Способ определения эффективноймассы носителей b полупроводникахи полуметаллах

 

<>817808

Союз Советских

Социалистических

Республ,ик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОИ:КОМУ С ИТВЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву<я)м. к.

H 01 L 21/66 . (22) Заявлено 240679 (21) 2801160/18-25 с присоединением заявки М— (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР яо делам изобретений и открытий

Опубликовано 300381 Бюллетень Н912

Дата опубликования описания 300381 (53) УДК 621.382 (088. 8) --1

«5 (72) Авторы изобретения

Л.П. Зверев, В.В. Кружаев и Г.М. Миньков

« «

Уральский ордена Трудового Красного Знамени государственный- университет им. А.М. Горького (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ МАССЫ

НОСИТЕЛЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

И ПОЛУМЕТАЛЛАХ е

Н

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля параметров полупроводниковых и полуметаллических материалов.

Известен способ определения эффективной массы носителей в полупроводника и полуметаллах. основанный на .регистрации циклотронного резонанса. В этом способе образец помещают в магнитное поле и измеряют зависимость коэффициента поглощения электромагнитного излучения от напряженности магнитного поля P), Резонансный максимум имеет место когда выполняется условие еН янс где е — заряд электрона; с — скорость света в вакууме, 20

m — эффективная масса свободных носителей;

Н вЂ” напряженность магнитного поля; частота электромагнитного излучения.

Недостатком этого способа является то, что эффективную массу носителей в вырожденных полупроводниках определяют только при единственной 30 .Р энергии, а именно при энергии Ферми.

Известен также способ определения эффективной массы носителей в полупроводниках и полуметаллах (2 ), основанный на измерении амплитуды осцилляций магнитосопротивления образца не менее чем при двух значениях температуры и определении эффективной массы носителей из выражения

Sh(2@k m c T ) епН а

А Т 2® R в нс

2 2 5Ь(— — - -Т,) где Т и T — значения температур;

А и А — соответствующие температурам Т4 и Т значения амплитуд осцилляций;

R — постоянная Больцмана;

С вЂ” скорость света в вакуvMe; заряд электрона; постоянная Дирака; значение магнитного поля при котором измеряют амплитуду осцилляций, вя — эффективная масса носителей.

817808

Недостатком этого способа является его непригодность,для измерения эффективной массы носителей при энергии, отличающейся от энергии Ферми.

Цель изоб

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей способа.

Поставленная цель достигается тем, что измерение амплитуд осцилляций магнитосопротивления осуществляют на туннельном контакте металлисследуемый материал при напряжейии смещения, определяемом по формуле

ll е, (2) е где Е . — энергия, при которой определяют эффективную массу носителей тока;

Е - энергия Ферми; е - заряд электрона;

V — напряжение смещения со знаком, соответствующим знаку потенциала на металлическом электроде.

На чертеже приведена энергетическая диаграмма туннельного контакта. 25

Сущность изобретения заключается в следующем.

Туннельный" ток системы металл-туннельный барьер-полупроводник (полуметалл) описывается выражением 30

J) ) =) р )f.-е)р„)„)е) и)е{цте)-))l;E-еч)1ее,) з)

-00 где P (E) H РиЬ (E) HJIQTHocTH coc-,3 тояний металла и полупроводника соответственно, W(E) — вероятность тун-. нелирования, f(Т,Е)- функция распределения Ферми-ширака при температуре Т.

Плотность состояний металла в ис- 4О следуемой области энергий можно считать постоянной величиной, поэтому для туннельной проводимости.

6 (T,бч ) = ev =P e f Ри „(Е) A(Е) эч йЕ "

В магнитном поле плотность,состояний полупроводника {полуметалла) осциллирует, что приводит .к появлению осциллирующего магнитосопротивления туннельного контакта. Отношение амплитуд осцилляций при двух температурах описывается выражением (1).

B эффекте Шубникова-де Гааза 55 температурная зависимость амплитуды осцилляций магнитосопротивления возникает из-за того, что с ростом температуры размывается фермиевская ступенька функции респределения элек- ц) тронов в полупроводнике, которую по мере увеличения магнитного поля пересекают уровни Ландау .плотности состояний. В этом случае в проводимость дают вклад электроны вблизи уровня

Ферми полупроводника, а по формуле (1) определяют их массу, т.е.

rn (E ). В туннельной проводимости температурная зависимость амплитуды осцилляций возникает из-за размытия с ростом температуры фермиевской ступеньки распределения электронов в металле (см. энергетическую диаграмму на чертеже,,где Ес - энергия, соответствующая дну зоны проводимости полупроводника), и при фиксированном смещении V вклад в дифференциальную проводимость туннельного контакта дают электроны с энергией Е - еч, поэтому по формуле {1) определяют массу именно этих электронов, т.е. m (Е -eV), Меняя смещеМ ние Н, можно менять энергию электронов, дающих вклад в дифференциальную туннельную проводимость, а следовательно, можно определять эффективную массу носителей в полупроводнике при энергиях, не равных энергии Ферми.

