Фотоэлектрический способ определения коэффициента оптического поглощения полупроводниковых образцов
Использование: полупроводниковая техника, в частности способы измерения параметров полупроводниковых материалов Сущность изобретения: способ заключается в освещени.1 монохроматическим светом с интенсивностью Ц Л ) плоскопараллепьного образца со сплошными электродами, выполненными на его боковых гранях, при дополнительной подсветке образца в спектральной области Xz с интенсивностью L L(A), измерении в рео- .п жиме поперечной фотопроводимости спектральной зависимости относительной чувствительности образца S (А)ДУ (А)/ЦА), где ДУ (А) - измеряемый фотоответ образца на длине волны излучения А. пропорциональный его фотопроводимости, и определении коэффициента поглощения а из нормированной на единицу в максимуме спектральной зависимости относительной фоточувствительности SJA) по формуле S (AHl-e VO-Re 1), где I - Ф, Ф поглощение образца по направлению падения монохроматического излучения, R - коэффициент отражения образца 2 ил
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
ЬЭ
СР
4М О
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5008830/25 (22) 11.11.91 (46) 15.10.93 Бюл Na 37-38 (75) Карпович ИА; Планкина С.М. (73) Нижегородский государственный университет им.Н.ИЛобачевского (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОПТИЧЕСКОГО
ПОГЛОЩЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОБРАЗЦОВ (57) Использование: полупроводниковая техника, в частности способы измерения параметров полупроводниковых материалов. Сущность изобретения: способ заключается в освещении монохроматическим светом с интенсивностью L(Л ) плосколараплельного образца со сплошными электродами, вы(19) RÖ (11) (51) 5 G01N21 84 H01L21 бб полненными на его боковых гранях при дополнительной подсветке образца в спектральной области
Л Л с интенсивностью L»L(A), измерении в рео и жиме поперечной фотопроводимости спектральной зависимости опюсительной чувствительности образца S (Л)=ЬЧ (Л)/1.(Л), где hV (Л) — иэмеряеФ Ф Ф мый фотоответ образца на длине волны излучения
Л, пропорциональный его фотопроводимости, и on— ределении коэффициента поглощения а из нормированной на единицу в максимуме спектральной зависимости относительной фоточувствительности
S (Л) по формуле S (Л)=(1-е )/(1-Re ), где !в
Ф Ф поглощение образца по направлению падения монохроматического излучения, R — коэффициент отражения образца. 2 ил.
2001390
Изобретени» относится к полупроводниковой технике, в частности к способам измерения параметров полупроводниковых материалов, и может быть использовано для контроля чистоты полупроводниковых материалов и получения данных о коэффициенте примесного поглощения, необходимых при протекании ряда фотоэлектронных приборов.
Обычно коэффициент поглощения излучения в среде а определяют из измерений
10 оптического пропускания среды, Недостатком оптического способа является »to невысокая чувствительность, то есть минимальное определяемое значение а, обусловленная тем, что в этом способе сравн1 ваютсл интенсивности вступившего в образец (за вычетом отраженного) и выходящего из образца световых потоков, которые мало различаюгся при малых коэффициентах поглощения. Для повышения чувствительности .увеличивают толщину образца I в направлении падения излучения. что для полупроводниковых материалов возможно лишь в ограниченных и редела х.
Можно ожидать получения более высокой чувствительности от способов, использующих явления. возникающие в поглощающей среде под действием поглощенного излучения. К таким явлениям в полупроводниковых ма гериалах относятся фотоэлектрические явления,в частности фотопроводимость.
Изв»стен фотоэлектрический способ определения оптического поглощения. Способ иллюстрируется фиг. 1а, на которой показан плоскопараллельный образец 1 из исследуемого полупроводникового материала. на боковых гранях которого нанесены две пары электродов 2, расположенных со- 4С ответственно у верхней и нижней граней образца, С помощью этих электродов в режиме поперечной фотопроводимости (электрическое поле в образце перпендикулярно к направлению падения монохроматическо- 45 го светового потока с длиной волны Л и интенсивностью L (Л )) локально (oT заштрихованных на фиг. la областей) измеряются фотоответы (фототоки, фотонапрэвления), пропорциональные соответственно интенсивностям вступившего в образец и прошедшего через образец световых по1оков.
