Способ бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках

 

Сущность изобретения: полупроводниковый образец одновременно освещают модулированным зондирующим излучением с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника , и модулированным светом оптического инжектора с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника. При этом длину волны зондирующего и инжектирующего излучения выбирают из области максимальной прозрачности исследуемого образца, а частоту модуляции зондирующего излучения - отличной от частоты модуляции инжектора. Регистрируют интенсивность прошедшего через полупроводниковый образец или отраженного им сигнала на частотах, равных разности или сумме настот модуляции зондирующего и инжектирующего излучений и определяют искомый параметр расчетным путем. 2 ил. СП С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (says Н 01 (21/66

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДETEflbCTBY. (I (21) 4943339/25 (22) 10.06,91 (46) 30.11.92. Бюл. № 44 (71) Северо-Западный заочный политехнический институт (72) А. С, Иванов и А. Б. Федорцов (56) Авторское свидетельство СССР

N 1591761, кл. Н 01 1 21/66, 1987.

Авторское свидетельство СССР

N1600586,,кл. Н 01 l 21/66, 1988.

D. L. РоИа, IEEE Electron, Dev. Lett, ED4. 1983. ¹ 6 р, 185. (54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ БРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ . ТОКА В

ПОЛУПРОВОДНИКАХ (57) Сущность изобретения: полупроводниковый образец одновременно освещают моПредлагаемое изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при исследовании как полупроводниковых материалов, так и полупроводниковых приборов, создаваемых на их основе. В частности, целесообразно применять данный способ в тех случаях, когда невозможно изготовить контакты к исследуемому образцу.

Известны способы бесконтактного определения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках. Все эти способы имеют существенный недостаток— для измерения времени жизни используется СВЧ-излучение. Б этом случае использо„„5U „„1778821 А1 дулированным зонДирующим излучением с. энергией фотонов, меньшей ширины запре- щенной зоны исследуемого полупроводника, и модулированным светом оптического инжектора с энергией. фотонов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника. При этом длину волны зондирующего и инжектирующего излучения выбирают из области максимальной прозрачности исследуемого образца, а частоту модуляции зондирующего излучения — отличной от частоты модуляции инжектора.

Регистрируют интенсивность прошедшего через полупроводниковый образец или отраженного им сигнала на частотах, равных разности или сумме частот модуляции зондирующего и инжектирующего излучений и определяют искомый параметр расчетным путем, 2 ил. вание волноводных систем накладывает ограничение на размеры исследуемого полупроводникового образца и в открытых системах, где образец облучается СВЧ-излучением с помощью антенны, СВЧ-излучение оказывает вредное воздействие на обслуживающий персонал. Кроме того, СВЧ-аппаратура сложная.

Известны также способы бесконтактного определения времени жизни в полупроводниках, основанные на зондировании полупроводника длинноволновым инфракрасным излучением (с энергией фотонов, меньшей ширины Ед) при его одновремен1778821 ном облучении коротковолновым светом (с энергией фотонов, большей Ед).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является способ измерения времени жизни неравновесных носителей тока по поглощению света в исследуемых полупроводниках, который заключается в пропускании через полупроводниковый образец зондирующего излучения с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого полупро,. водника, при его одновременном освещении светом оптического инжектора с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника, и регистрации прошедшего через полупроводниковый образец или отраженного им зондирующего излучения, по параметрам которого определяют искомую величину времени жизни.

Когда полупроводниковый образец освещают светом с энергией фотонов, большей ширины запрещенной эоны, в нем образуются неравновесные носители тока.

Свет оптического зонда (энергия фотонов которого меньше запрещенной зоны полупроводника), которым одновременно освещают исследуемый образец, частично поглощается неравновесными носителями така. Интенсивность прошедшего через образец света оптического зонда зависит от концентрации неравновесных носителей тока, созданных оптическим инжектором.

Так как концентрация неравновесных носителей тока зависит от их времени жизни, то можно по интенсивности прошедшего через длинноволнового света определить время жизни неравновесных носителей тока по формуле где х- время жизни носителей;

M — отношение интенсивности прошедщего или отраженного образцом света оптического зонда при включенном оптическом инжекторе к интенсивности прошедшего или отраженного света при выключенном инжекторе;

R — коэффициент отражения граней образца;

Р- квантовый выход фотоионизации;

cr- сечение поглощения света неравновесными носителями;

Π— поток фотонов накачки.

