Способ определения поперечного коэффициента Нернста-Эттингсгаузена в полупроводниковых кристаллах Советский патент 1985 года по МПК H01L37/00 H01L21/66 

Изобретение относится к области полупроводниковой техники, к методам опреде. параметро полупроводника, в частности поперечного ко«Ьфип, Нернста-Эттингсгаузена, значение которого в широком интервале температур позволяет изучить механизм рассеяния носителей тока и тем самым контролировать качество кристатглов. Известен способ определения терм магнитных коэффициентов з полупроводнике j таких как продольный и поперечны коэффициент Нернста-Эттин сгаузена s коэффициент Риги-ЛедюкаГ- ад,жи О , Общее в методе определе ник этих коэффициентов заключается в воз/1еГ1Ствии магнитного поля на направленный перенос носителей тока, поя1 ляющийся в результате градиег-гг, температур. Способ определения прол,о.пьного коэфф П1,иеН1а Нернс та-Эттин1Сгаузена в полупроводниках 2 состоит в измерении термо- магпитной ЭДС Е . возникающей в направлении грал;иента температур при гк5мещении кристалла г постоянно маггплтное поле. Градиент температур создается двумя нагревателями или нагреззателем и холодильником Наnpa.RjKMnu; вектора магнитного поля Л гптаднента температур взаимно пер пендикулягл1ы. Основным недостатком ука анного способа определения продольных термомагнит} ьгх коэфк ициентов (продольный коэффициент Нернс та-Эттингсг-аузена, коэффициент Ригг Ледюка-Маджи) является наличие начальной разртосги потенциалов j свя зaнfioй с приложением традиента тем перлгур, что затрудняет измерение точН(и о .значения дермо э.д.с.. t , Из нестен 2j способ ояределе ия поперечного коэффициента НерьгстаЭттингсгаузена и в полупроводниковьгх кристаллах, состоящий в измерении термомагнитной Э/{С 6 , появляющейся при помещении образца, в котором создан градие1 т температурь в постоянное магнитное поле Н , Градиент температуры создается двумя нагревателями или нагревателем и холоди.пыгиком. Нагреватели и образс;п, располагаются между полюсами Jчocтoяllнoгo ма;чи та так, чтобы BCKTiip градиента температуры, магнитного по..я и познчкаклцей термо магнчтно: ЭЛС. бьми итаимно перпен;и;кулярП-;. :iiincpt4ii i;; к;1чгЫ})ипиент орпста-Эттингсгаузсна 3 определяется ия вьфажения: jL- Е Определение Qi из онислиниго Bhmie классического термо-магнитного метода верно в предхположешш, что колебания решетки, взаимодейстнующие с носителями тока, ркчхо/ятся в тепловом равновесии. Наличие традиента температуры приводит к возникновению анизотропии в распределении колебаний решетки; фотоны ггреимуцественно движутся н направлении от горячего к холодному краю образца. Вследствие этого рассеяние носителей тока фотонами также становится анизотрогг51ым: носите.ти чаще получают импулг сы в сторону холодного края 5 чем s противоположную. Этот дрейф носителей тока, обусловленной нарушением равновесного распределения колебаний решетки, получил название увлечения носителей тока фотонами. Эффект увлечения тем больше, чем сильнее взаимодействие фотонов с носителями тока и чем больше время рел аксации разуггарядочения движения д.гтинноволновых фотонов, с которыми носители тока взаимодействуют. Следовательно, при высоких температурах эф(})ектом увлечсния можно пренебречь, а при низких температурах увлечение проявляется значительно сильнее, так как из-за взаимных столкновений распределение фотонов медленнее возвращается к равновесию. Наличие при низких температурах сильного эф{|1екта увлечения является принципиальным фактором, не позволяющим определячь поперечный коэффициент Нернста-Эттингсгаузена в области низких температур указанным способом, создавая градиент температур с помощью двух нагревателей или нагревателя и холо,п,И1И:,пика I изобретения является расширение температурного интервала определения поперечного коэс1х|зициента Нернста-Эттингсгаузена в полупроводниках в область температур 4,2 - 150К, где определение его из классического термомагнитного эффекта принци1гиал1,но непозможно. Цель достидмется тем, что берут материал, кон1 ентр;)иия равновесных, носителей тока г и котором довлетворяет условию: его до температуры охлаждают ТЗОК, а градиент температуры создают путем освещения кристалла СИРТОМ ич области собс твенно1о nor.ioiue ния, энергия которого удов;1етво ряет условию 2о-ьЫд е ,-o,t ширина запрещенной SOHI.I полупрово;и1ика j энергия продольного оптического фотона п полупроводникезаряд электрона, эффективная масса рапноис ного носителя тока; концентрация равновесных носителей тока; постоянная 1ланка; частота продол1 ного оптического фотона, статическая и оптическая диэлектрические постоянны При выполнении условий (2,3) про ИСХО7ШТ разогрев ансамбля равновесных носителей тока. Формула (2) характеризует условия, гтри которых им ет место сильное межэдектрояное взаимодействие и осуществляется передача избыточной энергии фотоносителей системе равновесных носителей Нижний предел для энергии кванта света в формуле (3) обусловлен прин ципиальной невозможностью разогрева равновесной системы при меньших энергиях: верхний предел (f tEa + + 20 tiujg ) выбран с учетом сложной структуры зон полупроводника. Ниже пpивeдe рассмотрение для полупроводника п-типа. Полученные выводы справедливы для материала как р-типа, так и для собственного полупроводника. Известен эффект разогрева электронного газа в полупро водниках З J. При освещении полупро водника светом, э(гергия которого удовлетворяет условию (3), избыточная энергия фотона в случае сильного межэлектронного взаимодействия, которое имеет место при выполнении условия (2), передается ансамблю ра новесных носителей тока, что привод ь разогреву элсктроннсчо газа до температуры Тр , греныныютей температуру решетки т на величину jT . L где - коэ(1)фиииент поглощения, I - падающий световой поток, f - время релаксации избыточной энергии при взаимодействии с колебаниями решгтки;f-) - энергия, передаваемая фотоном системе электронов. Вследствие неравномерного погло цения света гго толщине кристалла наиО(1лее разогретыми окажутся носители у освещенной) поверхности, В результате этого возникает градиент элекI 1)оиной температуры, нап11авлеиньп 1 от ос1и щенной поверхности образца нглуСъ криста.тша. Градиент электронnoii температуры отличается от теплоного градиента, получаемого двумя нагревателями ли наг-ревателем и хо:шдильником тем, что при созда1П и градиента электронной температуры температура peiileTK) не изменяется и равна температуре окр окающе11 среды. В ЛГ1ННОМ случае фотонньвЧ поток отсутствует. Устранение Э1}х 1скта ув.чечения э,1ектронов позволяет провести определение указанного параметра нри яначитр.чьно более низких температурах, чем это можно сделать, используя для создания градиента температур два направления или нагреватель или холодильник. На фиг,1 изображена схема измерения ЭДС Нернста на градиенте электронной температуры; на фиг,2 экспериментальная зависимость поперечного коэффициента Нернста- Зттингсгаузена от температуры в интервале 4, 2-150°К. Конкретное определение поперечного коэффициента Нернста-Эттингсгаузена в интервале температур 4,2ISO K было осуществлено для эпитаксиального материала faAfi электронного типа с кон1ентрацией носителей тока г( си , удовлетворяющей требованию (2), образец помещают в постоянное магнитное поле кэ, охлаждают до температуры 4,//К, освещают светом, энергия которого 1,59 эВ удовлетворяет -слонию (3),

