Способ определения параметров полупроводника

 

г " . ° ° Ь li 1 †.И

Ф- . слниче най б. блиотена и („, л

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 280377 (21) 2471431/18-25

Союз Советских

Социалистических

Республик ои 646795 (51)М. Кл.2 с присоедммемием заявки Hо

Н 01 ?. 21/66

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК 621. 382 (088. 8) Опубликовано 150879. Бюллетень Йо 30

Дата опубликования опмсамия 150879 (72) Авторы изобретения

b3. В. Воробьев и Н. Г. Фомин (71) Заявитель

Киевский ордена Ленина государственный университет им. Т. Г. Шевченко (54 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ IIAPAMETPOB ПОЛУПРОВОДНИКА

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения ширины запрещенной зоны, локальных уровней энергии, а также на основании этих данных состава материала, например CdS Бе, „, СЙ„Нд, Те и др.

Известей способ определения параметров полупроводника по красной границе собственной и примесной фотопроводимости или оптического поглощения (1).

Однако при отсутствии предварительных сведений с зонной структуры точность этого способa невелика ввиду неоднозначности и нелинейности зависимости коэффициента погло щенияс от энергии облучающих полупроводник квантов света п вблизи красной границы.

Кроме того этот споссС не дает возможности определить термодинамически равновесные значения параметров: так называемую оптическую ширк 25 ну запрещенной эоны и оптическую энергию ионизации локального уровня, принципиально отличающиеся от соответствующим равновесных (термических) параметров.

Известен также способ определения параметров полупроводника, например ширины запрещенной зоны и локальным уровней энергии в запре- щенной зоне, включающуй облучение материала полупроводника электромаг- . нитным излучением с энергией квантов, превышающей ширину запрещеннои эоны (2).

В этом случае для определения параметров используются особенности процесса релаксации энергии созданных светом носителей заряда, а именно процессы вонизации валентных электронов и связанные с ними изломы в спектре внутреннего фстоэффекта. Этот способ позволяет выбрать наиболее удобную для эксперимента спектральную область неэависимс ст ширины запрещенной эоны, однако не устраняет указанных выае затруднений. Используемая в нем спектральная зависимость также неод« нозначна и равновесные параметры с его помощью определить нельзя.

Цель изобретения - нахождение термодинамически равновесных значений параметров и повышение точности определения параметров.

3 6

Это достигается тем, что йолупроводник облучают одиночными импульсамн электромагнитного излучения длительностью большей, чем время релаксации энергии носителей заряда, ко меньшей, чем время жизни последних, и по повышению температуры по "лупрбводкика за время импульса определяют ширину эапрещекной зоны н положение локальных уровней энергии в запрещенной зоне. Повышение температуры образца полупроводника измеряют вначале при облучения его импульсом. с энергией; кванта h9, и количеством квантов й,, затем измеряют повышение температуры образца при облучении его импульсом с энергией кванта h0 и количеством квантов Ю2 °

Полученнйе результаты представляют в виде двух точек в системе координат аТ/й, М, и по величине отрезка, " отсекаемого ка ос» Ь4 прямой линией, проведенной через полученные точки, определяют параметры полупроводки"ica, Повышение температуры образца полупроводника за Время импульса аТ пропорционально тепловой энергии 9 выделяемой при термализации. (понижении энергии до средней, соответствующей данной температуре - 1,5 кТ в невырожденном полупроводнйке) н безызлучательном захвате на локальные уровни свободных электронов и дырок, созданных светом с .энергией кванта Ь4 большей, чем ширина запрещенной зоны Y . Эта энергия связана с опредеЛяеьевин параметрами проОтым линейным соотношением.

Облучение-Образца полупроводника . ймпульсом света с М>Е и длительностью 1„, превышающей время релаксации энергии (Фв 10 с), но меньшей, чбтр время" жизни носителей заряда (обоих типов при определении

Е, и одного из двух при определенйй положения локальньж уровней), и измерение ьТ,позволяет найти величину Q.

° Связь между величиной Q (ьТ ) и определяеьыми параметрами: термической шириной запрещенной зоны Б и энергетическим положением локальных уровкей,энергии по отношению к той из разрешенных;- зон, в которой носители заряда имеют большее время жизни (2> )..Время жизни носителей в зонах обозначено „ и,-пусть c g.

При определении% (длительность импульса должна удовлетворять усло- вию Г с Фц с O,,ч. . Тогда эа время импульса в образце"вй= деляется только термалиэационная энергияз

Я-л(м-е6-. 3kT).

Отсюда .Кк- М- (;)/И-ЗКТ.

При определении Ел должно быть выполнено соотношение t (t а t2.. ц . 2

В образце за время tö выделяется термалиэационная энергия и энергия беэызлучательного захвата короткоживущнх носителей, т. е. вся энер" . гия импульса за вычетом М (Е„ +1,5kT) энергии захвата долгоживущих носителей, выделяемой после импульса (h л 1,5КТ

10 Отсюда л=М- Я/М-1,5кТ. (2) Связь между Q и дТ определяется соотношением ЯстьТ где С - теплоемкость, аin - -масса той части образца, где выделяется тепловая энергия. Для удобства измерений можно взять образец в виде тонкой плоскопараллельной пластинки н изме20 рять среднее повышение температуры освещаемой части пластинки ьТ

Тогда

Q- =егпаТ, (3) т где mo o— масса освещаемой части пластинки (m =ySd )> ,р -. плотность, д - толщина пластинки, S — - площадь светового пятна.