Согласно описанному способу, можно осуществить измерение времени жизни t в по10

15 ка на всей глубине исследуемого образца.

20 Поглощение излучения в веществе описыва25 где: I> — интенсивность падающего излучения;

50. излучение должно быть выбрано из области максимальной прозрачности исследуемого материала (естественно, с энергией кванта, 55

45 лупроводниковом образце бесконтактно и не разрушая его, поэтому данный способ может применяться непосредственно в процессе и роизводства полупроводниковых приборов. Кроме того, локальность измерений будет достаточно высокой, так как световые лучи легко фокусировать. Однако описанный выше способ имеет существенные недостатки. В частности, он не предоставляет возможности измерить так называемое обьемное время жизни неравновесных носителей тока в легированных полупроводниках.

Действительно, для определения величины объемного времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводнике необходимо создать максимально равномерную обьемную генерацию носителей тоется законом Ламберта-Бугера: е и.е,, I — интенсивность прошедшего излучения;

k — коэффициент поглощения излучения веществом;

1 — толщина образца.

Для исключения влияния поверхностной рекомбинации носителей тока на измеряемую величину объемного времени жизни величина (должна быть достаточно большой (=б мм), превышающей 4-5 диффузионных длин носителей тока. Таким образом, величину k следует уменьшать, т.е..инжектирующее излучение следует выбирать из области максимально возможного пропускания исследуемого материала. сохраняя, естественно, условие, что его энергия превышает ширину запрещенной зоны исследуемого полупроводника.

Выбор зондирующего излучения при определении объемного времени жизни в. легированных полупроводниках также не может быть произвольным. Зондирующее меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника). В противном случае измерение времени жизни неравновесных носителей тока будет либо невозможно вообще (в сильно легированных полупроводниках вследствие сильного поглощения на свободных носителях, пропорционального

1778821

55

А ), либо, если материал достаточно прозрачен, снизить чувствительность способа.

Пример. Необходимо йровести измерение объемного времени жизни в Si и-типа с п=4 10" см, толщина d=5 мм, Зависимость k=k(il) для такого материала приведена в (10). Оптимальным для использования в качестве зондирующего является излучение с Ъ1,15 мкм (Не-Ne-лазер). Однако можно использовать, например, и излучение с А=1,7 мкм (вторая гармоника излучения с 1=3,39 мкм Не-Ne-лазера), Пропускание образца определяется выражением (с учетом интерференции) (10):

1о Р + Р е "d — 2 R сов (у + y) где Р= — у —, ф=агс19

4лпд. 2 и +Х +1

К СК ° С.

4 лФ Х

Для излучения с il =1,15 мкм k=0,5; с

ii=1,7 мкм k=5 см

Расчет показывает, что Т ygH при А-1,15 мкм превышает Т ин при Ъ1,7 мкм примерно в 20 раз.

Кроме того, величина полезной модуляции М, регистрируемая в эксперименте, пропорциональна величине Т (5), где

Т / 1 16 10- ; Tsâ/=0 63 10- (Т„=Т / ), 1=1,15 мкм Ъ1,7 мкм max

Таким образом видно, что величина полезной модуляции регистрируемая в эксперименте, при изменении длины волны зонда от 1,15 до 1,7 мкм снижается примерно в

150 — 200 раэ. Соответственно суммарная потеря чувствительности составляет примерно 3000 раз.

Естественно, потеря в чувствительности будет тем ощутимее, чем толще будет выбранныйдля исследования образец и чем выше степень его легирования.

Выбор как зонда, так и инжектора из области максимальной прозрачности исследуемого материала приводит к тому, что инжектирующее излучение проникает через исследуемый образец и "засвечивает" фотоприемник. При этом оказывается невозможным зарегистрировать малые изменения прошедшего через полупроводник зондирующего излучения (интересующую нас ин5

