Способ измерения удельной электрической проводимости полупроводникового материала
Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение диапазона измерений. Сущностью данного способа измерения удельной электрической проводимости полупроводникового материала является возможность сравнения концентрации электроактивной примеси с эталоном концентрации при использовании метода эффективного поверхностного рассеивания только в определенном диапазоне температур исследуемого образца и мощностей СВЧ-поля. При этом устанавливается однозначная связь между концентрацией указанной примеси, полученной заданным методом, и удельной электрической проводимостью образца при температурах истощения примеси. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) А1
Р1)5 G 01 N 22/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbfTHRM
ПРИ ГКНТ СССР (21) 440651 5/24--09 (22) 08. 04. 88 (46) 07 . 06 . 90. Вк.л. № 21 (71) Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе A1) СССР и Всесоюзный институт огнеупоров (72) A.È.Håéíãåð, С.В.Казаков, В.И.Колынина, Е.Я.Литовский и А.С.Хейфец (53) 621 .3!7.39(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1 0831 28, кл . G 01 R 27/00, 1 988.
Авторское свидетельство СССР
¹- 1 254394, кл . С 0) R 27/00, 1985. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУТ РОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА (57) Изобретение относится к измериИзобретение относится к области измерения электрофизических характеристик полупроводниковых материалов, в частности удельной электрической проводимости полупроводников, и может быть использовано в научных исследованиях при испытаниях и определении параметров новых полупроводниковых материалов.
Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона значений измеряемой удельной электрической проводимости.
На фиг. 1 представлен график зависимости интенсивности ЭПР сигнала оТ обратной температуры для двух образцов карбида кремния: для монокристаллического образца (кривая а) 2 тельной технике . Цель изобретения повышение точности измерений и расширение диапазона измерений. Сущностью данного способа измерения удельной электрической проводимости полупроводникового материала является возможность сравнения концентрации электроактивной примеси с эталоном концентрации при использовании метода эффективного поверхностного рассеивания в определенном диапазоне температур исследуемого образца и мощностей СВЧполя. При этом устанавливается однозначная связь между концентрацией указанной примеси, полученной заданным методом, и удельной электрической с
Я проводимостью образца при температурах истощения примеси. 2 ил. и порошкового образца (кривая в), на фиг. 2 — для тех же образцов граФик зависимости интенсивности ЭПР сигнала от СВЧ-мощности, кривые с и
Й соответственно (зависимости на фиг.2 проведены в двойно:. логарифмическом масштабе, где степенная зависимость представлена прямой линией, а показатель степени передается наклоном этой прямой) .
Основой способа является воэможность корректного сравнения концентрации электроактивной примеси с эталоном концентрации с исполЬзованиеМ метода ЭПР только в определенном диапа: зоне гемператур исследуемого образца и мощностей СВЧ-поля и установленная
1569683 однозначная связь между концентрацией указанной примеси, полученной указанным методом, и удельной электрической проводимостью образца при
5 температурах истощения примеси.
Исследуемый образец помещается в область пучности магнитного СВЧ-поля резонатора. Такая необходимость связана с тем, что в любом другом месте резонатора присутствует электрическая составляющая СВЧ-поля, которая также поглощается образцом, но это поглощение никак не контролируется, что снижает точность измерений. Кроме того, поглощение электрической составляющей СВЧ-поля гораздо сильнее поглощения магнитной составляющей. Электрическое поглощение может вызвать ионизацию примеси при большой ее концентрации и тем самым сузить диапазон измеряемых значений удельной элетрической проводимости за счет появления скин-эффекта при больших концентрациях примеси. 25
Каждый полупроводниковый материал и даже каждая примесь в этом материале дают площадь под кривой резонансного поглощения, соответствующую концентрации этой примеси, только в определенном интервале. температуры и СВЧ-мощности, Протяженность этого интервала зависит не только от вида полупровоцника и примеси, но и от концентрации последней, так что перед каждым определением концентрации предварительно необходимо определить область температуры и СВЧ-мощности, в которой возможно по площади под кривой резонанс- 4О .ного поглощения определить концентрацию примеси. Это возможно в тех диапазонах, где одновременно Х Т и
I P . При отклонении зависимо(Ы стей от указанных точность измерения 45 быстро ухудшается, а определение концентрации становится невозможным.
