Способ определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах Советский патент 1980 года по МПК G01N21/64 

Настоящее изобретение относится к технологии твердотельных, в частности полупроводниковых, источников излучения, например полупроводниковых светодиодов. Известен способ определения концентрации активаторов люминесценции, заключающийся в возбуждении люминесценции активатора и измерении бтноше интенсивностей . двух спектральных .линий 1 . Первая линия обусловлена наличием в решетке кристалла одиночных атомов активатора. Вторая - нали чием изолирг1)ванных пар таких атомов Недостатком является крайне низка точность данного метода. Наиболее близким по технической сущности можно считать способ опреде ления концентрации активаторов люминесценции в кристалле , заключающийся в возбуждении до некоторого уровня люминесценции активаторов и измерения относительной интенсивности спектральных линий. Недостатком его является невозмож ность определения локальной концентрации активатора дри его неоднородном распределении и невысокая точность измерения. Целью изобретения является возможность определения локальной концентрации активатора при неоднородном его распределении и повышение точности измерений. Для достижения этой цели измерение интенсивности проводят для двух спектральных линий, соответствующих различным типам люминесцентных центров, образованных определяемым активатором, вторично возбуждают люминесценцию при отличном от первоначального уровня возбуждении и измеряют интенсивности упомянутых линий, при этом новом уровне возбуждения, а искомую концентраций) определяют по данным об относительной интенсивности упомянутых линий при двух уровнях возбуждения. Способ реализуется следующим образом: Д.Г1Я измерения выбираются две спектральные линии, соответствующие центрам люминесценции различного типа, образованным определяемым активатором измерение отношения интенсивностей этих линий проводится дважды, при двух различных уровнях возбуждеСоотношение интенсивностеи в этом случае простыми зависимостями связано с концентрацией активатора. Дейст вительно, пусть центр первого типаодиночные атомы активатора, а центры второго типа - пары атомов активатора., при случайном распределении активаторов в решетке концентрация це нтров первого типа пропорциональна концентрации активатора N, а концентрация центров второго типа квадрату концентрации активатора N . Следовательно, интенсивность линии, соответствующей центру первого типа, пропорциональна N,. а интенсивность линии, соответствующей центру второго типа, пропорциональна N . Отношение интенсивности линии второго типа к интенсивности линии первого типа пропорционально, tiil-Ш Измерение при двух уровнях возбуждения позволяет учесть зависимость отношения интенсивностей от уровня возбуждения, в результате чего связь отношения интенсивностей с концентрацией активатора .Р, каждом; конкретном случае (выбран основной материал, активатор и два типа образованных активатором центров) становится однозначСущество способа поясняется на примере определения концентрации азоT6L в фосфиде галлия. Азот в фосфиде галлия образует несколько центров люминесценции, первый тип - одиночньай. атом азота, замещающий фосфор. Соответствующая линия называется А-линией. Ее интенсивность будем обозначать а. Второй-пара таких атомов азота, которые расположены на ближайшем возможном расстоянии друг от друга (т.е. один атом на первой координационной сфере относительно другого) . Соответствующая линия назы вается NN( -линией. Ее интенсивность будем обозначать Ь. Третий тип - пары атомов азота, в которых один атом расположен на третьей координационной сфере относительно другого. Соответст вующая линия называется NNj линией. Азот образует, центры и других типов. Зависимость интенсивности любой из перечисленных линий от. уровня воз буждения может быть представлена приближенно формулой, описывающей насыщение : ii I I .. ill Л , СО где Л - интенсивность люминесценции центров соответствующего типа; Л п - избыточная концентрация неосновных носителей (уровень возбуждения). Параметры Х, m в общем случаезависят от температуры и концентрации основных носителей Гуровня Ферми). Параметр пропорционален концентрации центров соответствующего типа. Связь