek -е ) - 44.468 см соответственно для Ga и Р /i (Е) - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником:

/i (Е) 2 № (Е) М - число элементов, I 1

входящих в состав полупроводника, в при- мере М 2, NI - число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме 1-того элемента, в полупроводнике, исследуемом в примере существенный вклад в перераспределение энергии падающего излучения по глубине полупроводника дает только К-флуоресценция, поэтому ограничиваются рассмотрением только К-флуо- ресцентных переходов и NI - 1 энергия флуоресцентного рентгеновского кванта, возникающего при m-том радиационном переходе в атоме l-того элемента, энергии К-флуоресцентных коантов Ga и Р соответственно равны h vi 9252 эВ и h V2 2014 эВ, Pim(E)- вероятность пл-того радиационного перехода в атоме 1-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией hvim при снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, зна- чения Pim(E) для К-флуоресцентных переходов исследуемого в примере полупроводника приведены в таблице:

ЕEk + Ј Ek-Ј hvim h чт Pim(E) 0.413 -ООО

P2m(E) 0.86 0.86 0,86 0,86 /icp (h %)- усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный

коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h по нормали к поверхности, полагают //ср (h V|k) О.3 / ср (h V)k), L- длина диффузии электронов.

Рассчитанная величина L составляет 1,40 мкм с точностью 0,05 мкм.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в упрощении способа и в возможности определения длины диффузии электронов в полупроводниках, не поддающихся повороту при облучении, что позволяет применять способ и устройство в электронной технике для определения длины диффузии электронов в полупроводнике з стандартных вакуумных приборах с полупроводниковыми фотокатодами на всех этапах контроля полупроводниковых приборов.

Формула изобретения Способ определения длины диффузии электронов в многокомпонентном полупроводнике, включающий предварительную обработку поверхности полупроводника, обеспечивающую снижения работы выхода электрона до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемой отрицательной величиной электронного сродства, возбуждение внешнего рентгеновского фотоэффекта и определение длины диффузии электронов расчетным путем, о т- личающийся тем, что, с целью упрощения способа, рентгеновский фотоэффект возбуждают при одном угле падения рентгеновского пучка, измеряют величину скачка тока рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав полупроводника, по которой рассчитывают длину диффузии электронов.