Способ определения диффузионной длины неравновесных носителей заряда

 

(19) RU (11) (51) 5 Н01 Ь21 бб

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Росеийст<ой Федерации по патентам и топарным знакам (21) 4937243/25 (22) 20.05.91 (46) 15.10.93 Бюп. Na 37 — 38 (71) Ленинградский государственный технический университет (72); Шапыгин ВА. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ ДЛИНЫ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ

ЗАРЯДА (57) Изобретение относится к исследованию материалов с помощью оптических средств и предназначен дпя метрики попупроводников. Сущность изобретения: в образце, освещаемом модупируемым активным излучением, создают постоянное магнитное поле, иерпендикупярное рабочей грани образца На этой грани формируют световое пятно.

Вдоль границы пятна возникает замкнутый фотоэлектромагнитный ток Его считывают с помощью индукционного эпемента связи и по величине ЭДС в индукционном элементе связи судят о диффузионной длине ННЗ. 2 ип.

2001466

Изобретение относится к исследованию материалов с помощью оптических средств, конкретно — к метрике неравновесных носителей заряда в полупроводниках.

Диффузионная длина неравновесных носителей заряда (в дальнейшем просто

"диффузионная длина") является важным параметром материала и определяет работу многих полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы, фотоприемники и др), В общем случае диффузионная длина определяется свойствами как электронов, так и дырок:

On +Ор где 0 — коэффициент амбиполярной диффузии; г — время жизни неравновесных носителей заряда;

Dn u Dp — коэффициенты диффузии электронов и дырок;

on u ор — электронный и дырочный вклады в электропроводность полупроводника.

Известны различные способы определения диффузионной длины, в том числе оптические. Наиболее широкое применение распространения получили зондовые методы, когда в полупроводнике создают стационарное распределение неравновесных носителей заряда (HH3) и исследуют его характер с помощью какого-либо зонда, а по ха ра ктеру распределения судят о диффузионной длине. Такие методы, однако, непригодны при диффузионных длинах менее 0,1 мм, Более широкие пределы применимости имеет метод. основанный на фотоэлектромагнитном (ФЭМ) эффекте, принятые нами эа прототип. Согласно этому методу одну из граней образца освещают модулированным пучком активного (т.е. возбуждающего Н НЗ) излучения. в образце создают постоянное магнитное поле параллельно рабочей (освещаемой) поверхности образца. При этом в направлении, перпендикулярном магнитному полю и световому пучку, в образе возникает переменная ЭДС (с частотой, равной частоте модуляции излучения). Для регистрации этой ЭДС к образцу изготавливают два электрода. По величине регистрируемой ЭДС судят о значении диффузионной длины, Для образцов с хорошей поверхностью (с малой скоростью поверхностной рекомбинации) связь между величиной ЭДС (V) и диффузионной длиной (L) устанавливают следующее соотношение: где P I — скорость поверхностной генерации неравновесных носителей заряда светом интенсивности; рп, рр — подвижности электронов и дырок; е — заряда электрона; р — удельное сопротивление;

 — индукция магнитного поля;

d — толщина образца (в направлении светового пучка). ! — расстояние между контактами;

h — ширина образца; с — скорость света, Этбт способ позволяет уверенно производить измерения диффузионной длины в толстых образцах, для которых d» 2 L, и в соответствии с (2) величина ЭДС прямо пропорциональна L

Ч = е/3! В р —, — (при д»2Ц (3) (n+с L

В тонких же образцах, например, в эпитаксиальных пленках, данный способ не позволяет измерить диффузную длину, поскольку при б «2 L величина ЭДС фотоэлектромагнитного эффекта перестает зависеть от L

Ч = ерl — и — — е- В р — = cocci (L) (приб«2!) (4)

Цель изобретения — обеспечение воэможности контроля тонких пленок.