Коэффициент поглощения рассчитывается иэ выражения
In(AV „ ЛЧ ф1„
I где Л V y i и Л V ф — фотоответы от верхней и нижней пары измерительных электродов соответственно,! — расстояние между парами электродов, с — контакта, определяемая иэ эксперимента, Этот способ близок по идее к оптическому способу и отличается от последнего по существу лишь тем, что для регистрации интенсивностей потоков используется не внешний фотодетектор, а сам образец, В связи с этим в этом способе сохраняется и основной недостаток оптического способа— невысокая чувствительность, что вытекает иэ структуры выражения (1), в котором а определяется отношением двух величин
Л V ф 1/Л Ч ф, мало различающихся при малых а, Невысокая чувствительность способа не позволяет определять малые значения а на тонких образцах. Кроме того в способе не учитывается многократное отражение слабо поглощаемого излучения в образце, а также существующая у некоторых материалов (полуизоляторы) зависимость эл» ктрофизических параметров (подвижности, времени жизни неравновесных носителей заряда) от интенсивности освещения, что снижает его точность.
Известен фотоэлектрический способ определения коэффициента оптического поглощения, реализуемый (как показано на фиг. 1б) на плоскопараллельном образце 1 из полупроводникового материала, на одну иэ боковых граней которого нанесена парэ электродов 2. удаленных соответственно от верхней освещаемой грани образца на расстояния I1 и lz. В этом способе также локально (от заштрихованной на фиг. 16 области кристалла), но в режиме продольной фотопроводимости (электрическое поле в образце направлено вдоль направления распространения излучения) измеряется спектральная зависимость относительной фоточувствительности
Бф(Л) =, (2) где Л Чф(Л ) — фотоответ образца на длине волны излучения А, пропорциональный величине фотопроводимости и выраженный в произвольных единицах, L (Х) — интенсивность падающего на поверхность образца излучения, пропорциональная числу фотонов излучения и также выраженная в произвольных единицах. Согласно. Яф (А) имеет максимум Sy< (Ао ) на некоторой длине волны Ло, причем значение коэффициента поглощения на этой длинв волны
2001390
< 11 Q IZ
CIo I 1 СХo I z
1-е
5Ф(л) =, (5)
1 — Re поглощающего покрытия, когорое, чтобы выполнять свою роль, должно иметь такой где R — коэффициент отражения, гс „= а(). o ) Однозначно определяется тОлькО расстояниями I l и 12
Гхо =-In (I2/I I ) (l2 I I ). (3) Значение а о используется в качестве опорного значения при определении а на других длинах волн из нормализованной спектральной зависимости относительной фоточувствительности 10
Этот способ является значительно бо- 20 лее чувствительныл1 по сравнению с оптическим способом и известным способом. Для определения а в HPм не требуется знания абсолютных значений интенсивности света, величины фотоответа и знач ний злектрофизических параметров материала, опреде- .25 ляющих его фоточувствительность (подвижности и времени жизни неравновесных носителей заряда, квадратного выхода
И ДР.), ЕСЛИ ПОСЛЕДНИЕ, I.BK ПРЕДЛЭГЭЕ1СЯ В этом способе, не зависят от длины волны и 30 интенсивности Освещения.
Данный способ принят за прототип предлагаемого решения, Однако этот спосоо ил1еет недостатки, ограничивэкнцие Область с го при 1енения. 35
Во-первых, котя níñ" ьэч «увс1вительность способа теоретически поз элле. определять а на тонких Обрлзцак, однако практически эту возмож1 Ость резлизовать при lg 0.5 см (например, дл" l.:атериалов, 40 которые не удается получить в виде крупных кристаллов) невозможно из-за необходимости обеспечения разл1ерн 1х coo iloøåíëlé с учетом конечной ширины электрс,„oB (ly» II, l1»Ь, где Ь вЂ” толщина Образц,.- в поперечном 45 направлении)..
Во-вторых, поскольку < :Отоответ измеряется от части обьемэ образца. лежащей ниже верхнего измерительного электрода, 50 причем расстояние11 принципиально не Может быть сделано нулевь1 и (это видно из формулы (3)). в этом способе кэк и в известном способе. трудно у1есть л1ногокрэтное отражение слабо поглощенного излучения в 5 образце. Этэ трудность преодолевалась тем, что многократное отрэ:кение исключалось нанесением на ни кню1о грань образца же показатель преломления, как и у исследуемого материала. Это сильно усложняет приготовление образцов для измерений.
