Способ определения характеристик полупроводника

 

Способ определения характеристик полупроводника . Сущность изобретения: обрабатывают поверхность полупроводника для достижения отрицательной величины электронною сродстоа электрона. Возбуждают внешний рентгеновский фотоэффект при фиксированном угле падения рентгеновского пучка. Измеряют величину скачков рентгеновского фотоэффекта на краях рентгеновского поглощения элементов, входящих в состав полупроводника, причем число анализируемых скачкоо на единицу превы-- шает число независимых компонент в составе образца. Аналитически определяют длину диффузии электронов и количественный состав полупроводника. in

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУГ>ЛИК (я)5 Н Ol 1 21/66

ГОСУДАРСТВЕН-ОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ic""йЮМ ь - rk. ;НлЧЕСКИ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ный состав полупроводника. (21) 4787781/25 (22) 02.02.90 (46) 23.06.93. Бюл. N. 23 (71) Ленинградский государственный университет и Научно-производственное объединение "Электрон" (72) А.Л.Андрущенко, В.Н.Щемелев, Г.Б,Стучинский и А.И.Климин (56) J.S.Esher, J.Appl.Phys, 1973, ч. 44, N. 1, р. 525, L.W.Jàmås. Phys.Rev. 1969, ч. 183, р.

Щемелев В.Н. и др. Поверхность, 1983, l4 11, с. 56-61.

Авторское свидетельство СССР

N. 1485327, кл. Н 01 1 21/66, 1987.

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к изготовлению полупроводниковых структур с заданными физико-химическими характеристиками(атом числе количественным элементным составом и длиной диффузии электронов), используемых в электронных приборах.

Целью предлагаемого способа является расширение класса испытуемых обьектов на полупроводники, не поддающиеся повороту при облучении, на многокомпонентные полупроводники с неизвестным количественным элементным составом и расширение числа on ределяемых физико-химических характеристик полупро. А2„„1823034 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ XAPAKTEРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВ (57) Способ определения характеристик полупроводника. Сущность изобретения: обрабатывают поверхность полупроводника для достижения отрицательной величины электронного сродства электрона. Возбуж- дают внешний рентгеновский фотоэффект при фиксированном угле падения рентгеновского пучка. Измеряют величину скачков рентгеновского фотоэффекта на краях рентгеновского поглощения элементов, входящих в состав полупроводника, причем число анализируемых скачков на единицу превышает число независимых компонент в составе образца. Аналитически определяют длину диффузии электронов и количественводника на количественный элементный состав.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения, в качестве физической характеристики, длины диффузии электронов в полупроводнике, включающем предварительную обработку поверхности исследуемого полупроводника, обеспечивающую снижение работы выхода электрона на поверхности полупроводника до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, возбуждение внешнего рентгеновского фотоэффвкта, измерени0 харàKòеристики рентгеновского флоэффекта и определение длины диффузии электронов по форму1823034

Я((,+1 - А(Еи,+1+ К)/A(Ekk+1- К), где Sf1. Se...., Sfk+1 — величины скачков рентгеновского фотоэффекта, измеренные. на краях рентгеновского поглощения 1-ro„

2-го..., k+1-го элементов, входящих в состав полупроводника, k — число независимых неизвестных количественных компонент полупроводника, Ek1, Ek2, ..., Ekk+1 — энергия краев поглощения 1-го, 2-ro, „., k+ 1-ro элемента, нв которых измеряются скачки рентгеновского фотоэффекта, г — малая величина энергии, равная ширине внутреннего энергетического уровня (К-, 1-, M-, „.), соответствующего данному краю поглощения, (pifI ((" р, (6 (м II I

rt,(h3,„ ((, - ., f;) (h> лi,g l, 1= 1 -1 рЯ

О (Ь р(I (h4;y( (Р (11 ;(() - -, р (»ф

O (1 11 р If:I р(»(,1 ле, возбуждают рентгеновский фотоэффект в области краев поглощения элементов, входящих в состав полупроводника, регистрируют полный ток рентгеновского фотоэффекта при одном фиксированном значении угла падения рентгеновского пучка на поверхность полупроводника, измеряют величины скачков рентгеновского фотоэффекта на краях рентгеновского поглощения элементов, входящих в состав полупроводника, причем число анализируемых скачков превышает на единицу число независимых неизвестных количественных компонент в полупроводнике, определяют одновременно длину диффузии электронов L и количественный элементный состав Х(из решения системы уравнений:

Sf1 А(Е(,1+ Г)/A(Ek1-Е)

