Способ определения концентрации активаторов люминисценции в кристаллах Советский патент 1978 года по МПК G01N21/52 

Изобретения относится к технике определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах, в частно ти в полупроводниковых кристаллах, используемых для создания светодиодо Известен способ определения конце трации примеси люминесцентным методом l . Недостатком этого способа является необходимость сравнения люминесценции исследуемого кристалла с эта лонным образцом, обладающим заданной яркостью или эффективностью люминесценции. Кроме того, исследуемый К1э нсталл должен иметь поверхность, такую же, как у эталонного образца. Наиболее близко к изобретению спо соб определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах 2 заключающийся в пропускании через кристалл светового пучка, который содержит спектральную компоненту, поглощаемую кристаллом из-за наличия в нем активаторов, определении степени ослабления интенсивности указанной компоненты и вычислении искомой концентрации известным методом по данным о степени ослабления и длине пути пучка в поглощаюи;ем слое. Данный способ не обеспечивает возможности определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например, в светодиодах, а также в кристаллах неправильной формы и любого размера. Цель -изобретения - возможность определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например, в светодиодах, а также в криста.плах неправильной формы и любого размера. Это достигается благодаря тому, что упомянутый пропускаемый через кристалл пучок создают возбуждением внутри кристалла люминесценции активаторов , при- этом в качестве поглощаемой компоненты используют компоненту спектра люминесценции активатора в центре бесфононной полосы, затем дополнительно выделяют из того же спектра непоглощаемую компоненту, которая расположена внутри стоксовского фононного крыла данной бесфононной полосы, а упомянутую степень ослабления определяют путем измерения отношения интенснвностей непоглощаемой компоненты к поглощаемой. На фиг. I и 2 изображены спектры зеленой люминесценции в фосфиде галлия, легированном азотом при Т 77 фиг. 1) и Т-120 К (фиг. 2). На фиг. 3 и 4 показаны различные способы регистрации люминесценции. Для примера рассмотрим применение данного qnocoCa для определения концентрации азота в кристаллах фосфида галлия, содержащих р-ч- -переход и поэтому дающих возможность возбудить люминесценцию путем пропускания прямого потока через р-п -переход. Способ имеет две модификации. Одна используется для измерения при низких температурах (от 77 до ) , другая - при комнатной температуре. Отличаются модификации процедурой выбора поглощаемой и непрглощаемой компонент и числовыми значениями используемых при расчетах параметров S и а. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Возбуждают внутри кристалла фосфида галлия в окрестности р -п-перехода люминесценцию азота, замещгиощего фосфор, путем пропускания через р -п-переход прямого тока. Регистрируют в каком-либо напрашлении спектр вышедших из кристалла люминесцентных лучей, которые прошли сквозь поглоща щий слой, легированный азотом. Зарегистрированный спектр люминесценции отличается от истинного главным образом из-за поглощения в области бесфононной А - полосы, тогда как стоксовское фононное крыло этой полосы почти не поглощается и потому не искажено (фиг. 1 и 2), Штриховой линией показан истинный спектр, пунк тирной - регистрируемый. Вырезают из спектра люминесценции NP-центра компоненту, поглощаемую толщей фосфида галлия и потому распо ложенную где-либо внутри бесфононной А-полосы (фиг. 1 и 2 - заштрихованная полоска на длине волны д). Дополнительно к поглощаемой вырезают из этого же спектра компонен ту, не поглощаемую толщей фосфида галлия и потому расположенную где-ли бо внутри стоксовского фононнопо кр ла А -полосы (фиг. 1 и 2 - заштрихо ванная полоска на длине волны Aj ). Измеряют отношение интенсивностей непоглощаемой компоненты к поглощае мой ( Se ). Определяют степень ослабления интенсивности поглощаемой компоненты t«-| , где So - истин ное отношение интенсивностей непоглощаемой компоненты к поглощаемой. Величина З,зависит от температуры и от выВора длин волн Ад и дл компонент. Вычисляют коэффициент абсорбции (} для выбранной поглощаемой компоненты. Если условия вывода люминесценции из кристалла таковы, что нет необходи ости искать внутренние отражения от поверхности кристалла, то коэффициент абсорбции вычисляется по обращенному закону Бугера-Ламберта d , где d- однократная длина пути пучка в поглощающем слое (Фиг. 3); t- вычисленная степень ослабления интенсивности- при прохождении сквозь