Эта цель достигается тем, что в известном способе измерения диффузионной длины неравновесных носителей заряда в

45 полупроводниках, включающем освещение одной иэ граней полупроводникового образца модулированным пучком активного излучения и создание в образце постоянного магнитного поля, постоянное магнитное поле ориентируют перпендикулярно рабочей поверхности образца, на этой поверхности формируют световое пятно с замкнутой в ее пределах границей, вблизи рабочей поверхности располагают индукционный элемент связи, регистрируют ЭДС, возникающую в индукционном элементе связи на частоте модуляции излучения, и по величине регистрируемой ЭДС судят о эна2001466

55 чении диффузионной длины неравновесных носителей заряда.

На фиг,1 схематически показана конфигурация опыта по измерению диффузионной длины предложенным способом; на фиг,2 приведен график функции, используемой при определении диффузионной длины по величине регистрируемой ЭДС.

В изобретении впервые предлагается бесконтактный способ измерения диффузионной длины, основанный на ФЭМ-эффекта. В отличие от традиционной конфигурации опыта по исследованию

ФЭМ-эффекта. в которой постоянное магнитное поле ориентируют параллельно освещаемой грани образца, в данной заявке предложено ориентировать магнитное поле перпендикулярно освещаемой грани. Предложенная конфигурация опыта обеспечивает сильную зависимость величины регистрируемой ЭДС (пропорциональной

ФЭМ-току в образце) от величины диффузионной длины, даже если измерения проводятся в очень тонких пленках (d «L). В традиционной конфигурации опыта, при контроле тонких пленок, регистрируемая величина фотомагнитной ЭДС не зависит от диффузионной длины.

Отметим, что в новой конфигурации опыта ФЭМ-ток в образце (и соответственно ЭДС в индукционном элементе связи) не может возникнуть при равномерной засветке рабочей поверхности образца, поэтому к числу отличительных признаков следует отнести также формирование на рабочей поверхности образца светового пятна с замкнутой границей.

Полупроводниковый образец 1 освещается пучком активного излучения 2. образующим на рабочей поверхности образца световое пятно 3. В толще образца непосредственно под световым пятном из-за воздействия излучения генерируются неравновесные носители заряда (электроны и дырки), За счет процессов диффузии возникают потоки неравновесных носителей зарядов, направленные как в глубь образца, так и вдоль освещенной его поверхности.

Наличие процессов рекомбинации обеспечивает установление некоторого станционарного распределения Н Н 3 в образце (при станционарном освещении). При включении постоянного магнитного поля (В), перпендикулярного рабочей поверхности образца, диффузионные потоки неравновесных электронов и дырок, текущие вдоль поверхности, изменяют свою ориентацию.

Для простоты рассмотрим вначале случай, когда световое пятно имеет форму круга. В отсутствие магнитного поля вдоль

45 рабочей поверхности образца текут станционарные потоки. неравновесных электронов и дырок, которые направлены вдоль всех радиусов (от центра круга). Суммарный заряд, переносимый электронами, полностью уравновешивается зарядом, переносимым дырками, и электрический ток в образце при этом отсутствует. При включении постоянного магнитного поля на электроды и дырки начинает действовать сила Лоренца, направленная перпендикулярно радиусу, причем для электронов и дырок направления силы Лоренца взаимно противоположны, В результате наряду с радиальными потоками электронов и дырок (имеющими одинаковое направление — от центра круга) в образце возникают встречные потоки электронов и дырок, направленные по окружностям, Электрические токи, создаваемые этими кольцевыми потоками, складываются.

Таким образом, при наличии магнитного поля в образце течет кольцевой электрический ток (далее будем называть его

"ФЭМ-током"). Расчеты показывают, что плотность этого тока максимальна на границе светового пятна, а ширина токового кольца примерно равна диффузионной длине.

При станционарном освещении ФЭМ-ток стационарен.

