Способ определения концентрации оптически активных примесей в твердых телах

 

Союз Советскик

Социалистическик

Республик

ОП ИСАНИЕ

890083

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИДЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 2L0480 (21) 2914472/18-25 (53)М. НлЗ

- а О1 Ю З/ЗО с присоединением заявки Но (23) Приоритет

Государстеениый комитет

СССР ао делам изобретений и открытий

Опубликовано 151281 Бюллетень 89 46

Дата опубликования описания 153. 281 (53) УДК 535.8 (088. 8) (72) Авторы изобретения

М.В.Лупал и А.Н.Пихтин

Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им.В.И.Ульянова (Ленина) (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИ

АКТИВНЫХ ПРИМЕСЕЙ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Изобретение относится к электронике, включая оптоэлектронику, может быть применено для контроля свойств кристаллических и аморфных материалов, выбора оптимальных режнмов технологических процессов их производства, особенно для контроля чистоты материалов лазерной техники и определения примесей в эпитаксиальных полупроводниковых пленках.

Известен метод определения оптически активных примесей в твердых телах. Измерение концентрации примесей, создающих в спектрах твердого тела линии поглощения или люминесцен- 1 ции, проиэводят путем измерения интенсивности поглощения (люминесценции) в одной из данных линий (1).

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является способ определения концентрации оптически активных примесей, создающих линии поглощения в спектрах в твердых те лах. Известный способ (2) состоит в пропускании излучения через кристалл

GaP, охлажденный до температуры жидкого гелия, измерении спектра опти.ческого пропускания в области линии поглощения, обусловленной наличием азота (A — линия связанного эксито- 30 на), вычислении интегрального коэфФициента поглощения и определения концентрации примеси по формуле

И„, = (8,5 0,2) 10 Хааи, где N — концентрация азота, см-9; и коэффициент поглощения в области указанной линии, см 1;

Š— энергия фотонов, мэВ;

jaLJE. — интегральный коэффициент поглощения.

Недостатком известного способа является его невысокая чувствительность °

Величина коэффициента поглощения в об-. ласти спектральной линии, обусловленной наличием некоторой примеси, зависит от концентрации данной примеси °

Величина фотового поглощения существенно зависит от температуры, величины внутренних механических напряжений, концентрации других примесей, качества обработки поверхностей и во многих случаях может достигать величины, существенно превышающей амплитуду спектральной линии определяемой примеси (в частности, в тонких полупроводниковых слоях или при малой концентрации искомой примеси).

890083

Целью изобретения является повышение чувствительности измерений концентрации примесей.

Эта цель достигается тем, что согласно способу определения концентрации ойтически активных примесей

Ф в твердых телах, включающему пропусскание через образец твердого тела пучка монохроматического излучения.

В области оптического поглощения, обусловленной наличием ионной примеси, определение интегрального коэффициента поглощения внутри указанной линии и вычисление по нему концентрации примеси, монохроматический пучок модулируют по частоте и измеряют спектр первой производной по частоте от коэффициента поглощения, по которому определяют интегральный коэффициент поглощения. Измерение производной коэффициента поглощения в области спектральной линии исключает влияние постоянного фона и позволяет определять параметры спектральной линии, необходимые для расчета тогда, когда в силу недостаточной чувствительности известный способ уже неприменим.

Концентрация примеси (поглощающих центров) в твердом теле определяется выражением

=У)о(„И1)).d (%V), (1) концентрация примеси

0 — интегральное сечение поглощения в данной линии;

d.(% ))) — составляющая полного

1 коэффициента поглощения, обусловленная наличием данной примеси;

Q. (ффЦ(ф1 Д)- интегральный коэффици1 ент поглощения в данной спектральной линии.

Полная величина коэффициента поглощения вещества в области данной спектральной линии равна

ЫИ) Ы „,(" )W0(v)

rpep(.(11()) — полное значение коэффициента поглощения; (0 1))- коэффициент поглощения фона, обусловленного наличием собственных механизмов поглощения, поглощения другими примесями, не даю-. щими в данной области линий поглощения, связанного с внутренними механическими напряжениями и нарушениями поверхностей за счет отработки.