толщины д, Если же плоский р-п -переход расположен между двумя гранями кристалла параллельно им обеим (фиг. 4), то для вычисления коэффициента абсорбции надо решить систему уравнений, составленную с учетом многократных внутренних отражений от противоположных граней кристалла i-TAt t, Г. a-tt,1d./d, . где oL - угол между направлением регистрации параллельных лучей и нормалью к грани; d - толщина поглощающего слоя, прилегающего к р-п-переходу со стороны фЬтоприемника; d2 то же, но с противоположной стороны; t-i - коэффициент пропускания d -слоя; i - то же для dj -слоя; f - коэффициент внутреннего отражения от грани, обращенной к фотоприемнику;Уд - то же, но для противоположной грани; t - вычисленная степень ослабления интенсивности поглощаемой компоненты. И, наконец, вычисляют, искомую концентрацию N по формуле СМ1.|-где б- стимулированное Np -центром сечение поглощения на длине волны Л д. вклад в это сечение дают два процесса; поглощение света самим Np-центром, приводящее к генерации экситона, локализованного на этом центре, и стиQ мулированное Np -центром поглощение света собственно фосфидом галлия, приводящее к генерации свободного экситона и пары свободных электрона и дырки. Таким образом, iJС tGQgp , б -физический параметр пары: Np-центр 5 - фосфид галлия. Величина (З зависит от выбора длины и от температуры из мерении . Предлагаемый способ имеет следующ модификации. При низких температурах (77-120к в качестве поглощаемой компоненты вы бирают компоненту, расположенную точ в центре узкой симметричной А -полос а в качестве нёпоглощаемой - компонен ту, находящуюся точно в центре другой узкой симметричной полосы, являющейс стоксовским однофононным повторением этой А -полосы продольно-оптическим фононом (А - LO ) . Истинное соотношени интенсивностей при таком выборе не за висит от температуры и равно константе связи NP -экситона с UO -фононом ( 5(5 - 0,36), Основной вклад в сечение поглощения при таких низких температурах дает поглощение света самим Мр-центром: б « Сэ N , причем , где д - ширина бесфононной А -линии, линейно растущая с температурой от 2,1 (при 80°К) до 4,5jM3B (при 120°К) ; ,3-10 по переработанной шкале Лайтоулерса; К 6,7-10 по первоначальной шкале Катберта. При комнатной температуре при боль ших концентрациях азота удобно выбрат для поглощаемой компоненты длину волны Лд 560 им, а для непоглощаемой Л1 575 нм, тогда истинное соотношение So 2,37. Для длины волны Л. 560 нм, ff 3,7-10 cм При малых концентрациях азота рекомендуется выбрать А 554 нм, t. им, тогда ,33. Для длины волны А 554 нм, (У 10 см Описанный способ опробован в лаборатории электронных полупроводников ФТИ им. а. Ф. Иоффе. Была определена концентрация азота в фосфидгаллиевых светодиодах зеленого сечения. Светодиодная р-п-структура была плоская, как на фиг. 4. Площадь структуры 0,25 мм . Толщина d «dj « 20 мкм, кээффициенты отражения в направл ёнии, перпендикулярном к граням Ид 0,3; ,3 (при комнатной температуре). Измерения, проведенные при комнатной температуре и при температуре 77120°К, дали одинаковую концентрацию азота. Наименьшая концентрация азота, которую удается измерить предложенньм способом, равна 10 см . Точность определения концентрации не хуже 30%. Формула изобретения Способ определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах, заключающийся в пропускании через кристалл светового пучка, который содержит спектральную компоненту, поглощаемую кристаллом из-за наличия в нем активаторов, определении степени ослабления интенсивности указанной компоненты и вычислении искомой концентрации известным методом, отличающийся тем, что, с целью определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например в светодиодах, а также в кристаллах неправильной формы и любого размера, упомянутый пропускаемый через кристалл пучок создают путем возбуждения внутри кристалла люминесценции активаторов, при этом в качестве поглощаемой компоненты используют ксиипоненту спетра люминерценции активатора в центре бесфононной полосы, затем дополнительно выделяют из того же спектра непоглощаемую компоненту, которая расположена внутри стоксовского Фононного крыла данной бесфононной полосы, а упомянутую степень ослабления определяют путем измерения отношения интенсивностей непоглокаемой компоненты к поглощаемой . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе; 1. Константинова-Шлезингер М.А. Люминесцентный анализ . ГИФМЛ, 1961, с..59-75. 2.Ligrhtowbrs H.C., J.C-.Lot-imor O-Q. Ni-trogren Concentration in QaP nucCeac reactions Tournqe o Ceppti d Physics 45, 5, 2191 (1974) .

Дпимо /rfomtffece f/fi iM/

fflue-f

Ait

Длина Волны лн)г инесцет4ии u«.2