Способ измерения ширины запрещенной зоны полупроводникового варизонного слоя Советский патент 1982 года по МПК H01L21/66 

. (5) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВАРИЗОННОГО СЛОЯ

Изобретение относится к оптическим методам контроля физических параметров полупроводников, а конкрет но к способам определения зависимос ти ширины запрещенной зоны (Ел) ° толщине варизонных эпитаксиальных структур и может быть использовано при конструировании полупроводниковых приборов. Известен способ определения Е(у Bapi.j3OHHoro эпитаксиального слоя, основанный на измерении спектров краевой фотолюминесценции при послой ном отравливании слоя, либо при сканировании поверхности косого шлифа слоя возбуждающим световым зондом и определения зависимости Е (Z) (Z слоя) по энергетическому смещению пи ка {|)отолюминесценции от толщины СЛОЯ 1 3 . Недостатком известного способа яв ляется невысокое разрешение по толщи не (,5 мкм), обусловленное перекр тием зоной возбуждения соседних участков СЛОЯ, и приводящее к большим погрешностям определения зависимости Ecr(Z) в тонких варизонных слоях с большими значениями градиента , сложность точного измерения толщины стравливаемого слоя, а также необходимость разрушения образца. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения ширины запрещенной зоны полупроводникового слоя, основанный на воздействии монохроматическим излучением, энергия квантов которого меняется-В-интервале ) Jmaxt4min ( значения ширины запрещенной зоны на узкозонной и широкозонной сторонах слоя), определения спектральной зависимости оптич ческого пропускания и в последующем математическом анализе измеренных спектров с использованием,ЭВН Г2. Однако известный способ является неточным и сложным, так как требует знания зависимостей коэффициента 393 поглощения от энергий фотонов и ширины запрещенной зоны исследуемого материала в аналитическом виде. Пра-; ктически такие зависимости определены лишь для немногих, хорошо излучен ных элементарных и бинарных полупроводников и неизвестны для твердых растворов на их основе. Поэтому в ра четах используются приближенные знал тические зависимости коэффициента поглощения от энергии фотонов и Е(т твердого раствора, что понижает точность определения профиля Е по толщине слоя. Кроме этого, данный способ является непригодным для оп ре дел ния .зависимости Eq:() эпитаксиальных слоев, выращенных на непрозрачной подложке. Цель изобретения - повышение точности при упрощении процесса измерения. Поставленная цель достигается тем что в способе измерения ширийы запре щенной зоны полупроводникового варизонного слоя, заключающемся в воздей ствии на слой монохроматическим излу чением, энергия квантов которого меняется в интервале Eamin- - «Хшйх (EcgmiTiH ЕС ГПЙХ- значения ширины запрещенной зоны на узкозонной и широкозонной сторонах слоя), модулируют длину волны монохроматического излучения, определяют положения инте ференционных экстремумов в производной хпектра Joтpaжeния от указанной стороны слоя, а величину запрещенной зоны вычисляются по формуле ciV-l .R, )--i ., ilm-ll mi где координата,соответ ствующая т-му интерференционному экстремуму; m 1,2,3. . порядковый номер экстремума, отсчитываемый с стороны длинных волн; Xiu длина волны, соответствующая т-тому экстремуму;; Т1 - среднее значение показателя преломления -слоя в исследуемом спектральном интервале; Й - энергия связи экси тона 0 кристалле; h - постоянная Планка; с - скорость света. .4 На фиг, 1 представлена схематическая диаграмма, иллюстрирующая параметры варизонного слоя и отражение света от данного слоя; на фиг. 2 производная спектра отражения от- варизонного слбя на фиг.З зависимость ширины запрещенной зоны по толщине варизонного слоя на фиг. k - устройство для реализации способа. Физической основой способа является интерференция световых волн, отраженных от узкозонной стороны варизонного слоя и от области скачка показателя прелом рения внутри слоя, возникающего за счет экситонных переходов, формирующих край основного поглощения. На фиг. 1 схематично показано измерение ширины запрещенной зоны Ели энергии экситонных переходов Е от координаты Z, направленной вглубь слоя, а также зависимость показателя преломления n(z) для энергии фотонов tiuj7E (+) Ecjmin- Величина Z (1iu)) определяет расстояние от поверхности (Z б) до области скачка показателя преломления внутри слоя, обусловленного прямыми экситонными переходами в плоскости слоя ,где f(w ). Если в среде имеется область с достаточно резким по сравнению с длиной волны CKa4kOM показателя предломления, то распространяющаяся в ней волна будет частично отражаться. Наличие в варизонном слое области скачка показателя преломления, расстояние до которой Z- зависит от энергии фотонов, приводит к появлению в спектре отражения интерференционных Минимумов или максимумов, когда возникает соответствующая разность фаз между волнами, отраженными от границы разделов с координатами Z 0 и Z ZQ(tiu (фиг. 1). Поскольку с увеличением tiu) (уменьшением длины волны) величина Z растет, то в спектре отражения возникает интерференционная картина. Для лучшего ее выявления, и повышения точности измерения следует применять модуляцию длины излучения, т.