Кроме того не для всех материалов можно подобрать такое покрытие.
В-третьих, данный способ, как и известный, не применим к полупроводниковым материалам, у которых параметры — подвижность и время жизни носителей зависят от интенсивности освещения или от длины волны, что особенно характерно для полуизоляторов в связи с реализацией в них в обычных условиях режима сильного фотовозбуждения.
Целью изобретения является обеспечение универсальности и упрощение способа беэ потери в чувствительности и точности, то есть ослабление ограничений на толщину образца, обеспечение возможности учета переотражения слабо поглощающего излучения в образце, расширение применимости способа на материалы (в частности полуизоляторы), в которых подвижность и время жизни неравновесных носителей заряда зависят от длины волны и интенсивноСТИ ОСВЕЩЕНИЯ.
Эта цель достигается в известном фотоэлектрическом способе определения коэффициента оптического поглощения полупроводниковых материалов, заключающемся в асвесцении г1лоскопараллельного
Образца монокроматическим светол1. Измерении спектральной зависимости относитель.;Ой фоточуаствительности образца и
Опред внии коэффициента по1лощения а и:, нс,;1ировэнно41 на единицу в максимуме спек1ральной зависил1с -.ти относи*
1ельной фоточувствительности S y (). ). в которол1, согласно иэобретени1о. — во-первых, производят изменение фотоответэ B режиме поперечной фотопроводимог,1и (электроды нанесены на обе боковые грани образца), — во-ьторых, фотоответ л1еряю1ог всего обьема образца (эле гjoäû Hdl1осят нэ всю площадь боковых < а1 ей образца), — в-третьих, обра ц дополнь1т< льно освещают излучени ."..;.линой вocl, ы 4 «1. о, где f. — дл "а волны, соо1ве1ствующая максимал . л 1у значению фоточувствительности, . Ин1енсивностью Ь » Ц 1.), ; четвертых, коэффициент поглощения <- l >еделяют из HopMèðoîàí 1ОЙ зэвиси мсс,.1 по формуле
2001390
S ф (Л) = Вртj3 (— R}(1 (9) 1 — Re — ai
I, l a»L n, (6) На фиг. 1в, поясняющей предлагаемый способ, показан плоскопараллельный образец 1 с нанесенными на его боковые грани сплошными полупрозрачными электродами
2, через которые производится подстветка образца с интенсивностью Ln, На фиг, 2 приведена полученная по предлагаемому способу зависимость коэффициента поглощения а от длины волны для двух образцов полуизолирующего GaAs марки АГЧП-6 с толщиной 1=3 и 0,3 мм.
Приведем обоснование способа и докажем связь отличительных признаков с достигаемой цел ью.
Предполагается, что фотопроводимость монополярна (определяется одним сортом фотоносителя), имеет объемный характер и выполняются условия где Ii (i = 1, 2, 3) — линейные размеры образца, I а =a — эффективная глубина проникновения излучения, LD — длина амбиполярной диффузии. Выполнение условий (6) позволяет пренебречь влияниям поверхностной рекомбинации на фотопроводимость. Эти допущения фактически принимались и в известных способах, хотя специально не оговаривались.
При указанных допущениях поперечная фотопроводимость может быть записана в виде
Лдф =АЧитф к, (7) где А — константа. зависящая от геометрических параметров образца (расположения и площади измерительных электродов, расстояния между ними), g — заряд электрона, и иг- подвижность и время жизни основных фотоносителей заряда, /) — квантовый выход, L» — число квантов излучения, поглощаемых в единицу времени в той части образца, от которой получают фотоответ
ЛЧф. пропорциональный Лдф, При получении фотоответа от всего объема плоскопараллельного образца, как показано на фиг. 1в, Ь пропорционально КЦ Л), где
К вЂ” оптический коэффициент поглощения пластин толщиной I. для которого известно выражение, полученное с учетом многократного отражения излучения
В результате в нашем случае мы получаем формулу для фоточувствительности (2) в виде где В -- константа, не содержащая электрофизических параметров образца, В области собственного поглощения, когда а !» 1, К = (1-R) и зф (Л ) достигает максимального значения
S y,(Л) = Вртj3(1 — R), (10) Обычно при достаточно большой скорости поверхностной рекомбинации в области собственного поглощения вместо широкого плато на зависимости $фо (Л) наблюдается максимум фоточувствительности на некоторой длине волны il О на краю собственного поглощения, Важно однако, что при выполнении на длине волны Ло условий (6), то есть в достаточно толстом образце, максимум Sy< (Л о ) определяется выражением (10) и не зависит от скорости поверхностной рекомбинации.