40 формативную часть сигнала). Разделить зондирующее и инжектирующее излучение полностью при помощи оптических спектральных фильтров оказывается невозможным. "Раздвинуть" зондирующее и инжектирующее излучения по длинам волн также невозможно, так как при уменьшении длины волны инжектора измеряемое время жизни будет все больше отличаться от объемного, а при увеличении длины волны зонда измерение времени жизни либо вообще перестает быть возможным в силу непрозрачности образца, либо существенно снизить чувствительность способа. Это исключает возможность применения описанного выше способа прототипа для измерения объемного времени жизни неравновесных носителей тока в легированных полупроводниках.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения за счет получения возможности измерения объемного времени жизни неравновесных носителей тока в легированных полупроводниках и повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе зондирующее и инжектирующее излучения выбирают из области максимальной прозрачности исследуемого образца (сохраняя при этом условие, что энергия фотона зондирующего излучения меньше, а энергия фотона инжектирующего излучения больше ширины запрещенной зоны Е исследуемого образца), и, кроме того, зондирующее излучение модулируют, причем с частотой, отличной от частоты модуляции инжектора, и регистрируют параметры зондирующего излучения на частотах, равных разности или сумме частот модуляции зондирующего и инжектирующего излучений.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего предложенный способ, Устройство содержит источник зондирующего излучения 1 с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной эоны полупроводника (оптический зонд), источник инжектирующего излучения 2 с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны измеряемого полупроводника (оптический инжектор), фотоп риемник 3, фильтр-пробку 4 на частоте оптического инжектора, детектор 5, регистрирующий прибор б.

Устройство работает следующим образом. Образец освещается промодулированным по интенсивности с некоторой частотой

f излучением оптического инжектора. При этом в образце генерируются неравновесные носители тока. Одновременно через ис1778821 следуемый образец проходит излучение оптического зонда, промодулированное с некоторой частотой f>, отличной от fz, которое регистрируется фотоприемником 3. Интенсивность прошедшего через образец света оптического зонда зависит от концентрации неравновесных носителей тока, созданных оптическим инжектором, Так как концентрация неравновесных носителей тока зависит от их времени жизни, то можно по изменению параметров прошедшего через образец зондирующего излучения (например, по изменению его интенсивности) определить время жизни неравновесных носителей тока, Для определения величины обьемного времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводнике необходимо создать равномерную объемную генерацию носителей тока на всей глубине измеряемого образца. Поглощение излучения в веществе описывается законом Ламберта-Бугера. и., где 4 — интенсивность падающего излучения;

I — интенсивность прошедшего излучения;

k — коэффициент поглощения излучения веществом; (— толщина образца, Для исключения влияния поверхностной рекомбинации носителей тока при измерении их эффективного объемного времени жизни величина должна быть достаточно большой (=5 мм). Таким образом, величину следует уменьшить до величины

0,5,1 (см ). Это приводит к тому, что длина волны инжектирующего излучения растет и оказывается близка к длине волны зондирующего излучения. Кроме того, излучение оптического инжектора проникает через образец и "засвечивает" фотоприемник.

Генерация неравновесных носителей тока в измеряемом образце приводит к незначительному относительному изменению его прозрачности (примерно 10 — 10 ). Таким образом. оказывается, что параэитный сигнал инжектирующего излучения существенно превышает измеряемый информативный сигнал зондирующего.излучения.

Поскольку полностью избавиться от параэитной "Засветки" фотоприемника инжектирующим излучением при помощи оптических спектральных фильтров не . представляется возможным, в устройство введены фильтр-пробка 4 и детектор 5. При помощи фильтра-пробки 4, установленной на выходе фотоприемника 3, полностью гасят паразитный электрический сигнал на частоге модуляции оптического инжектора (fz). Из оставшейся части спектра сигнала, нап ример, при помощи детектора 5, выделяют информативный сигнал и регистрируют его прибором 6. Определив интенсивности

5 прошедшего через образец зондирующего излучения при включенном оптическом инжекторе и при выключенном оптическом инжекторе рассчитывают коэффициент М и время жизни неравновесных носителей то10 ка по формуле

15 (аналогично прототипу), Пример . Измеряют объемное время жизни т носителей в образце, изготовленном из кремния и-типа с п=4 10 см, диаметром =40 мм и толщиной d=5 мм. Способ

20 реализуют с помощью устройства, показанного на фиг. 2.

Зондирующее и инжектирующее излучения необходимо выбрать иэ области максимальной прозрачности исследуемого

25 полупроводника, сохранив, естественно, условие, что энергия фотона зондирующего излучения должна быть меньше Е, а энергия фотона инжектирующего излучения— больше Ед. Действительно, выбор таким об30 разом зонда обеспечит высокую чувствительность способа, а инжектора максимальную равномерную обьемную генерацию носителей тока в исследуемом образце и, соответственно, измерение именно

35 объемного времени носителей тока.

