Способ измерения ширины запрещенной зоны полупроводникового варизонного слоя
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик (iii 938218 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22)За «î 09.12.80 (21) 3215022/18-21 (51)М. Кл. с присоединением заявки М (23) Приоритет (г 01 R 31/26
Н.01 L 21/66
1Ьоудоротваиый комитет
СССР во делам взобретеннй и открытии (53) УДК 682.32...3 (088. 8) Опубликовано 23 06 82 Бюллетень № 23
Дата опубликования описания 25. 06.82 (72) Автор изобретения
Ю. Ф. Каваляускас (71) Заявитель
Ордена Трудового Красно физики полупроводников АН Литовской (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВАРИЗОННОГО СЛОЯ
Изобретение относится к оптическим методам контроля физических параметров полупроводников, а конкретно к способам определения зависимости ширины запрещенной зоны (Е ) по толщине варизонных эпитаксиальных структур и может быть использовано при конструировании полупроводниковых приборов.
Известен способ определения Есг варизонного эпитаксиального слоя, основанный на измерении спектров краевой фотолюминесценсии при послойном стравливании слоя, либо при сканировании поверхности косого шлифа слоя возбуждающим световым зондом и определения зависимости Е (Z) (Z— слоя) по энергетическому смещению пика фотолюминесценции от толщины слоя (13 ° го
Недостатком известного способа является невысокое разрешение по толщине (0,5 мкм), обусловленное перекрытием зоной возбуждения соседних уча2 стков слоя, и приводящее к большим погрешностям определения зависимости
E (Z) в тонких варизонных слоях с большими значениями градиента Ес, сложность точного измерения толщины стравливаемого слоя, а также необходимость раз рушения образца.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения ширины запрещенной зоны полупроводникового слоя, основанный на воздействии монохроматическим излучением, энергия квантов которого меняется в интервале Е щ,,Д1ти), „„с„(Е „„„п и Е ° „- значения ширины запрещенной зоны на узкозонной и широкозонной сторонах слоя), определения спектральной зависимости опти ческого пропускания и в последующем математическом анализе измеренных спектров с использованием,ЭВМ 2).
Однако известный способ является неточным и сложным, так как требует знания зависимостей коэффициента
"c(m " ех
Е (2.тп) = + Я
Л. -1Рп, где Z = координата,соответ", 8п ствующая m-му интерференционному
45 экстремуму;
m 1,2,3... порядковый номер экстремума, отсчитываемый с стороны длинных волн;
1„ " длина волны, соответствующая m-тому экстремуму;; и - среднее значение показателя преломления, слоя в исследуемом спектральном интервале;
QЕ" - энергия связи экси- S тона в кристалле;
h - -постоянная Планка; с - скорость света.
3 93821 поглощения от энергий фотонов и ширины запрещенной зоны исследуемого материала в аналитическом виде. Пра". ктически такие зависимости определены лишь для немногих, хорошо излучен ных элементарных и бинарных полупроводников и неизвестны для твердых растворов на их основе. Поэтому в расчетах используются приближенные аналитические зависимости коэффициента поглощения от энергии фотонов и Е твердого раствора, что понижает точность определения профиля Е по толщине слоя. Кроме этого, данный способ является непригодным для определе-1 ния,зависимости Eg(Z) эпитаксиальных слоев, выращенных на непрозрачной подложке.
Цель изобретения - повышение точности при упрощении процесса измерения.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения ширины запрещенной зоны полупроводникового варизонного слоя, заключающемся в воздей- 5 ствии на слой монохроматическим излучением, энергия квантов которого меняется в интервале Е,т,„„<Ьо< E max (ЕС,„4„и Е „- значения ширины запрещенной эоны на узкозонной и широкозонной сторонах слоя), модулируют длину волны монохроматического излучения, определяют положения интерФеренционных экстремумов в производной:спектра 1отражения от указанной стороны слоя, а величину запрещенной эоны вычисляются по формуле
Ка фиг. 1 представлена схематическая диаграмма, иллюстрирующая параметры варизонного слоя и отражение света от данного слоя; на фиг. 2 производная спектра отражения от варизонного слоя Al Ga As; на фиг.3 зависимость ширины запрещенной зоны по толщине варизонного слоя А1 Ga+хАя; йа фиг. 4 — устройство для реализации способа.
Физической основой способа является интерференция световых волн, отраженных от узкозонной стороны варизонного слоя и от области скачка показателя преломления внутри слоя, возникающего за счет экситонных переходов, формирующих край основного поглощения.
Ка фиг. 1 схематично показано измерение ширины запрещенной зоны E+ и энергии экситонных переходов Ев" от координаты Z, направленной вглубь слоя, а также зависимость показателя преломления n(Z) для энергии фотонов а) Е (+) = Emmy.„. Величина 2 (%из) определяет расстояние от поверхности (Z = 0) до области скачка показателя преломления внутри слоя, обусловленного прямыми экситонными переходами в плоскости слоя,где A(NP Ee" (Е ).
