Способ определения концентрации оптически активных примесей в твердых телах Советский патент 1981 года по МПК G01J3/30 

Изобретение относится к электронике, включая оптоэлектронику, может быть применено для контроля свойств кристаллических и аморфных материалов, выбора оптимальных режимов технологических процессов их производства, особенно для контроля чистоты материалов лазерной техники и определения примесей в эпитаксиальных полупроводниковых пленках. Известен метод определения оптически активных примесей в твердых телах. Измерение концентрации примесей, создающих в спектрах тверд ого тела линии поглощения или люминесцен ции, производят путем измерения инте сивности поглощения (люминесценции в одной из данных линий 1). Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является способ определения концентрации оптически активных примесей, создающих линии поглощения в спектрах в твердых те лах. Известный способ 2) состоит в пропускании излучения через кристалл GaP, охлажденный до температуры жидкого гелия, измерении спектра оптического пропускания в области линии поглощения, обусловленной наличием азота (А - линия связанного экситона), вычислении интегрального коэффициента поглощения и определения концентрации примеси по формул е N, (8,5 t 0,2). 10 концентрация азота, коэффициент поглощения в области указанной линии, энергия фотонов, мэВ; loLdE - интегральный коэффициент поглощения. Недостатком известного способа является его невысокая чувствительность. Величина коэффициента поглощения в области спектральной линии, обусловленной наличием некоторой примеси, зависит от концентрации данной примеси. Величина фотового поглощения существенно зависит от температуры, величины внутренних механических напряжений, концентрации других примесей, качества обработки поверхностей и во многих случаях может достигать. величины, существенно превышающей амплитуду спектральной линии определяемой примеси (в частности, в тонких полупроводниковых слоях или при малой концентрации искомой примеси). Целью изобретения является повышение чувствительности измерений концентрации примесей. Эта цель достигается тем, что согласно способу определения концент рации оптически активных примесей в т/ердыхтелах, включающему пропусдаЬие через образец твердого тела пучка монохроматического излучения. В области оптического поглощения обусловленной наличием ионной примеси, определение интегрального коэффициента поглощения внутри указанной линии и вычисление по нему концентрации примеси, монохроматический пучок модулируют по частоте и измеряют спектр первой производной по частоте от коэффициента поглощения, по кото рому определяют интегральный коэффициент поглощения. Измерение произ водной коэффициента поглощения в области спектральной линии исключает влияние постоянного фона и позволяет определять параметры спектральной линии, необходимые для расчета тогда, когда в силу недостаточной чувст вительности известный способ уже неприменим. Концентрация примеси (поглощающих центров) в твердом теле определяетс выражением N ))-d iliv;, - концентрация примеси; С - интегральное сечение поглощения в данной ли нии; diliiV) - составляющая полного коэффициента поглощения, обусловленная на личием данной примеси j.(|f))c|(lltf)- интегральный коэффици ент поглощения в данной спектральной лини Полная величина коэффициента пог лощения вещества в области данной спектральной линии равна oL(.M)--oL()(), (.) гдес(1тУ) - полное значение коэффици . , . ента поглощения; ао1т)Ду коэффициент поглощения ф на, обусловленного налич ем собственных механизмо поглощения, поглощения другими примесями, не да щими в данной области ли ний поглощениЯ, связанно го с внутренними механическими напряжениями и нарушениями поверхностей за счет отработки. В узкой спектральной области; со ответствующей линии поглощения можн считать o/ri(iV) const, тогда fiillll- ) 0 так как -дщ )) dt+iV) и концентрацию примеси можно опредеять по выражению dd( --5-1ГтЙТТ)3(1,). (4) в этом случае величина фонового поглощения не влияет на конечный результат . Для определения концентрации приеси по выражению (4), при известном интегральном сечении поглощения G , необходимо произвести измерение спекта первой производной от коэффициента поглощения по частоте излучения V . Спектр производной от коэффициента поглощения можно получить, пропуская через образец монохроматическое излучение и измеряя спектр отношения гуэоизводной от интенсивности прошедшего через образец излучения к его интенсивности. Выражение для интенсивности прошедшего через образец излучения без учета многократных отражений представляет собой следующую зависимость; p(i,V)-I(лl)T(l,V),л))(-R)(f) где Inp(liV) -интенсивность прошедшего излучения; loCViT -интенсивность падающего на образец излучения;I ) - коэффициент пропускания, образца; R - коэффициент отражения; % - толщина образца. В узкой спектральной области соответствующей линии поглощения при использовании источников излучения с гладким спектром (лампы накаливания, глобары и т.д.) и обычных монохроматоров можно считать 1(,(41л)) const, тогда dlnol D) dMiH)) На фиг.1 изображена блок-схема измерительной установки, реализующей предложенный способ; на фиг. 2 изображены спектры первой производной коэффициента поглощения по частоте для двух кристаллов фосфида галлия в области А ig линии поглощения, обусловленной наличием азота, при 77 К, а на фиг.З изображены соответствующие им спектры коэффициента пропускания - Т СМ) , измеряемые в известном способе. Кривые 1 на фиг. 2 и фиг. 3 соответствуют кристаллу GaP олщйной - 0,3 мм с концентрацией азота N и 7,3 ГО см (bt3t 2,2 - 1(У см-) , кривые 2 на фиг. 2 и фиг.З соответствуют кристаллу GaP при-эе 1 мм, N.. 1,1 10 см(N 92. 1,1- lOli см-) . Рассмотрим предлагаемый способ на примере определения концентрации примеся азота в кристаллах фосфида

