Способ определения подвижности неосновных носителей заряда (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСКИХщааПВЧюевиРЕСПУБЛИК 1. 21/66; С 01 К 31/26 4(И) ССУД АРСПОДЕЛАМ ЗОБРЕТ ИС трицательной люмйй поверхности отого поляу находятал отрицательнойассчитывают подных носителей зают зависимостьенции на этины магнит минимальный сиг люминесценции, вижность неосно ряда по формуле несцвелич- подвижность неоносителей заряд - индукция магнитнля (соответствую , мальному сигналу ценции); йеоенгд вн ого пощая минилюминес- ФЗ ТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Ч;ОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт полупроводниковАН Украинской ССР(56) 1. Наупев З.К., БЬосИеу Ы.ТЬе шоЬ 1 у апд 1 ИеОше оГ дп 1 есгед -Ьо 1 ев апй е 1 есггопв дп Се,"Л. РЬув. Кеч ." 1951, 81, р. 835.2, ЗсЬпеЫег У., ЯсЫдвгег К.Ааоша 1 оцв 1 у епЬапсед р 1 авша йИйпв 1 оп ггапвчегве го а шарегс Яе 1 Й.дп п-Се. - "Л. РЬув. СЬеш. Бо 1".,1979, ч. 41, р. 813-820.3. АггЬцг З.В, ег а 1. СаггегЕхггасС 1 оп и Сегшапдцш. ТЬе ргосеей оГ СЬе РЬув. Бос. 1955, 68,ранг, 1, Р 0421 В;р.43-50 (прототип).(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ НЕ.ОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА (ЕГО ВАРИАНТЫ).(57) 1. Способ определения подвижности неосновных носителей заряда, основанный на приложении к полунроводниковому образцу электрическогополя, отличающийся тем,что, с целью повышения точности определения подвижности в полупроводниках с малой диффузионной длиной в области смешанной проводимости и упрощения способа, образец помещают в магнитное поле так, чтовекторное произведение вектора напряженности электрического поля ивектора индукции магнитного поЬянаправлено вглубь образца перпендикулярно его поверхности, регистриру 801160484,С - скорость света, причем величину электрического поля выбирают соответствующей линейному . участку вольт-амперной характеристики образца в отсутствие магнитного ф поля.2, Способ определения подвиж- . ности неосновных носителей заряда, основанный на приложении к полупро- ф водниковому образцу электрического С поля, о т л и ч а ю щ и й с я тем, Вф что, с целью повышения точности оп- Об ределения подвижности в полупровод Ь никах с малой диффузионной длиной в области смешанной проводимости и. упрощения способа образец поме. щают в магнитное поле так, что векторное произведение вектора напря- Ъфф женности электрического поля и век" тора индукции магнитного поля направлено вглубь образца перпендикулярно его поверхности, облучают эту поверхность излучением с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной1160464Вун 8 еаФаУаэ 3834/50 Тиран 679 Подннсное илиал ППП фПатент", г.уагород, ул.Проектнзоны полупроводника, регистрируют зависимость отражения излучения от величины магнитного поля, находят максимальный сигнал отражения, рассчитывают подвижность неосновных носителей заряда по формулеСУнеоои, В, ф где ущс- подвижность неосновных носителей заряда; 1160484 В - индукция магнитного поля (соответствующая максимальному сигналу отражения); С - скорость света,причем величину электрического полявыбирают соответствующей линейномуучастку вольт-амперной характеристики образца в отсутствие магнитногополя.Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля подвижности неосновных носителей заряда в узкоэонных материалах, используемых для изготовления полупроводниковых приборов..Известен способ измерения подвижности неосновных носителей заряда, который включает,создание эмиттерного, коллекторного и двух омических контактов к полупроводниковому образцу, приложение к образцу электрического поля напряженностью Е .через омические контакты, инжекцию пакета неосновных носителей заряда из эмиттера, измерение времени дрейфа 1 пакета неосиовных носителей заряда в электрическом поле от эмиттериого контакта к коллекторному, измерение расстояния между эмиттерньм и коллекторным контактами Г, вычисление биполярной дрейфовой подвижности носителей заряда по фор-.мулеРегде 1 - время дрейфа пакета (времяустановления режима истощения в кристалле).