Если в среде имеется область с достаточно резким по сравнению с длиной волны скачком показателя и редломления, то распространяющаяся в ней волна будет частично отражаться. Каличие в варизонном слое области скачка показателя преломления, расстояние до которой Z0 зависит от энергии
Фотонов, приводит к появлению в спектре отражения интерференционных минимумов или максимумов, когда возникает соответствующая разность фаз между волнами, отраженными от границы разделов с координатами Z = 0 и Z = Zo(Ъи ) (фиг. 1). Поскольку с увеличением пж (уменьшением длины волны) величина Z растет, то в спектре отражения возникает интерференционная картина. Для лучшего ее выявления и повышения точности измерения следует применять модуляцию длины излучения, т.е. измерять производную спектра отражения. Глубина интерференции увеличивается с понижением температуры образца, что обусловлено ростом резкого скачка показателя преломления с области края основного поглощения.
Формула изобретения
5 9382
Отражение волн внутри слоя происходит в плоскости, где энергия фотонов сравнивается с энергией экситонных переходов. Поэтому энергетическое положение экстремума m соответствует энергии экситных переходов в плоскости слоя с координатой Zm.
Но интерференционной картине отраженного излучения определяется зависимость ширины запрещенной эоны по толщине варизонного слоя.
Данный способ используется для определения зависимости ширины запрещенной зоны по толщине варизонных опитаксиальных структур: типа AlxGa+ Устройство для реализации предлагаемого способа (фиг. 4) содержит мо-2$ нохронометр 1,оптический криостат 2, фотоприемник 3, селективный усилитель 4, синхронный детектор 5, самописец6. Устройство работает следующим об1 разом. зю В оптический криостат 2 помещают исследуемый образец и охлаждают до . температуры близкой к- 77 К. Узкий пучок монохроматического излучения модулируют по длине волны с частотой зз Я. при помощи кварцевой пластинки, установленной перед выходной щелью мо-. нохроматора 1, и направляют на узко-. зонную сторону варизонного слоя под углом близким к нормальному (4 1О ) . Отражение от слоя излучения направляют на фотоприемник 3, сигнал от которого усиливают селективным усилителем 4, настроенным на частоту модуляцииЯ и подают в синхронный детектор 5. После синхронного детектора сигнал, пропорциональный производн ой спектра отражения- записывает4Х ся на самописце 6. Производная спектра отражения ва50 ризонного слоя Al>Ga+„As представлена на фиг. 2. Цифрами 1,2,3... обозначен порядковый номер экстремума в интерференционной ка ртине. Используя значения показателя преломления и энергии связи экситона твердого раст- 55 вора А1„6а Ля равных сост ветст венно 3,65 и 4 мэВ, и энергетические положения инте рференционный экстрему18 6 мов в спектре (фиг. 2), по формулам рассчитывается зависимость Е от координаты Z, направленной вглубь слоя. Полученная зависимость Е (Г) представлена на фиг. 3. Среднее значение гра- . диента ширины запрещенной зоны в . слое b E = 1590 эВ/см. Точность определения зависимости E<(2) определяется погрешностью установления, энергетических положений экстремумов, что практически составляет величину порядка 1 мэВ, и погрешностью определения координаты. Значение последней устанавливается с ошибкой меньшей чем Зь, если значение показателя преломления и = 3,65, а дй = «+О Предлагаемый способ обладает высокой локальностью контроля профиля ширины запрещенной зоны по глубине слоя. Величина Е устанавливается с шагом равным изменению координаты на величину д2 = /4й. При il = О, 7мкм и n = 3,65, что типично для варизонного слоя типа AlxGa<-x As с х <0,3, д2 0,05 мкм. Использование предлагаемого способа позволяет на порядок увеличить точность измерения ширины запрещенной зоны в варизонном слое по сравнению с известньи, так как в данном случае зависимость. Е, от координаты опреде" .ляется только по энергетическим положениям инте рфе рен ционных экстремумов в спектре, а не по интенсивности прошедшего через кристалл излучения, из". мерения которого связаны с большими погрешностями. Достоинством метода является его простота, а также то, что он является неразрушающим и бесконтактным. Способ измерения ширины запрещенной зоны полупроводникового варизонного слоя, заключающийся в воздейст". вии на слой монохроматическим излучением, энергия квантов которого ме» няется в интервале Е щ„„ Ъо E (Z ) fg(z),е Р) EtPfz ) Zaire 2 фри 7 7 93821 экстремумов в производной спектра отражения от уэкоэонной стороны слоя, а величину запрещенной эоны вычисляют по формуле 5 (1 - )Х <о где 2„,-" - координата, соотВй ветствующая m-му интерференционному экстремуму; m 1,2,3... - порядковый номер 15 экстремума, отсчитываемый со стороны длинных волн „„- длина волны, соответствующая й-тому экстремуму; 8 8 среднее значение показателя преломления слоя в исследуемом спектральном интервале; тз BX - энергия связи экситона в кристалле; h - постоянная Планка, с — скорость света. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.:М..Konagai, К, Takahashi Craded-band-gap р. Ga<»„ Al 2. W.Ã.Hall, lY.Å.Tennant, J.А,Саpe, J.S. Harris, Nendestructive determination of energy-gap grading in thin films by optical transmission measurements, - J. Час. Sci.Òåchnol, Ч. 13 р.914 (прототип). 938218 Составитель Н. Чистякова Редактор А. Шандор Техоеа С.Мигунова Коююектоо "° Стец Р» ЪФ «» «Ф .««аъ«« Заказ 455/70 Тираж 717 Подл исное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открыткой 113035 Москва Ж-35 Рамшская наб. а. 4/5 «3 «>L» i «354y» ймАъс филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