Если в области определения аЛ >Ло величины р, г,/3 и R не зависят от Л и интенсивности освещения L (Л ), из (9, 10) получаем для нормированной спектральной зависимости относительной фоточувствительности формулы (5), из которой при известных!и R можно определить коэффициент поглощения а, В области слабого поглощения, то есть при Л >Л,, коэффициент R можно считать не зависящим от Л, и для хорошо изученных материалов он известен. При необходимости он может быть определен экспериментально по пропусканию пластин с al «1.
В некоторых полупроводниковых материалах, в частности в полуизоляторах, время жизни т может зависеть от длины волны вследствие измеНения механизмов генерации-рекомбинации при переходе от собственного примесному поглощению, и от интенсивности освещения при нелинейной рекомбинации. Подвижность р также может изменяться при освещении вследствие перезарязки примесных центров рассеяния. Модно однако обеспечить постоянство т йр при изменении L(Л), если применить подвеску, то есть дополнительно осветить полупроводник достаточно интенсивным (с
2О013иО
10 интенсивностью Lp» (Я )) проникающим (с Я k p ) излучением. которое обеспечит во всем обьеме образца единый при разных (il.) доминирующий механизм рекомбинации и кваэистационарное заполне- 5 ние центров захвата и рассеяния фотоносителей. Известно применение подвески для линеариэации нелинейной фотопроводимости, однако в предлагаемом способе она проявляет новое свойство — 10 обеспечивает независимость параметров материалов (р И т ) не только от интенсивности освещения, но и от дины волн, то есть расширяет область применения способа на материалы, в которых проявляется эта зави- 15 симость. Возможен такой случай, когда рекомбинация при каждой длине волны остается линейной, то есть г не зависит от интенсивности освещения, но при разных длинах волн т разное. 20
В связи с тем, что предлагаемый способ реализует при нанесении электродов на всю площадь боковых гра«ей, в следствие чего на отношение Ь/1(фиг, 1в) не накладывается никаких ограничений (в известном способе 25 должно быть b/I «1), определение а на тонких образцах не создает каких-либо дополнительных трудностей и лимитируется по толщине только условиями и чувствительностью способа. 30
Таким образом. совокупное использование измерений фотоотвега от всего обьема образца в режиме поперечной фотопроводимости при дополнительной подсветке и выведенной специально для данного способа форл<уль< дл:: рас е<а коэффициента поперечного г<оглощен <я позволяет (а) проводить определе«ие а тонких образцов с любым от«ошени 14 Ь/I. толщина которых I лимитируется только физическими ограничителял<и, а не техническими или технологическими возможностями; (б) не прибегать к npIII4el Реализация способа Tåxl<èчеcки и теxíîëогически более проста и обеспечивает его универсальность, в частности его прил<енимость к материалам, I.pvlcTa!Iël.l которых не удается получать больших л<1«г й><ь<х размеров, у которых подвижность и врел<я жизни зависят от длины волны и интенсивности освещения, к которым нельзя подобрать согласованное по показателю преломления поглощающее покрытие. По нашим сведениям, указанная совокупность отличительньй признаков в литературе неизвестна и обеспечивает предлагаемому решению изобретательский уровень. Способ апробирован на полуизолирующем арсениде галлия (I GaAs). Стандартная пластина промышленного GaAs марки АГЧП-6 толщиной Ь= 0,3 мм, вырезанная по плоскости (100), покрывалась с двух сторон полупрозрачным проводящим слоем GdO, и из нее выкалывался по плоскостям спайности (111) образец в виде прямоугольного параллелепипеда размером = 0,3 х 5 х 3 мм . Через полупрозрач3 ные электроды, служившие для измерения поперечной фотоп роводимости, п роизводилась подсветка образца постоянным неразложенным светом от двух лал1п накаливания мощ«ости 2 Вт, расположенных по обе стороны от образца, Монохроматическое излучение от монохроматора с калиброванной в относительных единицах интенсивностью I (1 ), модулированное с частотой 200 Гц, вводилось в образец через плоскость