В общем случае биполярная дрейфовая подвижность определяется соотношениемфЕ=р н+Ач 1 ргде,Яд,Рр- подвижность электронов, дырок;пгР - концентрация электронов,дырок.. В области примесной проводимости, когда П р или Рто, дрейф пакета инжектированных носителей заряда определяется неосновными носителями заряда иО,/ф =Р напоен.где Ре - подвижность неосновныхносителей заряда.В области собственной проводиц мости, когда и = Р, согласно формуле (1)/ф: 0 (3)Из формул (2) и (3) видно, чтов зависимости от степени собствен ности материала (соотношения в и /)у может изменяться в широких пределах 1.13.Недостатком этого способа является низкая точность определениязначениярщ при переходе к смешанной проводимости. Точное вычислениеподвижностей неосновных носителейпо величинер затруднительно, таккак неизвестны значения подвикнос ти носителей и концентраций электронов и дырок, определение которыхпредставляет собой сложную задачупри смешанной проводимости полупроводника,Кроме того, способ обладает низкой точностью в применении к уэкозонньи полупроводникам с характерными для них малыми диффузионнымидлинами Ь (Ь = 100 - 1 мкм), пос кольку коллекторные контакты имеют3 11 бОконечные размеры порядка 10 мкм,что не позволяет точно определятьрасстояние между этими контактамии. в случае малых диффузионных длинприводит к значительным погрешностям. Точность измерений этого способа существенно ограничивается также шумами и нелинейностью коллектор ных контактов.Способ сложен технологически для 10измерений в полупроводниках с майойдиффузионной длиной, так как создание выпрямляющих контактов на. образце трлщиной порядка 100 мкм является трудно осуществимой задачей.Контактная инжекция неэффективна вузкозонных материалах при повышенных температурах, т.е. при тех условиях, когда наблюдается смешаннаяпроводимость. Способ принципиальнонеприменим,для полупроводников с собственной проводимостью,Известен также способ измерения уподвижности неосновных носителей заряда.по величине размытия пакета не-равновесных носителей заряда, в котором инжекция осуществляется оптическим путем, а регистрация про изводится с помощью коллекторныхконтактов. При реализации способаиспользуются скрещенные электрическое и магнитное поля 21.Недостатком способа является низкая точность определения подвижностипри переходе к смешанной проводимости из-эа невозможности точноговычисления по используемой формулеи из"эа неопределенности расстояниямежду коллекторньии.контактами, обусловленной их конечньаки размерами,.40Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсяспособ определения подвижности неосновных носителей заряда, основанный на приложении к полупроводниковому образцу электрического поля.Способ включает создание антизапорного и омического контактов к полупроводниковому образцу, приложениек этим контактам импульсного электри ческого поля, измерение времени установления режима истощения в кристалле 1, измерение расстояния между антизапорным и омическим контак-.тами Г, измерение проводимости об- Яразца в режиме истощения ОЕ, освещение образца от внешнего источникаизлучения, измерение проводимости 484 4образца при освещенииБ, вычисление подвижности неосновных носителей. заряда по формуле б. Е." нФОсй буЕ В отличие от других известных сйособов измерения подвижности аеоснов-. ных носителей в области смешанной проводимости в известном способе используется явление эксклюзии для изменения проводимости полупроводникового образца от смешанного типа допрнмесного 3 .Недостатком известного. способа является низкая точность определения подвизности неосновных носителей заряда для материалов с малыми диффузионными длинами, характерными для узкозонных полупроводников при высо-. ких температурах, что связано с неопределенностью расстояния между кон-. тактами, которая обусловлена конечностью их размеров. Эта погрешность велика, так как размер образца в . направлении движения носителей дол" жен быть меньше растянутой диффузионной длины (диффузионная длина вдоль электрического поля), иначе процессы объемной генерации носителей будут подавлять процесс эксклюэии.