В узкой спектральной области; соответствующей линии поглощения можно считать п(%М ) = const, тогда ас„- м) а и ) а сМ) а м) как как -кк(- (=О (Кс и концентрацию примеси можно определять по выражению

Н= " JJ "" ), Д(.)),) 1)). Ц)

В этом случае величина фонового поглощения не влияет на конечный результат.

Для определения концентрации примеси по выражению (4), при известном 0 интегральном сечении поглощения б необходимо произвести измерение спектра первой производной от коэффициента поглощения по частоте излучения Ъ».

Спектр производной от коэффициента

15 поглощения можно получить, пропуская через образец монохроматическое излучение и измеряя спектр отношения производной от интенсивности прошедшего через образец излучения к его интенсивности. Выражение для интенсивности прошедшего через образец излучения без учета многократных отражений представляет собой следующую зависимость:

4р() кто М)Т(М)= (ММ)(4 К) Е " ) (Р где 1„) ()1м) — интенсивность прошедшего излучения;

Т (1)) — интенсивность падающе30 го на образец излучения;

Т(Ы) — коэффициент пропускания.образца

R коэффициент отражения;

35 толщина образца.

В узкой спектральной области соответствующей линии поглощения при использовании источников излучения с гладким спектром (лампы накаливания, глобары и т.д.) и обычных монохромато40 ров можно считать l (g) = canst, тогда с) А(Щ) (с d1 HI11) сс (М) 1 ((сс((d (ссс()

45 На фиг.1 изображена блок-схема измерительной установки, реализующей предложенный способ; на фиг. 2 изобра. жены спектры первой производной коэффициента поглощения по частоте

50 для двух кристаллов фосфида галлия в области A((= линии поглощения, обусловленной наличием азота, при

77 К, а на фиг.3 изображены соответствующие им спектры коэффициента пропускания - Т (М), измеряемые в из55 вестнои способе. Кривые 1 на фиг. 2 и фиг. 3 соответствуют кристаллу

ОаР "..олщйной 3. = 0,3 мм с концентра14 цией азота N N = 7,3 - 1 0 см

2,2 - 10" см ), кривые 2 на фиг.

Ь0 и фиг.3 соответствуют кристаллу GaP при Ю = 1 мм, N = 1,1 10 см

41 (NNЖ = 1,1 10 см ) °

Рассмотрим предлагаемый способ на примере определения концентрации

Я примеси азота в кристаллах фосфида

890083 галлия. При легировании фосфида галлия азотомв спектре поглощения появляетг ся линия поглощения Ар,лежащая при энергии на 13 МэВ меньшей ширины запрещенной зоны, т.е. в области оптического пропускания материала. С пони. жением температуры образца линия сужается, а ее амплитуда возрастает.

Установка, изображенная на фиг. 1, содержит осветитель с лампой накаливания 1, монохроматор 2 с приставкой для осуществления модуляции монохроматического излучения по частоте .(длине волны) 3, образец, помещенный в оптический криостат 4, фотоприемник 5, звуковой генератор б, узкополосный усилитель 7» синхронный детек- тор 8, измеритель отношения 9, измерительный усилитель постоянного тока 10, самописцы 11 и 12. Излучение от осветителя 1 направляется на входную щель монохроматора 2, объединенноного с приставкой модуляции частоты (длины волны) монохроматического излучения 3, выходящее монохроматическое модулированное излучение падает на образец 4, располо- g5 женный в криостате с жидким азотом, В прошедшее через образец излучение принимается фотоприемником 5. Управление приставкой 3 осуществляется с помощью звукового генератора б. 30

Электрический сигнал, вырабатываемый фотоприемником, подается на двухканальную схему регистрации, позволяющую измерить, как первую производную от коэффициента поглощения по часто- 35 те излучения, так и.величину интенсивности прошедшего излучения, пропорциональную коэффициенту пропускания образца. Сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего света, усиливается измерительным усилителем 10 40 и подается на один из входов измерителя отношения 9, а также на.самописец 12. Узкополосный измерительный усилитель 7, настроенный на частоту модуляции излучения по частоте (дли- 4$ не волны), выдает сигнал, пропорциональный амплитуде модуляции интенсивности излучения, возникающей при прохождении излучением образца. Сигнал от усилителя 7 подается на вход син- gp хронного детектора 8, осуществляющего детектирование в соответствии с фазой опорного сигнала, подаваемого на него от звукового генератора 6.

