Способ определения параметров варизонного полупроводника

 

СПОСОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАРИЗОННОГО ПОЛУПРОВОДНИКА, включающий возбуждение и измерение энергии пика его краевой люминесценции со стороны узкозонной поверхнос ;с /,1/ ,ти, отличающийся тем, что, с целью определения градиента ширины запрег{енной зоны &Е вблизи УЗКОЗОННОЙ поверхности без нарушения целостности образца, измеряют за висимость коэффициента пропускания t указанного полупроводника от энергии кванта, из независимых измерений определяют значение коэффициента поглощения otj при h9,m,Kc искомую величину определяют из соотнокюния ,с -ТПГл 6 о.ЛхМ, макс -Вп где 4Е, - градиент ширины заё прещенной зоны полуi проводника ; )- коэффициенты пропусt- ,t(h-J k/) Р макс кания в области прозрачности И при соответственно; Е характеристическая энергия в выражении для коэффициента поглощения , коэффициент поглощео ел ния полупроводника при . с э

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09J (И) 3(ЯЭ Н 01 Ь 21 бб

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2981055/18-25 (22) 02.07.80 (46) 23.11.83. Бюл. 9 43

{72) Н.В.Зотова, Н.П.Есина, Б.A.Ìàòâååâ, Л.Д.Неуймина, Н.N.Ñòóñü и Г.Н.Талалакин (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. A.Ô.Иоффе (53) 621.382(088.8) (56) 1. Hill R, williams F.

Electric-field dependent lumihescent spectra of бгайеа-band-барsemi-Conductors. — Appl.Phys, Lett.

1967, v.11, Р 9, р.296-298.

2. Воробкало В.М., Глинчук К.Д., Кесаманлы Ф.П. Исследование люминесцентных свойств пленок твердых растворов А1 Ga+ As, выращенных из органического раствора-расплава.В кн.: "Полупроводниковая техника и микроэлектроника", вып.17, Киев, 1974, с.16-24 (прототип). (54)(57) СНОСОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАРИЗОННОГО ПОЛУПРОВОДНИКАу включающий возбуждение и измерение энергии пима его краевой люминесценции со стороны узкозонной поверхнос,ти, отличающийся тем, что, с целью определения градиента ширины запрещенной эоны ьЕ вблизи узкозонной поверхности без нарушения целостности образца, измеряют за висимость коэффициента пропускания

С указанного полупроводника от энергии кванта, из независиьеах измерений определяют значение коэффициента поглощения с(0 при Ы„щ„с, а искомую величину определяют из соотношения р(>. Е ,ЪЕ

Ъ р НМмаас (е где а.Е, - градиент ширины запрещенной зоны полупроводника;

t e,t(h9м „ )- коэффициенты пропускания в области прозрачности и при Ымс цс, соответственно;

E — характеристическая энергия в выражении Я для коэффициента поглощения, с(« коэФФициент поглощения полупроводника при

" макс1056315

Недостатком известного способа является то, что он приводит к порче кристалла, т.е. к нарушению его целостности. Кроме того, он не позволяет определить локальное зна.чение градиента ширины запрещенной эоны вблизи узкозонной поверхности.

65

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам измерения параметров варизонных полупроводников.

Известен способ определения координатной зависимости ширины за- 5 прещенной эоны варизонного полупроводника с монотонно изменяющейся вдоль одной из координат шириной запрещенной зоны путем измерения его краевой Фотолюминесценции,. Суть спо- 10 соба заключается в том, что скалывают кристалл, измеряют энергию пика. Фотолюминесценции (ФЛ) при возбуждении кристалла в определенной точке, по найденной энергии пика и известной из независимых измерений энергии залегания примеси, через которую идет ФЛ, определяют ширину запрещенной эоны Е в упомянутой точке, определяют координатную зависимость Е путем возбуждения кристалла в разных точках P1) .

Недостатком способа является то, что для определения градиента ширины запрещенной эоны производят скалывание кристалла, т.е. нарушают его целостность. Кроме того, его применимость ограничена: луч возбуждающего света направлен перпендикулярно градиенту Е, поэтому толщина варизонного кристалла должна быть достаточно велика по сравнению с диаметром пятна возбуждающего света (практически не менее 500 мкм) в то время, как . большинство варизонных структур имеет толщину ва- З5 ризонной области менее 100 мкм.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ

;определения параметров варизонного 40 полупроводника, включающий возбуждение и измерение энергии пика его краевой люминесценции со стороны узкозонной поверхности. Суть способа состоит в том, что варизонный по- 45 лупроводник сошлифовывают с одной стороны под малым углом к плоскости, перпендикулярной АE, измеряют энергию пика ФЛ при возбуждении кристалла в определенной точке сошлифованной поверхности, по найденной энергии пика и известной из независимых измерений энергии залегания примеси, через которую идет