Sf2 = А(Е(2 - Г)/А(Е(2 -К) р (Е1 р(»;)в

1Ю с пч е. 2 — — — — л р(ЬЭ;„> — - р (ь 1,1 где:

p((E) = А Г((Е) Х р/Mo — частичный коэф10 фициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами 1-того элемента, входящего в состав полупроводника, А(— атомный вес 1-того элемента, Х(— доля I-того элемента в полупроводнике (ко15 личественный элементный состав), ti(E)— массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения с энергией кванта Е в

I-том элементе полупроводника, p — плотность полупроводника, Мо — молекулярный вес полупроводника.,ц (Е) — линейный коэффициент поглощения рентгенОвского излучения с энергией кванта Е полупроводником: м

25 р (Е) = > p((Е)М вЂ” число элементов, 1=1 входящих в состав полупроводника, P(m(E)— вероятность m-того радиационного перехода в атоме I-того элемента с испусканием

30 флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией h Mm при снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, h l>m — энергия флуоресцентного рентгеновского кванта, 35 возникающего при m-том радиационном переходе в атоме I-того элемента, (ч(— число возможных рентгеновских радиационных. переходов в атоме 1-того элемента, /с<я (h vjk) — УсРеДненный по Углам выхоДа

40 флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h qk по нормали к поверхности, L— длина диффузии электронов, (р — угол паде45 ния рентгеновского пучка на полупроводник, отсчитываемый от поверхности.

Существенность отличи(л заявляемого способа обусловлена характером физических процессов, протекающих в полупро50 воднике со сниженной работой выхода при облучении потоком рентгеновских квантов и эмиссии возбужденных электронов в вакуум.

Если монохроматический пучок рентге55 новского излучения с интенсивностью Зо

=NoÞ, где N<> — число ежесекундно падающих квантов, а h v — энергия кванта, падает под углом у к поверхности полупроводника, то на глубине Z от поверхности в слое dZ возникнет H(Z) собственно рентгеновских

1823034 первичных электронов. Величина H(Z) будет складываться . во-первых иэ рентгеновских фото- и

Оже-электронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем падающего рентгеновского излучения. Полная энергия этой группы электронов W(Z):

М Н;

)!)l,(2) н e»p(-z()l(si»ly)p ()!)- : Р (Inl) h) ) Рг /sony)z ! I»I» где р — линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией квантов h v полупроводником. р(— частичный линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией квантов

h v атомами I-того элемента, входящего в м состав полупроводника р = g ö, M — число

l =1 элементов, входящих в состав полупроводника, P)m(h v) — вероятность m-того радиационного перехода в атоме 1-того элемента при возбуждении его рентгеновским излучением с энергией кванта h v, h v)m — энергия флуоресцентного рентгеновского кванта, возникающего при m-том радиационном переходе в атоме i-того элемента. N) — число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме 1-того элемента, во-вторых из рентгеновских фото- и

Оже-электронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемого по всему объему полупроводника падающим рентгеновским пучком. Полная энергия этой группы электронов Wz(Z):

- .„1 ° „„(„)! «, »Я (h!)

,()--, ) »> l f!!.Å " T. - -7 (h)) .

S(h>;„)(Z

»„-Р-(.-Р ", (),.)М;++

° о ъ!г (»» (»л! ч»»

f 1 J 30 И,е Z. Р ())) (»(М;„Ц .Я

° е,;„9Е - () ) !„-, Е Р„(ЛЭ;) );)!) а;

»оЧ6

» ° в-третьих иэ рентгеновских фото- и

Оже-электронов, возникающих в слое 42 при поглощении в нем флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемого . no всему объему флуоресцентным рентгеновским излучением, возникшим во всем объеме полупроводника в результате поглощения падающего рентгеновского пучка. Полная энергия электронов этой группы WQZ):

z иг ч ч)г Р»! )!»»» «

5 ® (г); J d4f {(-/ " f a(), """ Я, .,„ ; Р Я

i) .В = !. » lu,(h),») (Ьг; Ц»!

»

e " Ч!.() g —, „ -"-> );„(h);.(.

"!г h))» „ !

+ f »)» »f J))f)l 1»» » г»!(Вд) «g (h»!»)(»-Ч) ,!

15 . и

»»»Ч т ° ! l г)г р()) ° „

20 Р f ) C f{f J»)» j»(9()l »!=!» . Р».М

ZР;()

»» I г»(»):-l(» » )

° се 6 -- " КМ! ) "! ч!»0 ; — - — Р „(hq,. )»

"»)г р(»))»

° -j J» (g()l »»д, (!»;!»») h»))(».