Отсюда следует необходимость определения площади под кривой резонансного поглощения при установленных для исследуемого образца температуре и СВЧ-мощности, так как только в этом случае достигается более высокая точность измерения и более широкий диапазон измеряемой удельной электрической проводимости, поскольку только в определенном диапазоне температуры и СИЧ-мощности существует пропорциональная зависимость между
"и NA концентрация электроактивной примеси, см .
Apsp э - эт площади под зависимостью резонансного поглощения
СВЧ-мощности образца и эталона, соответственно, усл.ед., 9 . плотность образца, г/см масса образца, г, оsp обр
Эт температура образца и эталона соответственно, К;
OSP) р мощность СВЧ-поля для образца и эталояа соответственно, Вт, оар, К эт коэффициенты усиления сигналов, снять|к с образца и эталона, соответственно (безразм)," число неспаренных электронов эталона; при резонансном (безразм).
Число неспаренных электронов в эталоне Ы, на которых происходит резонансное поглощение, определено заранее и является паспортной характеристикой эталона. Остальные коэффициенты указывают на отношение площадей под кривыми резонансного поглощения и приводят это отношение к единому значеник1 температуры, мощности и коэффициента усиления при записи за счет учета зависимости сигнала .ЭПР от этих параметров. Кроме того, в Формулу входит перевод массы образца в
его объем, так как концентрация электроактивной примеси определяется в единице объема, а масса образца малого размера может быть определена гораздо точнее, чем его объем.
Определение удельной электрической проводимости проводится по формуле (2) (7 (Т,) = е(И, — NA) л(Т,), площадью под кривой резонансного поглощения и концентрацией электроактивной примеси в полупроводниковом материале.
Определение концентрации электроактивной примеси необходимо проводить по формуле
Аовр аб esp (Р эт ) эт р " А
А эт шоьр Т эт Роьр 9T ) (1) 1569683 6 где е= 1,6.10 — заряд электрона, кул, Т, — температура из обла сти ис тошения примеси, град. P(T ) — подвижность носителей заряда. Подвижность может быть найдена для любой температуры из области температур истощения примеси либо с помощью расчета, поскольку для нахождения подвижности используются стандартные Формулы и константы, либо из справочников. Подвижности известны с достаточно высокой точностью и умножение на величину подвижности в форму- 15 ле (2) не снижает точности. Способ измерения удельной электрической проводимости полупроводникового материала используется для измерения удельной электрической проводимости монокристаллического и порошкообразного карбида кремния, электро;.ктивной примесью в которых являлся азот. Область истощения примеси в карбиде кремния лежит в температурном диапазоне 700-1 200К (5). Эталоном концентрации служит эталонный образец спектрометра, содержащий М „ = 2,56 1 0 парамагнитных 5 частиц. 30 Пример l . .Проводилось измерение удельной электрической проводимости монокристаллического образца карбида кремния политипа 6Н массой 13,-1, мг (плотность карбида кремния — 3,2 г/см ). Образец был помещен з в резонатор в пучность магнитного СВЧполя. Затем образец охлаждался до Т = 15 К и снималась зависимость интенсивности резонансного поглощения от 40 температуры (фиг. 1, кривая а) при частоте СВЧ-поля f = 9,39 Гц, мощно сти СВЧ-поля Р = 0,1 мВт, модуляции магнитного поля на частоте F 1 00 кГц амплитудой 8 = 1э. Посто- 45 янное магнитное поле изменялось в диапазоне Н = 3380-3430э. Как видно из Фиг.1 „ линейный диапазон обратных температур составляет 30-80 К. Далее снималась зависимость интенсивности 5р ЭПР-поглошения от мощности P при температуре Т = 50K (Фиг.2, кривая с), Из этой зависимости видно, что участок вида I - P лежит в диапазоне Р (01 мВт. Поэтому для измерения концентрации электроактивной примеси были выбраны значения Т = 50K, Р 6 = О, 01 мВт. Для определения площади под кривой резонансного поглощения использовалось двойное численное интегрирование сигнала производной dI/dH, так как конструкция ЭПР-спектрометра такова, что на его выходе сигнал ЭПР-поглощения появляется в виде производной от интенсивности поглощения ° При усилении ЭПР-спектрометра К = 5 10 площадь под кривой Э резонансного поглощения составила А = 6, 6 усл.