С выхода синхронного детектора 8 сигнал подается на второй вход измерителя отношения 9, где осуществляется деление данного сигнала на сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего через образец излучения.

Полученное отношение регистрируется 6() самописцем 11. При постепенном изменении настройки монохроматора 2 по длинам волн производится .запись спектра данного отношения, а также для сравнения — спектра интенсивнос- 45

I ти прошедшего излучения, пропорционального коэффициенту пропускания образца.В способе применяется синусоидальная модуляция частоты монохроматического излучения, падающего на образец, т.е ° : (10} ()= о+ d461 Qt, (7) где 4(4) — текущее значение частоты оптического излучения; )о - среднее значение частоты оптического излучения, соответствующее некоторой настройке монохроматора; — амплитуда модуляции частоты излучения;

Q — частота модуляции)

- время.

Интенсивность прошедшего, в этом случае, через образец излучения равна

Ий (Фп)) рЬ)= рbМ )+ ц

4 ) ) ) |о

= I» < >o) +

И д=, Н > вр амплитуда модуляции интенсивности прошедшего излучения. Тогда

dd(М) 4 4 Ц пу ФИ ()

- дЬ)) ® (a т„, М

Величина . используется в качестве калибровочного коэффициента схемы регистрации. Записанные подобным образом спектры первой производной коэффициента поглощения по частоте излучения двух кристаллов фосфида галлия приведены на фиг. 2.

Спектры коэффициента пропускания, измеряемые в известном способе для этих же образцов, приведены на фиг.З

Кривые 1 на фиг 2 н фиг. 3 соответствуют образцу GaP толщиной х=0,3мм> с концентраций азота И)(=. 7,3 ° 10 см (й х = 2,2 ° 10 см- ), кривые 2 на фиг. 2 и.фиг. 3 - для образца при х = 1 мм Нн = 1,1 ° 10 см (NN x

47 -3

1, 1 ° 1046 см-Я-) .

Определение концентрации примеси производится по выражению (4). Однако при определении концентрации азота в фосфиде галлия исследуемая линия в спектре коэффициента поглощения име ет форму хорошо описываемую функцией Лоренцаr Яаэтому в данном случае достаточно определить размах осциляции, (в спектре производной коэффициента поглощения и спектральное расстояние @$4 между экстремумами осцилляции так как показано на фиг. 2. И концентрация вычисляется по формуле е NÄ = 1,9.10 Х((% Ф) 890083 тде pdЬ измеряется в см эВ

3 ЬФ - в эв; в см

При определении концентрации азота в фосфиде галлия настоящим способом при температуре жидкого азота (77К) достигается предел чувствительности, определяемый по произведению толщины образца на койцентрацию примеси, равный (К х)„;„ = 2 ° 10 CM . Известный спосОб даже при температуре жидкого гелия (4,2 К) не позволяет зарегистрировать примесь, если N

Настоящий способ обеспечивает более высокую чувствительность при определении оптически активных примесей, создающих линии поглощения в твердых телах.

Формула изобретения

Способ определейия, концентрации оптически активных примесей в твердых телах, путем пропускания через образец твердого тела пуЧка монохроматического излучения в области ли-, нии оптического поглощения, обусловленной наличием искомой примеси, определении .интегрального коэффициента поглощения внутри указанной линии и вычислении по нему концентрации примеси, отличающийся тем, что, с целью йовышения чувСтвительности, монохроматический пучок модулируют по частоте и измеряют спектр первэй производной по частоте от коэффициента поглощения, по которому определяют интегральный коэффициент поглощения. !

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Грум-Гржимайло С.В. Методы и приборы для контроля качества кристаллов рубина. М., Наука, 19á8, 20 .с.50 .

2, LightowKers E.Ñ. atafPNitrogen

concentration in GaP measured by орт

tica(absorption and by proton induced nuclear reactions; — "Jof AppP 5 Physics, 1974 р 2191. v 45, N 5.

890083

40

20

О

2,30

2,32

2,31

h4, эВ

ФИГ. 3

Составитель A.Ñìèðíîâ

Техред Т. Маточка Корректор Л.Шеньо

Редактор С.Запесочный

Филиал ППП Патент, г. Ужгорбд, ул. Проектная, 4

Заказ 10951/63 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственногр комитета СССР по делам изобретений и открытий

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