)» е Ч n () °

", Н,(«),.) " 1 - (! - г - 4- — ) (а,) . — „,„- — - . Р;»(!);„11е " ч, »y — Д д

»os f

Таким образом, полная энергия собственно рентгеновских электронов, ежесекундно возникающих в слое dZ на глубине Z от

40 поверхности полупроводника, на который под углом р падает рентгеновский пучок с интенсивностью А, равна:

W(Z) - а)(2) + И/г(Е) + М/з(2)

45 Возникающие первичные рентгеновские электроны растрачивают свою энергию на возбуждение электрон-дырочных пар, в результате чего возникает каскад медленных вторичных электронов, практи50 чески в месте образования первичных быстрых собственно рентгеновских электронов. Как известно, средняя энергия е . затрачиваемая на возбуждение одного такого электрона, примерно в 3 раза превы55 шает ширину запрещенной эоны полупроводника. Тогда число вторичных медленных электронов, ежесекундно возникающих в слое dZ на глубине 2, равно:

1823034

6д = w(z)/ ;,.

И>оричные элекгроны, термализуясь и диф>)>у»дируя в твердом теле, имек>т вероятность»одойти к поверхности. В соответстг>ии с теорией диффузии электронов в

»г>лубескг>нечном твердом теле, электроны, »озникв>ие на глубине Z в слое 0Z, дойдут до поверхности с вероятностью ехр>-Е/1 ), где ( длина диффузии термализованных электронов, Электронь>, подошедшие к поверхности полупроводника, работа выхода которой снижена до состояния отрицательного электронного сродства, имеют определенную вероятность В выхода в вакуум. При этом число электронов, возникших в слое dZ на глубине 2 и вышедших в вакуум, будет рав>со:

dn = Вб(Дехр(-Z/I ).

Полное число электронов, ежесекундно выходящих в вакуум при облучении полупроводника монохромЛтическим рентгеновским пучком с энергией кванта h V, падающим под углом (p к поверхности (полный ток рентгеновского фотоэффекта):

l =- е J dn = ецио ВА (И т )/%, где ((>)) >)- ", ru;(>14) f

>> (п>Р (>> (» м ) 40

5

35 гДе:,и>-я (h 41k) — УсРеДненный по Углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h 1>)k по нормали к поверхности.

Анализ приведенного выражения для полного тока рентгеновского фотоэффекта показывает, что при изменении энергии падающего рентгеновского пучка вблизи энергии какого-либо края рентгеновского поглощения какого- либо из элементов, входящих в состав полупроводника, рентгеновский фотоэффект претерпевает скачкообразное изменение. Величина скачка рентгеновского фотоэффекта определяется как отношение полных токов рентгеновского фотоэффекта до и после края поглощения соответственно:

Sf - l(Ek + f)/l(Ek - F ) = A(Ek + F)/A(Ek-E ), где Е -энергия края рентгеновского поглощения, к — малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего данному краю поглощения.

Если экспериментально измерить скачок рентгеновского фотоэффекта S на одном из краев рентгеновского поглощения одного из, элементов, входящих в состав полупроводника, и подставить его значение в полученное теоретическое выражение, то получим уравнение с k + 1 неизвестными, а именно Х) (I = 1, ..., k) и L, Если произвести измерения величин скачков рентгеновского фотоэффекта на краях поглощения k + 1 элементов, то в результате получим систему из

k + 1 уравнений относительно k + 1 неизвестных:

$ц = l(Ek1 + E)/1(Ek1 - Е) = A(Eki + F)l A(Ek i - F)

$и = l(Ekg + к)/i(Ee - r) =- А(Екг +г )/А(Еа - c) S:) . где $г1, $ц, „., $в,+ — величины скачков рентгеновского фотоэффекта, измеренные на краях рентгеновского поглощения 1-ro, 2-го...„k + 1-го элементов, входящих в состав полупроводника, k — число независимых неизвестных количественных компонент полупроводника, Ekl, Ek2, ..., Ekk+1 — энергии краев поглощения 1-го, 2-го, ..., k+ 1-ro элемента, на которых измеряются скачки рентгеновского фотоэффекта. — малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего данному краю поглощения, 1823034 о тв вт н

L (h (г1

7 т("нтт е

1 (е (т (в1

М 1 т, еэ;((т1;,Ä ((hI; -,; Г; (hi,„k,h I.