Оптимальным выбором для данного образца является зондирующее излучение на длине волны il =1,15 мкм (гелийнеоновый лазер ЛГ-126), инжектирующее излучение

40 на длине волны it=1,06 мкм(лазер ИТ-118).

Коэффициент поглощения k для этих длин волн равен 0,5 см (10).

Естественно, что при выполнении условий выбора зондирующего и инжектирую45 щего излучений их длины волн оказываются достаточно близким (1,15 мкм и 1,06 мкм) и излучение оптического инжектора "засвечивает" фотоприемник 5 (в качестве светочувствительного элемента которого

50 используется германиевый фотодиод ФД5Г, чувствительный к излучению в диапазоне 0,8 — 1,5 м м).

Разделить оптическими фильтрами на входе фотоприемника промодулирован55 ное по амплитуде зондирующее излучение и излучение инжектора с требуемой эффективностью невозможно. В самом деле, отношение переменной составляющей зондирующего излучения, вызванной изме1778821 нением прозрачности исследуемого материала вследствие генерации в нем излучением инжектора неравновесных носителей тока, к величине прошедшего через образец зондирующего излучения составляет примерно 10 -10 . При мощности излучения зонда в 10mB (гелий-неоновый лазер ЛГ126) величина переменной составляющей зондирующего излучения оказывается порядка 10 -10 вВт. Интенсивность инжектирующего излучения (лазер НТ-118), попавшего на фотоприемник, составляет около 50 гпВт. Очевидно, что осуществить разделение двух близлежащих длин волн (1.15 и 1,06 мкм) с требуемой эффективностью при помощи оптических фильтров невозможно, поэтому поступают следующимобразом, Зондирующее и инжектирующее излучения модулируют по интенсивности с частотами 30 кГц и 3 кГц соответственно при помощи приборов МЛ вЂ” 102 3,4. Паразитный электрический сигнал фотоприемника гасят фильтром-пробкой 6, работающей на частоте инжектора (3 кГц), а из оставшегося электрического сигнала при помощи детектора

7 выделяют информативный сигнал (на частое оптического инжектора) и регистрируют его прибором 8.

Выделение информативного (полезного) сигнала можно осуществить и неким другим образом. В самом деле, спектр выходного сигнала фотоприемника содержит составляющие с частотами f1; fz; f1-12;

f1+f2 где f1 — частота модуляции зондирующего излучения; fz — частота модуляции инжектирующего излучения; f1-fz; f1+fz — так называемые "боковые" частоты, которые появляются в спектре зондирующего излучения вследствие изменения прозрачности образца из-за генерации в нем излучением инжектора неравновесных носителей тока.

Именно в этих "боковых" частотах и содержится полезная информация о времени жизни неравновесных носителей тока. Выделить этот полезный (информативный) сигнал можно как описанным выше методом

25

30 ного им сигнала, по параметрам которого

40

15 детектирования, так и, например, путем исследования выходного сигнала фотоприемника на спектроанализаторе, и по параметрам "боковых" частот (амплитуда, фаза) оценить искомую величину (объемное время жизни неравновесных носителей тока).

Можно предложить и другие методы.

Однако любой из методов будет связан с обработкой электрического сигнала фотоприемника на "боковых" частотах, которые появляются в спектре зондирующего излучения после прохождения полупроводникового образца.

Формула изобретения.

Способ бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках, включающий пропускание через полупроводниковый образец зондирующего излучения с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника при его одновременном освещении модулированным светом оптического инжектора с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника, и регистрацию прошедшего через полупроводниковый образец или отраженопределяют искомую величину, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения области применения эа счет получения возможности измерения объемного времени жизни неравновесных носителей тока в легированных полупроводниках и повышения чувствительности, длину волны зондирующего и инжектирующего излучения выбирают из области максимальной прозрачности исследуемого образца, зондирующее излучение модулируют, причем с частотой, отличной от частоты модуляции инжектора, а интенсивность прошедшего через полупроводниковый образец или отраженного им сигнала регистрируют на частотах, равных разности или сумме частот модуляции зондирующего и инжектирующего излучений.

1778821 образец

4чг. I образец

Составитель А.Иванов

Техред М.Моргентал Корректор О.Густи

Редактор И.Коляда

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4197 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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