скока 0,3 х 5 мм . то есть толщина образца по ходу 2 луча 1 = 3 л1м. Фотоответ образца, пропорциональный его поперечной переменной фотопроводимости, измерялся с помощью селективного усилителя на нагрузочном сопротивлении R, «Rpop, где Rprp — сопротивление образца при подсветке. Интенсивность подсветки выбиралась такой, чтобы стационарная фотопроводимос<ь при подсветке не менее чем на 2 ПОРчДКа ПРЕВЫШаЛа фстОПРОВОДИМОСтЬ ПРИ модул;<рованном освещении, что равносилы<о условию LI<» L(). Tal. как длина LD в GaAs -10 см, обес-4 псче«ие условиям в этом материале не предоставляет затруднений. Рассчитанный по формуле (5) и приведенный на фиг. 2 (кривая 3) спектр поглощения IGaAI в коротковолновой части частично заходит на край области собственного поглощения GaA, где он удовлетворительно согласуется с известным способом, по которому построена кривая 1. Полоса поглощения в области = 1-1,7 мкм хорошо известна для IGaA9 иэ оптических измерений и связана с поглощением излучения центрами 5L2 — основного глубоко о донора в GaAs сстественного происхожд н<ия, Приводимые D литературе данные о значениях а в этой области естественно имеют некоторый разброс, так как Q зависит от технологических факторов, но в большинстве работ указывают значения а1 см на длине -1 волны 1,1 мкм, с которым наши результаты хорошо согласуются. 2001390 Чувствительность способа фактически определяется обнаружительной способностью образца как фотодетектора излучения в условиях подсветки. В iGaAs по отношению к центрам. с которыми связано поглощение в области 1,0-1.7 мкм, она дэже без применения специальных примеров ее повышения (например, синхронного детекти-з рования) составляет =10 e . Этой чувствительности вполне достаточно, например, для контроля примесного поглощения в полуизолирующем GaAS путем измерения обычной планарной фотопроводимости стандартных пластин, то есть при 1 0.3 мм (кривая 2 на фиг. 2), что технически не осуществимо по известному r„.ãtoooáó. ЗаФормула изобретения ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПГ(ДГ flF НИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОПТИЧЕСКОГО Г1ОСГ1СЩЕ НИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОБРАЗЦОВ, ОСНОванный на освещении плоскопараллельного образца монохроматическим излучением, измерении спектральной зависимости относительной фоточувствительностн образца Sy(Л)-лтф(l pL(l), где ЬЧф(Л ) - фотоответ образца на длине волны излучения Л, пропорциональный его фотопроводимости; L(Л ) - интенсивность падающеГо на поверхность образца монохроматического излучения, и определении коэффициента поглощения из нормированной спектральной зэвисимости фоточувствитель ности t åòèì, что при использовании таких тонких образцов подсветку. удобнее производить не через электроды, а через ту же поверхность, через которую вводится монохрома5 тическое излучение. (56) Под ред. Р.Уиллардсона и А.Бира, Оптические свойства полупроводников (Полупроводниковые соединения типа А В ). lll Ч 10 M., Мир. 1970. с. 488. Pastrnak J„Karel F., Ретг(сеМ О. // Semicond, Sel and Technol. 1990. ч, 5, N 8. P 867-872. Moss Т.S., lowkins T.D. // Phys, Rev. 15 Lett. 1958, ч. 1,N. 4, р, 129-131. Я,(Л) —.Spy(Л)/5 ф(Лр) 20 где 8ф„(Л, ) - максимальное значение относительной фоточувствительности на длине волны,1,, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и расширения класса исследуемых образцов, фотоответ Чф(Л ) измеряют в режиме поперечной фотопроводимости от всего обьема образца при дополнительной подсветке образца в спек30 тральной области Л > Лр с интенсивностью Ln» l (Л ), причем коэффициент поглощения и определяют из нормированной зависимости по формуле 3 где I - то" ùèíà образца по направлению падения монохроматического излучения, R - коэффициент отражения образца. Е(4 Ю) 2001390 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035. Москва. Ж-35, Раушская наб.. 4/5 Заказ 3126 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. У:огород, ул.Гагарина, 101 Составитель Й.Карпович Редактор Н,Семенова Техред М.Моргентал Корректор С.Патрушева