«(11 I ! (т 1

«Ihl т1 тэ(„ия тоrltp (> Ь

1,(Ь1,1 (. (и(11 p(hl;(1

Где: ,и1 (Е) = А tI (Е) Х(p/ M„— частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами I-того . элемента, входящего н состав полупроводника, AI — атомный вес 1-того элемента, XI— доля I-того элемента в полупроводнике (котц(чественный элементный состав), т1 (Е)— массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения с энергией кванта Е в

1-том элементе полупроводника, р — плотность полупроводника, Мтт — молекулярный вес полупроводника,,и (Е) — линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником: тт(E) = g тл (е) M — число элементов.

1=1 входя.цих в состав полупроводника, PIm(E)— вероятность m-того радиационного перехода в атоме I-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с энеРгией h1(лт пРи снЯтии ноэбУжДениЯ, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, h и — энергия флуоресцентного рентгеновского кванта, возникающего при ITI-том радиационном переходе в атоме I-того элемента, NI — число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме 1-того элемента, и р (h vjk) — усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный ко5

50 эффициент потлощения полупроводником флуоресцснтного излучения с энергией кванта h т (к по нормали к поверхности, I длина диффузии электронон. у — у ол паде ния рентгеновского пучка на полупронт(дник, отсчитываемый от поверхности.

Решив ее можно определить длину диффузии электронов 1 и количественный элементный состав XI.

Теоретическое исследование связи скачков рентгеновского фотоэффекта с длиной диффузии н полупроноднике проведено авторами впервые и н литературе не описано.

Способ осу.цестнляют следующим способом. Поверхность исследуемого полупроводника обрабатывают, обеспечивая снижение работы выхода электрона на поверхности т(от(упрттнодникттдо величины, cooTRo Tc1FIóêíöåé состоянию поверхности, характеризуемому отрицательным электронным сродством. Затем на исследуемый полупроводник -воздействуют под определенным углом рентгеновским излучением, нозбу. кдающим в полупроводнике внешний рен тгенонский фотоэффект. Характеристику рентгеновского фотоэффекта получают путем измерения скачков рентгеновского фотоэффекта нн краях рент(енонского поглощении алеман foB, нходящих н состав полупроводника, причем число измеряемых скачков на единицу превышает число независимых неизвестных количественных компонент полупроводника, Длину диффузии электронов в полупроводнике находят из решения системы уравнений.

Пример.

Для определения длины диффузии электронов в эпитаксиальном слое полупроводникового твердого раствора GaAs1-хРх этот слой помещают в вакуумный прибор с окном нз бериллия, прозрачным для рентгеновского излучения. Работу выхода поверхности полупроводника снижают до величины, с6отнетствую;цей состоя нию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, известным методом адсорбции цезия и кислорода. Затем на поверхность слоя направляют пучок ре1(тгеновского излучения 1(од определенным углом

p= 90 к поверхности и с помощью самопишущего пр бора ЛКД вЂ” 4 — 003, подключенного к электрометру 87-30, измеряют скачки сентгенонского фотоэффекта на К-краях поглощения галлия и мышьяка. В данном примере величины скачков рентгеновского фотоэффекта составили Ятт 1,37, Ягг - 2,78 соот етстве1(но на краях рентгеновского поглощения мышьяка и галлия. В качестве воз1823034 л т) ° (—. -„{ : . {(т-Z Р; iilh); я (е!

N; —, ((,). т (1тв

М

Nj - ((»:1(»; -,К I;q((), Ny.(,), (е(h>;{ i —, (o (Ц э ич qàтту Н(Ь) jan)

1 есе

Р(" 1 I P(EI р(Ы;gI

Р(Й тэттт С Р(}М, у (((E1 ((N4jN1

I (N>PI--„ р(ь> ч1

8 (El

1,(N); 1.- — ь ч

tl. не — л

P(N втв1 э

-- p+(Ni) y (буждающего рентгеновский фотоэффект излучения используют тормозное излучение стандартной рентгеновской трубки БСВ-29 с молибденовым анодом. Выделение рентгеновского пучка с энергией, близкой к энергии К-края поглощения галлия и с энергией, близкой к энергии К-края поглощения мышьяка производится рентгеновским спектрометром монохроматором. Число независимых неизвестных количественных компонент — одна (Х) и доля элементов в полупроводнике выражается Х1-(1- Х)/2, Хр = 0,5 и Хз= Х/2 соответственно для мышьяка, галлия и фосфора. Значение длины диффузии электронов в полупроводнике L u неизвестный состав Х получают, решая систему уравнений:

Яц - А(Ец + к)/А(Ек1-E )