Пример . Предлагаемый способ используется для определения эффективной массы при различных энергиях в вырожденном и - tnAS с концентрацией )) = 2 10" см З. Туннельный контакт йзготовлен по известной методике. При этом образец исследуемого материала технически шлифуют и полируют, травят в полирующем травителе (5ч НИ О „+.Зч НЕ«„ +Зч. ледя- ной уксусной кйслоты), затем обезгаживают в вакууме 5- 10 6 торр при

120ОС 5 ч и окисляют в атмосфере сухого кислорода при нормальном давлении и 120 С 36 ч с целью получения на поверхности туннельного тонкого окисла. После этого в вакууме

-6

10 торр на полученную поверхность напыляют свинец.

Во время измерений туннельный контакт помещают в сосуд Дьюара, вставленный в рабочий объем сверхпроводящего соленоида. Внутри сосуда с помощью стабилизатора температуры, поддерживают требуемую фиксированную температуру в интервале 4,18-30К с точностью не хуже 1Ъ. Осцилляции магнитосопротивления измеряют с помощью устройства для исследования малых нелинейностей вольт-амперныххарактеристик туннельных структур. рактеристик туннельиых структур.

При этом на двухкоординатном потенциометре ПДС-021 записывают магнитосопротивление туннельного контакта . в зависимости от напряженности магнитного поля (Π— 50 кэ) при нескольких (5 - 7). фиксированных значениях температуры из вышеуказанного.интервала. Из отношения амплитуд при разных температурах определяют эффективную массу по формуле (1). результаты приведены в таблице.

Как видно из таблицы, относительная ошибка определенной таким обра/

817808

Е-Е мэВ -15

+8O

+60

+30

m"" — 0,0265 0,0285 0,0295 0,0297 0,0330 0,0365 0,0390

+0,001 +0,001 +0,001 +0,001 +0,001 +0,001 +0,001

П р и м е ч а н и е . m© — масса свободного электрона где Е

Е

V где Т и Т д4 и Аа

С

2. Цидильковский И.М. Зонная структура полупроводников. М., "Наука",- 1978, с. 272.. ЭНИИПИ Заказ 1477/69

Тираж 784 Подписное

Филиал ППП Патент", r.Óæroðoä,óë.Проектная,4 зом эффективной массы находится в пределах +3 — 5Ъ.

Использование предлагаемого .способа дает следующие преимущества по сравнению с известными способами: позволяет определить эффективную массу полупроводника и полуметалла в зоне разрешенных энергий при энергиях, не равных энергии Ферми исслеФормула изобретения

Способ определения эффективной массы носителей в полупроводниках и полуметаллах, основанный на измерении амплитуды осцилляций магнитосопротивления образца не менее чем при двух значениях температуры и определении эффективной массы носителей иэ выражения (Т )

2В R m+c

А Т Sh еФН

Ag Tg 5 2 R «с епН 4 значения температур; соответствующие температурам Т4и Т значения амплитуд осцилляций; постоянная Больцмана, скорость света в вакууме; заряд электрона; постоянная Дирака; значение магнитного поля, при котором измеряют амплитуду осцилляций; эффективная масса носителей;

6 дуемого материала; позволяет исследовать энергетическую зависимость эффективной массы на образце с не изменной концентрацией свободных носителей и примесных центров, а также влияние концентрации свободных носителей и примесных центров на закон дисперсии полупроводников и полуметаллов. отличающийся тем, что, 20 с целью расширения функциональных возможностей способа, измерение амплитуд осцилляций магнитосопротивления осуществляют на туннельном контакте металл-исследуемый материал при напряжении смещения, определяемом по формуле ч - Eð - Е е энергия, при которой определяют эффективную массу носителей тока; энергия Ферми; напряжение смещения со знаком, соответствующим знаку потенциала на металлическом электроде; заряд электрона.

Источникй информации, 40 принятые во внимание при экспертизе

1. Зеегер К. Физика полупроводников. М., "Мир", 1977, с. 468.