Если освещение не стационарно, а модулировано, то ФЭМ-ток будет переменным, и вследствие эффекта электромагнитной индукции в индукционном элементе связи 4, расположенном вблизи рабочей поверхности образца, будет возникать ЭДС. На фиг,1 для наглядности в качестве индукционного элемента связи изображен одиночный кольцевой проводящий виток, опоясывающий световое пятно 3 и расположенный вблизи рабочей поверхности образца, но не имеющий с образцом электрического контакта, Проведенный аналитический расчетдля тонких пленок d «L дает следующую зависимость регистрируемой ЭДС к от величины диффузионной длины L где R — радиус светового пятна на рабочей поверхности образца;

1 — частота модуляции света (f «1/ т, где t — время жизни ННЗ):

М вЂ” коэффициент взаимной индукции элемента связи и замкнутого контура, по которому течет ФЭМ-ток; функция S(R/L) характеризует отклонение от зависимо2001466 сти ; L, график этой функции показан на

2 фиг.2.

Измерения по описанному способу особенно удобно проводить с большим световым пятном (R» L) — в этом случае зависимость ЭДС от диффузионной длины становится чисто квадратичной

e = 2zgl (,и, +,ир ) ВМН (6) Итак, в случае круглого светового пятна формулы (5) и (6) дают возможность однозначно определить диффузионную длину L по величине регистрируемой ЭДС E .

Очевидно, что переменная ЭДС (с частотой, равной частоте модуляции пучка излучения) будет возникать не только при круглой форме пятна засветки, но и при произвольной его форме — требуется лишь, чтобы граница светового пятна была замкнута и целиком находилась в пределах рабочей поверхности образца. (При этом

ФЭМ-ток будет протекать по-прежнему вдоль границы свет-тень).

Для любой избранной форму светового пятна будет существовать однозначная связь между регистрируемой ЭДС и диффузионной длиной — она будет описываться зависимостью типа (5), где вместо функции

S(R/L) будет стоять соответствующая функция геометрических размеров пятна и диффузионной длины. Отметим. что этот геометрический фактор на практике целесообразно учитывать не путем теоретического рассвета, а с помощью непосредственной калибровки способа, т;е, эмпирически определив зависимость e (L) на серии образцов с известной диффузионной длиной.

Исходя из этого, мы не конкретизирует форму светого пятна в формуле изобретения и не включающем в нее аналитические соотношения, устанавливающие связь между ЭДС и диффузионной длиной.

Пример. Возьмем для примера эпитаксиальную пленку (d = 20 мкм) твердого раствора р-Cdo,ã Wgn,8Tå со следующими параметрами (при Т = 77 К): концентрация дырок Р< = 3 10 см; р„= 10 см /В с, 15 -3, 5 2

pP ((/i,;àð ) ) гт,; т= 10 с, Ожидаемое значение диффузионной длины дает соотношение Эйнштейна . = у лкк = ъ лмк = л%Тр„к = 260 ллкм (К— постоянная Больцмана).

Проведем мысленный эксперимент с такой пленкой и рассчитаем, какой величины будет регистрироваться ЭДС в индукционном элементе связи.

Используем для освещения матрицу из

4-х светодиодов типа АЛ-1196 (суммарная

55 мощность излучения 0,16 Вт, т,е. 7,7 10 квант/с). Сформирует на поверхности образца светового пятно радиусом R = 5 мм.

Для формирования пятна удобно использовать посеребренную изнутри стеклянную трубку с внутренним диаметром 10 мм, у верхнего конца которой размещается матрица из светодиодов, а у нижнего торца— образец (помещенный в азотном криостате).

При длине трубки -20 см достигается равномерная освещенность в плоскости нижнего торца трубки. Чтобы обеспечить более резкую границу света и тени на поверхность образца наложим маску из черной бумаги с круглым отверстием 010 мм, С учетом отражения от пленки (коэффициент отражения г = 0,32) интенсивность поглощаемого образца излучения составит величину I = 5,2 10 квант/с. Отметим, что

17 рабочая длина волны указанных светодиодов it= 0,95 мкм обеспечивает генерацию электронно-дырочных пар в р-Cdo2Wgo,âÒå с квантовым выходом /3= 1.