ФЛ, определяют Е в упомянутой точке, указанную операцию повторяют, возбуждая ФЛ в разных точках сошлифованной поверхности (2) . (1)

1! ель изобретения — определение градиента ширины запрещенной зоны

АЕб. вблизи узкозонной поверхности без нарушения целостности образца.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения параметров варизонного полупроводника, включающему возбуждение энергии пика его краевой люминесценции со стороны узкозонной поверхности, и измеряют зависимость коэффициента пропускания указанного полупроводника с>т энергии кванта, из незави,симых измерений определяют значение коэффициента поглощения Ж при

Яма„д, а искомую величину определяют из соотношения о о

И Ь макс > и где Е - градиент ширины запрещенной зоны полупроводника, t,t (h9 м„„) - коэффициенты пропускания в области прозрачности и при

h+ макс соответственно;

- характеристическая энергия в выражении для коэффициента поглощения; о — коэффициент поглощеМ ния полупроводника при h моче .

Экспериментально установлено, что при энергиях кванта, меньших края поглощения, твердые растворы, например, InAs .„,„ Sb„ p> имеют экспоненциальный рост коэффициента поглощения. Поэтому коэффициент поглощения для света с МсЕ „„,„, падающего параллельно направлению градиента Е, в варизонном кристалле на основе твердого раствора может быть определен в виде ю = >>(ехр >

Е где Е - — ширина запрещенной зоg мин ны на узкозонной поверхности варизонного полупроводника, мэВ;

h9 - энергия кванта (hg(E „„Ä), мэ В, hE — градиент ширины запрещенной эоны, мэВ/мкм;

z координата, вдоль которой меняется Е (обычно Е совпадает с направлением роста варизонного кристалла), мкм, Z = 0 - уравнение для узкозонной поверхности, Š— характеристическая энергия в выражении для коэффициента поглощения, мэВ.

1056315 м /h4 макс P gZ) (2)

К <оехр

Е ahQ где

).

).

Для вычисления оптической плотности варизонного полупроводника проинтегрируем выражение (2) по 40 координате Z (3) д

35 где а - толщина варизонного кристалла, мкм. Из выражения (3) видно, что спектр оптической плотности вариэонного полупроводника при QiE который экспериментально определяется иэ измерений спектра коэффициента пропускания С, содержит:информацию о градиенте Е вблизи узкозонной поверхности. Действительно, практически представляет интерес

hE . d случай, когда --р-- > 2,3, так как

4Eg ° а нетрудно видеть, что при -- =- с 2,3 6О оптическая плотность варизонного полупроводника совпадает с оптической плотностью гомозонного полупроводника толщиной d u F.g- = Fg-„„„, т.е. по оптическим свойствам варизонный

При возбуждении и измерении люминесценции со стороны указанной поверхности энергия пика краевой люминесценции hN M «определяется значением ширины запрещенной зоны на поверхности полупроводника, т.е. 5

Eg м„ц . Действительно, встроенное электрическое поле варизонного полупроводника при указанном способе возбуждения направлено навстречу неосновным носителям, образующимся 10 при возбуждении кристалла. В результате основные носители скапливаются в небольшой области вблизи поверхности полупроводника, где Е равно Е,с „„,. Поскольку спектр излучения пик люминесценции) формируют неосновные носители, то Еу „к=h0> <+ макс"

+дИ, где Есчм„„- ширина запрещенной эоны на узкозонной поверхности полупроводника, h4макс — энеРгия пика краевой люминесценции, т.е. энергия излученного кванта, при кото- ром интенсивность люминесценции имеет максимальное значение, а дhQ некоторая поправка, учитывающая положение уровня Ферми, глубину залегания примеси, через которую идет рекомбинация, а также особенности формирования пика люминесценции варизонного полупроводника.

Подставляя Е „,= h4 „, +ЬЫ в ЗО выражение (1), получаем полупроводник аналогичен гомозонному d

D --) с(= " бо

«ЬЕ а

При -- -- > 2,3 выражение (3) упрощается о с " ) мпкс

Щ ) = ехр ч Eg (.

Используя соотношение (4), характеристическую энергию определяют из экспериментальных данных по пропусканию следующим образом

" 1- " 2

Е= ), аЮ,-Е.П, Ел-Еп — -Ь Р. — где Ы, Ы вЂ” произвольные точки на спектре коэффициента пропускания, С, =- (М„), =t(hN ) .