$а = А(Е(а + к)/А(Еа - е ), где Яц, Sn — величины скачков рентгеновского фотоэффекта, измеренные на краях рентгеновского поглощения мышьяка и галлия соответственно. EkI - 11867,5 эВ и Е(д-10366,5 э — энергии краев поглощения мышьяка и галлия соответственно, е- малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего данному краю поглощения, в расчете берут 0,5 эВ где:,и((E) = А т1 (Е) Хp/Mp частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами I-того элемента, входящего в со5 став полупроводника, А(— атомный вес 1-того элемента, AI - 74.92 а.е.м., A2 - 69,72 а.е.м. и As - 30,97 а.е.м. соответственно для мышьяка, галлия и фосфора, Х(— доля 1-того элемента в полупроводнике, г1(Е) — массо10 вый коэффициент ослабления рентгеновского излучения с энергией кванта E в I-том элементе полупроводника, определяется из таблицы:

Е г1,см Q,ñì гз, см 1

Ек1+ а 189.9 100.0 26,5

Ek1 - Е 25,61 100,0 26.5

Е 2 + e 37.5 236,3 35,5

Е1а - е 37,5 30,85 35,5

h v

h |2а 40.84 34,03 50,5

h v3m 3366 2795 301,1 р- плотность полупроводника, зависит

20 мере М -3. М(— число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме

1-того элемента, в полупроводнике, исследуемом в примере, существенный вклад в перераспределение энергии падающего излучения по глубине полупроводника дает только К-флуоресценция,поэтомуограничиваются рассмотрением только К-флуоресцентных переходов и Ц - 1 h gm — энергия флуоресцентного рентгеновского кванта, 40

50 возникающего при m-том радиационном переходе в атоме I-того элемента, энергии

К-флуоресцентных квантов As, Ga u P соответственно равны hv> - 10544 эВ, hvz-9252 ЭВ И h V3 - 2014 ЭВ, PIm(E) — ВЕрсят55 ность m-того радиационного перехода в атоме I-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией h Nm при снятии возбуждения, вызваннОго рентгеновским излучением с энерот состава и определяется по формуле р25

-n(A)XI + A2X2 + КЯ(Ч, где и - 8 — число атомов в кристаллической ячейке полупроводника, Ч вЂ” обьем кристаллической ячейки, в исследуемом в примере полупровоунике определяется как V = (а1(1 - Х) + а2Х), a>30

3 =5,65321А и а2 - 5-4495А — постоянные решеток кристаллов GaAs u GaP соответствен- но, Мо -(А1Х1+ А2Х2+ АзХз) — молекулярный вес полупроводника, p (E) — линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником: тт (Е) = pi(E) M — число элементов, 1=1 входящих в состав полупроводника, в при13

1823034

Составитель А.Андрющенко

Техред М.Моргентал Корректор П,Гереши

Редактор А.Бер

Заказ 2181 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 гией кванта Е, значения Pim(E) для К-флуоресцентных переходов исследуемого в примере полупроводника приведены в таблице:

E Р1m(E) P2m(E) P3m(E)

Ек1+ е 0,359 0.413 0,86

Ек1 - е 0 0,413 0,86

Еа+ е 0 0.413 0,86

Ее-е 0 0 086

h vim 0 0,413 0,86

h Wm 0 0 0,86

hem 0 0 0

/4ср (Ь 3 )- усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h qk по нормали к поверхнОсти, полагают асср (h qp)- 0,5,и (Й qa), L — длина диффузии электронов.

Рассчитанные величины L составляют

4,5 мкм с точностью 0,1 мкм и величина Х составила 0,4 с точностью 0,01.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в расширении числа измеряемых физико-химических на количественный элементный состав, В настоящее время нет способов, позволяющих одновременно определять длину диффузии электронов и количественный элементный состав.

Поэтому предложенный способ может быть эффективно применен в электронной технике на всех этапах контроля полупроводниковых приборов.

Формула изобретения

Способ определения характеристик полупроводникака, включающий предварительную обработку поверхности исследуемого

10 полупроводника, обеспечивающую снижение работы выхода электрона с поверхности до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного средства, 15 и возбуждение внешнего рентгеновского фотоэффекта, отличающийся тем,что, с целью определения количественного состава многокомпонентного полупроводника, внешний рентгеновский фотоэффект

20 возбуждают при одном значении угла падения рентгеновского пучка, измеряют величины скачка рентгеновского фотоэффекта на краях рентгеновского поглощения элементов, входящих в состав полупроводника.

25 причем число измеренных величин скачков превышает на единицу число элементов в полупроводнике, и определяют величину длины диффузии и количественный состав расчетным путем.