галлия. При легировании фосфида галлия азотом в спектре поглощения появляеся линия поглощения Ащ,лежащая при энгии на /ч/ 13 МэВ меньшей ширины запрещенной зоны, т.е. в области оптического пропускания материала. С понижением температуры образца линия сужается, а ее амплитуда возрастает. Установка, изображенная на фиг. 1, содержит осветитель с лампой накаливания 1, монохроматор 2 с приставкой для осуществления модуляции монохроматического излучения по частоте .(длине волны) 3, образец, помещенный в оптический криостат 4, фотоприемник 5, звуковой генератор 6, узкополосный усилитель 7, синхронный детектор 8, измеритель отношения 9, измерительный усилитель постоянного тока 10, самописцы 11 и 12. Излучение от осветителя 1 направляется на входную щель монохроматора 2, объединенионого с приставкой модуляции частоты {длины волны) монохроматического излучения 3, выходящее монохроматическое модулированное излу.чение падает на образец 4, расположенный в криостате с жидким азотом, прошедшее через образец излучение принимается фотоприемником 5. Управление приставкой 3 осуществляется с помощью звукового генератора 6. Электрический сигнал, вырабатываемый фотоприемником, подается на двухканальную схему регистрации, позволяющую измерить, как первую производную от коэффициента поглощения по частоте излучения, так и величину интенсивности прошедшего излучения, пропоциональную коэффициенту пропускания образца. Сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшехО света, усиливается измерительным усилителем 10 и подается на один из входов измерителя отношения 9, а также на.самописец 12. Узкополосный измерительный усилитель 7, настроенный на частоту модуляции излучения по частоте (длиие волны), выдает сигнал, пропорциональный амплитуде модуляции интенсивности излучения, возникающей при прохождении излучением образца. Сигнал от усилителя 7 подается на вход сиихронного детектора В., осуществляющего детектирование в соответствии с фазой опорного сигнала, подаваемого на него от звукового генератора 6. С выхода синхронного детектора 8 сигнал подается на второй вход измерителя отношения 9, где осуществляется деление данного сигнала на сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего через образец излучения. Полученное отношение регистрируемся самописцем 11. При постепенном изменении настройки монохроматора 2 по длинам волн производится .запись спектра данного отношения, а также для сравнения - спектра интенсивноети прошедшего излучения, пропорционального коэффициенту пропускания образца.

В способе применяется синусоидальная модуляция частоты монохроматического излучения, падающего на образец, т.е.:

D(-t)--i o uiPeihat, (Л)

где W - текущее значение частоты

оптического излучения; о - среднее значение частоты оптического излучения, соответствующее некоторой настройке монохроматора;

uA - амплитуда модуляции частоты излучения; Q - частота модуляции; t - время.

Интенсивность прошедшего, в этом случае, через образец излучения равна

4 -Vinb %,,,

.Vo

np .

(B)

2S( f,V-AT C-HD) dC4iV) (trt--bl o

где

амплитуда модуляции интенсивности прошедшего излучения. Тогда

dd ( ulnp C-h-tf)

(}

, - d iuD ТПР () Величина - j используется в качестве калибровочного коэффициента схемы регистрации. Записанные подобным образом спектры первой производной коэффициента поглощения по частоте излучения двух кристаллов фосфида галлия приведены на фиг. 2. Спектры коэффициента пропускания, измеряемые в известном способе для этих же образцов, приведены на фиг. Кривые 1 на фиг 2 и фиг. 3 соответствуют образцу GaP толщиной ,3M с концентраций азота 7,3- ICf (N X 2,) , кривые 2 на фиг. 2 и фиг. 3- для образца при

CM-(N

10

X 1 мм Nfj 1,1 1,1-10 см--) .

Определение концентрации примеси производится по выражению (4). Одна при определении концентрации азота в фосфиде галлия исследуемая линия в спектре коэффициента поглощения имет форму хорошо описываемую функцией Лоренца т Ноэтому в данном случае достаточно определить размах осциляции а(в спектре производной коэффициента поглощения и спектральное расстояние у 1«V между экстремумами осцилляции так как показано на фиг. 2. И концентрация вычисляется поформуле -а I л

N 1,9. (, . (Ш

тде fd, измеряется в

- в эВ ; N, - в см.

При определении концентрации азота в фосфиде Гсшлия настоящим способом при температуре жидкого азота (77К) достигается предел чувствительности, определяемый по .произведению толщины образца на концентрацию примеси, равный (К„х)у„4и . Известный спосбб даже при температуре жидкого гелия (4,2 К) не позволяет зарегистрировать примесь, если N|,x 2 10 см-. Настоящим способом можно определить, например, концентрацию хрома в сапфире, неодима и других центров окраски в стекле и т.д.

Настоящий способ обеспечивает 5олее высокую чувствительность при определении оптически активных примесей, создающих линии поглощения в твердых телах.

Формула изобретения

Способ определения концентрации оптически активных примесей в твердых телах, путем пропускания через образец твердого тела монохроматического излучения в области ли- . НИИ оптического поглощения, обусловленной наличием искомой примеси, определении .интегрального коэффици1ента поглощения внутри указанной линии и вычислении по нему концентрации примеси, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, монохроматический пучок модулируют по частоте и измеряют спектр первой производной по частоте от коэффициента поглощения, по которму определя)0т интегральный коэффициент поглощения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Грум-Гржимайло С.В. Методы и приборы для контроля качества кристаллов рубина. М., Наука, 1968,

С, 50..

2.LightowCers E.G. atdfPNitrogen concentration in GaP measured by орт ticaE absorption and by proton induced nucCear react ions j - 3of AppP-. Physics, 1974 p 2191. v 45, N 5.

L//

ФИГ 1

I

//7

12

Фиг 2

50

40

.0 30

э

20

10

2,302,31

h , эВ

ФИГ. 3