е. измерять производную спектра отражения. Глубина интерференции увеличивается с понижением температуры образца, что обусловлено ростом резкого скачка показателя преломления с области края основного поглощения. 5. 9 Отражение волн внутри слоя происх дит в плоскости, где энергия фотонов сравнивается с энергией экситонных переходов. Поэтому энергетическое положение экстремума m соответствует энергии экситных переходов в плоскос ти слоя с координатой Zm. Но интерференционной картине отра женного излучения определяется зависимость ширины запрещенной зоны по толщине варизонного слоя. Данный способ используется для определения зависимости ширины запре щенной зоны по толщине варизонных оп таксиальных структур типа Al)(Ga|)(As и др. имеющих прямую структуру зон, величину градиента ширины запрещенной зоны дЕс 7/500 эв/см и толщину слоя от 0,1 до нескольких микрон, т.е. в тех случаях, когда другие методы, как оптические, так и рентге носпектральные, неточны или весьма сложны. Устройство для реализации предлагаемого способа (фиг. k} содержит мо нохронометр 1,оптический криостат 2, фотоприемник 3, селективный усилител 4, синхронный детектор 5, самописец6 Устройство работает следующим образом. В оптический криостат 2 помещают исследуемый образец и охлаждают до температуры близкой к 77 К. Узкий пучок монохроматического излучения модулируют по длине волны с частотой Я1 при. помощи кварцевой пластинки, установленной перед выходной щелью мо-. нохроматора 1, и направ.ляют на узкозонную сторону варизонного слоя под глом близким к нормальному (-610). Отражение от слоя излучения направляют на фотоприемник 3,. сигнал от которого усиливают селективным усилителем , настроенным на частоту модуляции 51 и подают в синхронный детектор 5- После синхронного детектора сигнал, пропорциональный производ- . ной спектра отражения 4- записывает6 а л. Производная спектра отражения варизонного слоя представлена на фиг. 2. Цифрами 1,2,3..- обозна чен порядковый номер экстремума в интерференционной картине. Используя значения показателя преломления и энергии связи экситона твердого раст вора .As равных соответственно 3,б5 и 4 мэВ, и энергетические положения интерференционный экстрему18в спектре (фиг. 2), по формулам мое рассчитывается зависимость Е от координаты Z, направленной вглубь слоя. Полученная зависимость Е (Z) представлена на фиг. 3- Среднее значение градиента ширины запрещенной зоны в слое лЕ 1590 эВ/см. Точность определения зависимости ) определяется погрешностью установления, энергетических положений экстремумовj что практически составляет величину порядка 1 мэВ, и погрешностью определения координаты. Значение последней устанавливается с ошибкой меньшей чем 3, если значение показателя преломления fi -3,65, а Дп ±0,1.. Предлагаемый способ обладает высокой локальностью контроля профиля ширины запрещенной зоны по глубине слоя. Величина устанавливается с шагом равным изменению координаты на величину Z /kri. При Я 0,7мкм и fi ; 3.65, что типично для варизонного слоя типа As с ,3, AZ«0,05 мкм. Использование предлагаемого способа позволяет на порядок увеличить точность измерения ширины запрещенной зоны в варизонномслое по сравнение с известным, так как в данном случае зависимость Е(у от координаты опредеяется только по энергетическим положениям интерференционных экстремумов в спектре, а не по интенсивности прошедшего через кристалл излучения, измерения которого связаны с большими погрешностями. Достоинством метода является его простота, а также то, что онявляется неразрушающим и бесконтактным. Формула изобретения Способ измерения ширины запрещенной зоны полупроводникового варизонного слоя, заключающийся в воздейст-вии На слой мoнo poмaтичecким излучением, энергия квантов которого ме няется в интервале (Etfrnin и «rmaTi значения ширины запрещенной зоны на узкозонной и широкозонной сторонах слоя), о т л и ч а ощ и и с я тем, что, с целью повышения точности при упрощении процесса измерений, модулируют длину волны монохроматического излучения, определяют положение интерференционных , экстремумов в производной спектра л f ч ...... ч« ражения от узкозонной стороны слоя а величину запрещенной зоны вычисл ют по формуле Ис (2т - П Ес$(2) где,1 г-:: координата, соот В п ветствующая т-му интерференционному экстремуму; m 1,2,3... - порядковый номер экстремума, отсчитываемый со стороны длинных волн; длина волны, соответствующая т-тому экстремуму;

баризоиный слои

yrz;,f«(zy

.j Z.ffttt/) г. 8 и - среднее значение показателя преломления слоя в исследуемом спектральном интервале; R - энергия связи экситона в кристалле; h - постоянная Птннка; с - скорость света. Источники информации, ПРИПЯТЬЮ во внимание при экспертизе л ,- M..Konagai, К. Takahashi Craded-band-gap p. Ga., Al.As - n GaAs , beterojunction solar cells. - J.pl. Phys, 1975, V 46, R 35, 2 W.P;Hall, W.E.Tennant, J.A.Cape, J.b. Harris,Nondestructive determination o energy-gap grading in thin films by optical transmission - J. Vac. Sci.Teclinol, V. 13, р,9Й (прототип).

еамшо

1Л

116

Ш

0.4

о

At e-OftAt-ffp t

т

L

9Л

Z.MKH

Ф«е.З