Частоту модуляции света следует выбрать по воэможности большой, так как величина сигнала к -f, в то же время необходимо выполнить условие f«1/ т, которое является условием применимости формул (5) и (6), полученных в приближении квазистационарного режима, Исходя из этого возьмем частоту модуляции f = 160 кГц (светодиода АЛ-1196 обладают достаточным быстродействием, чтобы обеспечить модуляцию с такой частотой).

На маску, формирующую световое пятно. наклеим индукционный элемент связи в виде 100 витков изолированной проволоки

0,1 мм (средний диаметр витка 18 мм). Такой элемент связи обладает индуктивностью

L-200мкГн и на частоте f = 160 кГц имеет реактивное сопротивление -200 Ом, что позволяет измерять ЭДС с помощью стандартного селективного микровольтметра (например, В6-1, который при f = 160 кГц имеет входное сопротивление более 10 кОм).

Пока в образце не создано магнитное поле. вольтметр будет фиксировать нулевую

ЭДС. Разместим в криостате под исследуемой пленкой стержневой постоянный магнит из сплава SmCO так, чтобы создаваемое им в пленке магнитное поле с индукцией

В = 0,25 Тл было ориентировано перпендикулярно освещаемой поверхности пленки, Как описано выше, при этом в толщине пленки вдоль границы степень потечет кольцевой электрический ток (радиус кольца R =

5 мм, ширина кольца примерно равна диффузионной длине, т.е, около 260 мкм «R).

Сила этого тока равна

2001466

Р= 2ztfMI, 25 фиг. /

t =е/31 (к„К (к ) ВL>S (д) =260 мкА

Этот ток будет переменным (его частота равна частоте модуляции света, т.е. 160, кГц), а следовательно, он будет наводить переменную ЭДС в индукционном элементе связи где М вЂ” коэффициент взаимной индукции контура, по которому течет ФЭМ-ток, и индукционного элемента связи.

Величина этого коэффициента определяется геометрическими размерами индукционного элемента связи, радиусом светового пятна и их расположением. Для описываемой конструкции измерительного устройства этот коэффициент равен 6,4 10

Гн. Следовательно, на выходе элемента связи будем иметь значение ЭДС к = 170 мкВ.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ ДЛЙНЫ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА, включающий освещение поверхности полупроводникового образца модулированным пучком излучения с энергией, большей ширины запрещенной зоны, помещение образца в постоянное магнитное поле, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности контроля тонких пленок, постоянное магнитное поле

Такое напряжение немного превосходит уровень собственных шумов микровольтметра В6-1 (1 мкВ в полосе 1 кГц) и, следовательно, может быть надежно изме5 рено.

Таким образом, проведенный расчет подтверждает работоспособность предложенного способа применительно к тонкой пленке полупроводника, Формула (6) для

10 значения ЭДС Р = 170 мкВ дает значение диффузионной длины L = 260 мкм.

Кроме достижения основной цели изобретения, предлагаемый способ обеспечивает еще одно важное преимущество по

15 сравнению с прототипом: не требуется изготовлять электроды к образцу. Благодаря этому новый способ, во-первых, является неразрушающим, а во-вторых, более оперативным, нежели прототип.

20 (56) Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.:

Радио и связь, 1985, с.264. ориентируют перпендикулярно к освещаемой поверхности, на этой поверхности формируют световое пятно с замкнутой в

30 ее пределах границей, регистрируют ЭДС на частоте модуляции излучения, возникающую в индукционном элементе связи, витки которого охватывают контур светового пятна на поверхности, по которому протекает наводимый в образце фототок, и по величине регистрируемой ЭДС определяют искомый параметр.

2001466

0,6

0.2

Фиг. 2

Составитель А, Штурбин

Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль

Редактор Н, Соколова

Заказ 3130

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

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