S«

В .этих условиях измеряют ЭДС Е , обусловленную фототермомагнитным эффектом на градиенте электронной температуры и рассчитывают значение Q-1 со1ласно формуле (1),

Для получения я качения поперечного коэффициента Нернста-Эттингсгаузена в интервале температур ij2-150 К температуру кристалла постепенно повьш ают, измеряют ЭДС при заданной температуре из указанного интервала и рассчитывают значения

Q- согласно (1). Полученные значения гфедставлены на фиг.2. Величина Q- с понижением температуры падаетJ меняет знак, а затем растет по абсолютной величине, стремясь к некоторому постоянному значению. Смена знака (3--обусловлена изменением механизмов рассеяния носителей тока в полупроводнике. При высоких температурах (. Т 7 60 К) преобладающим механизмом рассеяния янляется рассеяние последних на тепловых колебаниях решетки в то время, как при Т 4ПК носители тока рассеиваются, в основном, при взаимодействии с: ионам1г примеси. Знак u-L зависнт от мпхшптзмя. рассеяния :осителей тока

ЗЯг(|..)

4ГМД+г1

Гб)

К - постотнная Г олт цмана, - гамма-функция 5 о - коэффициент.

При рассеянии носителей тока на ионах г 2( Т 40 К), а на тепловых колебаниях решетки г -2/}. Согласно формуле (5) при изменении хлрлктера рассеяния носителе; тока должен меият1 ся знак Э, .

Предлагаемый способ опреде.чепия гюггеречного коэффициента Нернста-Зттингсг-аузена S в полупроводршках позволяет рас:иирить температу 1Н11ГЙ юггервал измерения указа ного парамет)а и сторону низких температур до А, 2 К, Температурная завис:имость U f (Т) в областуг низких температур ;1ает возможность изучить механизмы рассеяния носителей токя, что важно для контроля качесГва полупрогюдниковых материало.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО КОЭФФИЦЖНТА НЕРНСТА-ЭТТИНГСГАУЗЕНА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ путем создания градиента температуры, отличающийс я тем, что, с целью расширения температурного интервала измерения указанного параметра в область температур 4,2 - , выбирают материал с KoHueHTpaiyieft равновесных носителей тока, удовлетворяющей условию К П7/ 4 el ( IK ne Its охлаждают его до температуры 4,2 , а градиент температуры создают, освещая кристалл светом с энергией, удовлетворяющей условию: 7/ 7, f 0,)j где EQ - ширина запрещенной зоны полупроводника-, tiLJ - энергия продольного опти(Л ческого фотона в полупроводнике-, е - заряд электрона; т - эффективная масса равновесного носителя тока-, 00 СП) статическая и оптическая эе,и диэлектрические постоянные Р о h - концентрация равновесных носителей тока-, ti - постоянная Планка О1 О) - частота продольного оптического фотона.

lO