ед. Спектр ЭПР этаб лона регистрировался при комнатной температуре при Р = 1 мВт. К . = 8 10 . Площадь под кривой резонансного поглощения составила А = 5,9. Подставляя указанные значения в Формулу (1), получают N — N A = 2,0 х х 1 О " см . Подвижность носителей 18 — Ъ заряда в карбиде кремния политипа 6Н при Т, = 1000 К равна p(1000K) 20 см /Вс (7) . Отсюда удельная электрическая проводимость материала исследованного образца равна 6 1000K = 6,3 Ом см Пример 2. Проводилось измерение удельной электрической проводимости порошкообразного карбида кремния со средним размером зерен 630, мкм, используемого в качестве сырья для производства карбидокремниевых электронагревателей. Масса навески m = 31 6 мг. Образец помеоьр ) щался в резонатор в пучность магнитного СВЧ-поля. . Параметры регистрации спектра ЭПР: f = 9,39 ГГц, P = 0,01 мВт, Н = 3380-3430э, 8 = 1э, Р = 100 кГц, Температурная зависимость сигнала ЭПР снималась в диапазоне 15-100К. Результаты представлены на фиг.1, кривая в. Линейный участок зависимости составляет 50-100К. При температуре T = 50 К снималась зависимость интенсивности от мощности СВЧ-поля eИ (Фиг.2, кривая d) . Зависимость I - P сохраняется при Р с0,01 мВт. Отскда ыбраны значения Р = 0,01 мВт, Т бр = 50 К. При усилении К„„= 1,6 х10 площадь под кривой резонансного поглощения составила А Бр = 2 5 0Á Спектр ЭПР регистрировался в условиях, аналогичных описанным в предыдущем примере, и А > = 4,8. Подставив необходимые значения в формулу -э (1), получают N> -N A = 1,3 10 см Используя приведенные значения подвижности p(1000K) = 20 см /Вс, получаем 6 1000К = 4,2 Ом см 7 1.569683 8 Предлагаемый споси cñ:"еспечивает повышение точности и расширение диапазона измеряемых значений удельной электрической проводимости как в сто5 рону малых, так и в сторону больших проводимостей, поскольку выбор подходящих значений температуры и СБЧмощности для каждого образца позволяет определить область пропорциональности, интегральной интенсивности и концентрации электроактивной примеси для любой концентрации последней„ Кроме того, как видно из приведенных примеров, возможно проведение измере- 15 ний удельной электрической проводимости по всей области истощения при.меси с учетом изменений подвижности с температурой, что расширяет температурный диапазон измерения искомой Йеличины. оРмула изобретения Сп особ измерения уд ель ной элек трической проводимости полупроводниково— ro материала, заключающийся в воздействии на размещенный в СВЧ-резонаторе исследуемый образец постояным магнитным полем и СВЧ-полем мощностью Р, охлаждение исследуемого образца до температуры Т возникновения электронного парамагнитного резонанса, регистрации зависимости резонансного поглощения СВЧ-мощности от величины 35 постоянного магнитного поля, определение концентрации электроактивной примеси с последующим определением искомой величины о т л и ч а ю щ и йУ 40 с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, исследуемый образец помещают в пучность магнитного поля СВЧ-резонатора, величину температуры Т определяют из области гинейной зависимости интенсивности резонансного поглощения I от обратной температуры 1/Т, величину мощности СВЧ-поля Р //2 выбирают из области I P в зависимости интенсивности ре з онансног о поглощения I от мощности СВЧ-поля Р, снятой при выбранной температуре Т, а концентрацию электроактивной примеси N - N определяют из соотношения Ао я оБР ТоБР (Рэ ) К т /2 N -N Зт А,г тй„р Т Ро р 1<обр где А A — площади под зависимоОБр стью резонансного поглощения СВЧ-мощности образца и эталона соответственно, m „) — масса и плотность обоьр разца, Т,Тэ- — температура образца и эталона соответственно, P,Ð мощность СВЧ поля для Обр э / образца и эталона соответственно; К в,К вЂ” коэффициент усиления сигналов, снятых с образца и эталонов соответственно, N — число неспаренных электронов эталона при резонансном поглощении, удельную электрическую проводимость определяют из соотношения где Т „— температура из облас ти насыщения примеси, р (Т, ) — п одв ижно с ть носителей з аряда; — заряд электрона 1569683 20 Тк 50 JO Фиг.1 Составитель А. Михайлова Техред Д. Сердюкова Корректор Л. Бескид Редактор А. Шандор Заказ 1443 Тираж. 493 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101