-, 4

30 дЧ d Г аТ(х) dx о

Измерив дТ с помощью (3) находят Я, а затем в зависимости от соотношения между, и,, 2 определяют, либо Е по формуле (1), либо E по формуле (2) °

Для обеспечения достаточно высокой чувствительности при измерении импульсного повышения температуры, можно использовать темпера"

40 турную зависимость спектра какойлибо оптической характеристики образца, например поглощения, отражения и люминесценции. Если образец имеет форму тонкой плоскопараллельной пластинки, достаточно измерить спектральный сдвиг края пропуска.ния образца. Поскольку изменение коэфФициента поглощения образца y( (ьо - ) прямо пропорционально ьТ, а ьФ. при измерении пропускання пластин, ки усредкяется так же, как.н лТ (ьо = д g ь л(х) д х ), измеряемый на опыте сдвиг края пропускання про- порционален среднему повыаенню тем- пературы освещенной части образца.

Необходимый для определения таким методом температурный коэффициент сдвига края совйадает с температурHHM коэффицйейтом измейения ширины запрещенной эоны и для большинства

60 пблупроводников известен.

Благодаря линейной зависимости междуаТ, и й..измеряемым, .энергетическим параметрам полупровадника

Е и Е„ существенно упрощаются иэмере65 ноя и вйййжекия и повышается нх точность. Так облучая полупроводник

646795 Ь

ИЗ (1) ПОЛуЧаЕМ Е - И4 - Бл/Й "3 (2,6-1,43-0,08) эВ = 1,09 зВ.

5 последовательно двумя импульсами одинаковой длительности, но разной энергии квантов n4„ k9> измеряем соответствующие повышения температур hT(, ьТ, пропорциональные энергиям Ц1и Ц . Представляя результаты измеренйй в виде двух

5 точек в системе координат лТ/К Р пИ и проводя прямую. линию через эти точки, находим И (точка пересечения упомянутой прямой с осью энергии), откуда непосредственно полу- (Q чаем Е Р если сСц с,, из формулы (1). Учитывая, что лд соответствует Q =О, имеем Ey=h0,-3kT. Ел при t,с t à t, если Ьд, соответствует Я =О, находим из формулы )5 ьл

В этом случае для определения параметров полупроводника не нужно производить абсолютны измерений, достаточно измерить ьТ с точностью до постоянного множителя: величина этого множителя не влияет на значе- ние Ю . Величина поглощенных квантов может быть измерена по фотопроводимости, здесь также достаточно определить )4 и Н2 с точностью до постоянного множителя.

Так например для определения ширины запрещенной зоны по термалиэационному нагреву пластинку кремния толщиной d -=3-10 см освещают импулььсом света длительностью t„ i

3 10 с, площадь светового пятнаб= и 4 ° 10 см Так как т; 1,2= 10 4с, выполняется условие Г с „с< необходимое для опредепейия Vg ..

Количество поглощенных квантов. )1

7 ° 10, средняя эчергия квантаh9 = а

2,6 эВ. Край оптического пропус,кания, измеренный с использовани- 40 ем тех же импульсов света, смещен в длинноволновую область на 3 10 зВ,что при температурном коэффициенте

4 ° 10 4 эВ/град дает среднее повышение температуры ьТ 7,5, ... 45

Используя соотношения Ч= Сп ьТ, m =рбмк при с в 0,181 кал/г град и„-. р = 2,33 г/смэ имеем Я =1,59 ° 10 Дж, 6/М = 2,3 10- Дж е 1,43 эВ. Далее

Формула изобретения

1. Способ определения параметров полупроводника, кцжример ширины запрещенной эойЫ иклокальнйх уровней энергии в запрещенной зоне, включакщий облучение материала полупроводника электромагнитнъик излучением с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны, отличающийся тем, что, с целью нахождения термодинамически равновесных значений параметров, полупроводник облучают одиночном. импульсами электромагнитного излучения длительностью большей, чем время релаксации энергии носителей заряда, но меньшей, чем время последних, и по повышению температуры полупроводника за время импульса определяют ширину запрещенной зоны и положение локальных уровней энергии в запрещенной зоне.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения параметров, повышение температуры аТ образца полупроводника измеряют вначале при облучении его импульсом с энергией кванта h4 и количеством квантов N, затем измеряют повы-. шение темйературы образца.при облучении его импульсом с энергией кванта И4 и количеством квантов К2 полученные результаты представляют в виде двух точек в системе координат аТ/К, й4 и по величине отрезка, отсекаемого на оси k прямой линией, проведенной через полученные точки, определяют параметры полупроводника.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ковтошок И. Ф. Концевой Ю.A.

Измерения параметров полупроводниковых материалов, М., Металлургия, 1970, с. 402-405.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 405057, кл. Я- 01 И 21/00, 1974.

Составитель В. Зайцев

РедактоР т. колодаеаа техде Б.Факта ко аккор о ° Билак

Заказ 4817/60 Тираж 923 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Xi-35 Ра ская наб . . 4 5 — — — к — к

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4