Подставляя в выражение (4)

?Я=И„ кс, получаем э(м..„,1 макс

Таким образом, градиент ширины запрещенной эоны определяют из соотношения (о + цЬ,„...) (5)

-ь о где t (h9 heave ) - коэффициент пропускания варизонного полупроводника при Я=Ямс,к,, о — коэффициент пропускания полупроводника в области прозрачности

Параметр Ы", который не зависит от градиента ширины запрещенной эоны, используемый для вычисления

AERY определяют из независимых измерений, т.е. измерений, проводимых на калиброванном образце с известным градиентом Есс с той же, что и в исследуемом образце концентрацией и типом примеси, а также областью составов твердого раствора. Независимое измерение параметра ес для данной серии образцов (образцов с разным градиентом F, но одинаковым уровнем легирования проводят только один раз.

Особенностью способа является то, что он позволяет определить градиент ширины запрещенной зоны вблизи узкозонной поверхности. Известный способ определяет ьГ,с как некоторую усредненную величину, точность определения которой зависит от шага сканирования точки возбуждения ФЛ, а также от диаметра пятна возбуждения. В способе градиент ширины запрещенной зоны определяют из данных по коэффициенту пропускания, а поскольку поглощение света происходит на глубине примерно 1 мкм, то значение градиента Е, определяемого

1056315 по этому способу, соответствует локальной величине ??E вблизи узкозонной поверхности на глубине примерно 1 мкм. В этом проявляется преимущество предлагаемого способа в тех случаях, когда важно знать не среднее, а локальное значение градиента ширины запрещенной эоны варизонного полупроводника.

Пример. Измеряют градиент ширины запрещенной эоны в эпитаксиальных пленках твердых растворов

InAs >> Sb> P (0,084ХАО, 12, 04Т 0 05) выращенных методом жидкофазной эпйтаксии на подложках InAs (td)8. Образцы были и типа с концентрацией носителей (3 — 5} 1016 см . Концентрация атомов сурьмы возрастает к поверхности, а фосфора — падает, поэтому во всех образцах ширина запрещенной зоны убывает к поверхности, -и на поверхности имеется минимальная ширина запрещенной зоны.

Измерения проводят при 100 К. Для возбуждения ФЛ используют полупроводниковый лазер ЛД-16, при этом уровень возбуждения слабый. Спектры коэффициента пропускания измеряют на двухлучевом ИК-спектрофотометре

Я20. ф

Дяя определения параметра ао, необходимого для расчета д Е, выращен калибровочный образец и типа с кон- цеитрацией п=(3 - 5) ° 10 см - составом 0,08cg@0,12, 04У60,10. После измерения энергии пика краевой люминесценции ll4NaKe H спектра про, пусмания в калибровочном образце методом послойного стравливания определяют градиент Е . При этом оптические параметры образца оказываются следующими: Мм =337 мэВ, Е = 7 мэВ, - En--- ------ = 0,56, (? au* 2 ь

aE = 2,8 мэВ/мкм. Используя .соотношение (5), определяют параметрь „, который оказывается равным

go 2 10 см (100К).

Градиент ширины запрещенной эоны .в исследованных образцах определяется следующим образом.

Возбуждают ФЛ со стороны узкозон ной поверхности эпитаксиальных слоев. Измерения ФЛ проводят со сторо1О ны возбуждения. Из спектров ФЛ определяют Ии „ь . Эатем измеряют спектр коэффициента пропускания с, из которого определяется характеристическая энергия Е и значение ко?5 эффициента пропускания при М=?В щ„ .

На чертеже представлены экспериментальные спектры коэффициента пропускания (кривые 1-3) и спектры ФЛ, измеренные со стороны узкозонной

2О поверхности (кривые 4-6) трех образцов 1-3.

Из соотношения (5) определяют градиент Е . Расчетные значения d E соответственно равны:bE@;1,8 мэВ/мкм

25 %Е =1 6 мэВ/мкм 9Eg=l 8 мэВ/мкм.для ,проверки способа в этих же образцах путем послойного стравливания неза.висимо определяют Че,который равен

РЧд=1,8 мэВ/мкм для всех трех образ30

Таким образом, предлагаемый способ .позволяет определить градиент ширины запрещенной зоны вблизи уэкозонной поверхности нераэрушающим методом. Другим важным преимуществом способа является его простота. Изобретение позволяет определить аЕ и в том случае, когда коэффициент поглощения меняется неэкспоненциально., 40 Для определения ьЕ< при этом следует пользоваться соответству?асими градуировочными кривыми.

1056315

r7,юэль

Я(7 ЯО ЯО 970

t t 1

b) Заказ 9320/49 Тираж I03 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Т.Корягина

Редактор Н. Бобкова Техред М. Гергель Корректор О. Билак