интенсивности двух линий а Ь« дается, следовательно форму а, (i ±. J Если одна из линий (/, например) насыщается, то в формуле(1)О . и формула (1) принимает вид V- о, В ЭТОМслучае отношение интенсивностей можно выразить через уровень возбуждения Lg « () Параметр f в формулах (2) и (4) пропорционален искомой концентрации активаторов . N. Действительно, -М,4:Ч«й следовательно -t J В общем случае ЗЕ зависит еще от концентрации основных носителей (уровня Ферми) и температуры. В некоторых практически важных случаях параметр 3J зависит только от температуры. Так, например, при температуре выше 77 к (температура кипения жидкого азота) в р-слое фосфида галлия параметр 56 не зависит от концентрации дырок, а . . только от температуры. Другой пример: при температуре 4,2к (жидкий гелий) параметры Т, ;& и m,V как в , так и в р-слое не зависит от концентрациИ соответственно электронов и дыр.ок. Параметр з определяется следующим образом. При первом уровне возбуждения интенсивности выбранных двух Линий обозначим ь и а , при втором - Ь и а . Тогда из формулы (2) следует, что, .. „,:f5. с, Q fWa ITv Из этих уравнений находимооч/ ч aa( Коэффициент пропорциональности между 2t и N определяется путем сопоставления с результатами измерений по из вестному методу, Для выбранных нами линий А и Щ( линии, коэффициент про порциональности между эе и N равен 4,5 X Ю см- . Формула(3) применима в любом слу чае, когдаобе линии насыщаются, ког да насыщается одна линия и когда обе линии не насыщаются. А-линия в фосфи де галлия имеет свойство не насыщать ся в широком диапазоне уровней возбуждения и температуры, поэтому если в качестве одной из линий выбра на А-линия, можно использовать другу процедуру расчета, с использованием данных об уровнях возбуждения (в этом отличие от универсального варианта). Отношение интенсивностей двух линий при первом уровне возбуждения Лп обозначим г , при втором (Дп )г . Тогда из формулы (4) Из этих уравнений находимдп -дпДИ Р-ДПП Величины Дп и АП в формуле (6) оп ределяются в зависимости от способа возбуждения. Если это фотолюминесцен ция, то Лп пропорционально Е-интенсивности освещения, и в формуле (6) вместо Лп и 4п нужно ставить Е и Е . Если это инжекция через р-п переход в фосфиде таллия, то Дп пропор ционально :5 , где J-TOK через р-п переход. Рассмотрим числовой пример. Определялась концентрация азота в окрест ности р-п перехода фосфидгаллиевой р-11 структуры. Люминесценция 13озбуждалась инжекцией неосновных носителей - пропусканием прямого тока при температуре 112 к. Первый ток ,3 ма, при этом отношении интенсивностей.NN. линии и А линии г -2,4 Второй ток и 5 ма, г. 1х 10. Параметр je, определялся по формуле (6), в которой лп заменено на а .Расчет дал ЗЕ 4,3 х.Ю и N 2х 10 см - . Если в этой же р-п структуре определить концентрацию азота согласно прототипу, то получится завышенная в три раза концентрация азота из-за эффекта многократных внутренних отражений. Использование данного способа определения концентрации активаторов вкристаллах дает положительный эффект в результате повышения точности определения концентрации активаторов и возможности контролировать их распределение при производстве твердотельных излучающих структур., Формула изобретения Способ определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах, .заключающийся в возбуждении люминесценции активаторов и измерении относительной интенсивности спектральных линий, отличающий-, с я тем, что, с целью получения возможности определения локальной концентрации активатора при неоднородном его распределении и повьниения точности измерений, измерение интенсивности проводят для двух спектральных линий, соответствукжцих различным типам люминесцентных центров, образованных определяе ««ым активатором, вторично возбуждают люминесценцию при отличном от первоначального уровня возбуждении и измеряют интенсивности упомянутых линий при этом новом уровне возбуждения, а искомую концентрацию определяют по данным об относительной интенсивности упомянутьлх линий при двух уровнях возбуждения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Полупроводниковые приборы и их применение. Сб. статей, М., Советское радио , 1972, с. 3-14. 2.Авторское свидетельство CCCt по заявке 218157/18-25 (прототип).