Кроме того, точность измерений значительно снижается из-за большойошибки, связанной с определением времени вйтягивания неосновных носителей заряда, величина которого сильно искажается параэитньии индуктивностями и емкостями антизапорного контакта, самого образца и измерительной цепи.ф Точность способа существенно снижается из-за шумов и нелинейности эксклюзирующих контактов.Способ сложен технологически для измерений в полупроводниках с малой диффузионной длиной, так как создание эксклюзирующих контактов в образце на расстоянии 10-100 мкм является трудно осуществимой задачей. Следует отметить, что кон- . тактная эксклюэия не всегда эффективна,. в частности, в узкозонных материалах и при повышенных температурах, что создает дополнительные сложности.Цель изобретения - повышение точности определения подвижности в полупроводниках с малой диффузионной длиной носителей в области смещанной проводимости и упрощениеспособа,Цель достигается тем, что согласно способу опредедения подвиж"ности неосновных носителей заряда,основанному на приложении к полупроводниковому образцу электрическогополя, обраэецпомещают в магнитное,поле так, что векторное произведение вектора напряженности электри".ческого цоля и вектора индукциимагнитного поля направлено вглубьобразца перпендикулярно его поверхности, регистрируют зависимость отрицательной люминесценции на этойповерхности от величины магнитногополя, находят минимальный сигналотрицательной люминесценции, рассчитывают подвижность неосновных носителей заряда по формулес Унеоен. В ер - подвижность неосновных где рнежнносителей заряда;В, - индукция магнитного поля (соответствующая минимальному сигналу люминесценции);С - скорость света,причем величину. электрического поля выбирают соответствующей линейному участку вольт-амперной характеристики образца в отсутствие магнитного поля.Согласно способу по второму вари-. анту образец помещают в магнитное поле так, что векторное произведение вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля направлено вглубь образца перпендикулярно его поверхности, облучают эту поверхность излучением с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, регистрируют зависимость отражения излучения от величины магнитного поля, находят максимальный сигнал отражения, рассчитывают подвижность неосновных носителей заряда по формулеС,Рнеосн,=где р - подвижность неосновныхГнеоснносителей заряда;В - индукция магнитного поляТ(соответствующая максимальному сигналу отражения);с - скорость света,причем величину электрического поля3 выбирают соответствующей линейномуучастку вольт-амперной характеристики образца в отсутствие магнитногополя.На фиг. 1 представлена схема изме 1 Ь рительной, установки, первый вариант;на фиг. 2 -.то же, второй вариант;на фиг. 3 - кривая, отвечающаяпространственному распределению но- ".сителей заряда в образце; на фиг. 4 -кривая зависимости интенсивностирекомбинационного излучения Р/Рот величины магнитной индукции В;на фиг. 5 - кривая зависимости отраженйого сигнала К/Ко от величины маг 2 Ь нитной индукции В. Йа фиг, 3 и 4обозначены; Р - интенсивность рекомбинационного излучения; Ро - равновесная интенсивность рекомбинационного излучения; К - коэффициентфф отражения; К - коэффициент отражения в отсутствиЕ внешних полей.Схема устройства по первому варианту (фиг. 1) содержит полупроводниковый образец,3, источник 2ЗЬ электрического напряжения, полюсаэлектромагнита 3, систему 4 управления электромагнитом, фокусирующуюсистему 5, Фотоприемник 6, усилитель7, осциллограф 8.Схема устройства по второму варианту (Фиг. 2) содержит полупроводниковый образец. 1, источник 2 электрического напряжения, полюса электро магнита 3, систему 4 управления элек 4 Ь тромагнитом, фотоприемник 6, усили-,.тель 7, осциллограф 8, источник 9излучения.,Изображены также (фиг. 3) уровень4 ф 1 О концентрации равновесно распределенных неосновных носителей заряда 10, уровень 11 концентрации нескомпенсированных примесей, распреде-,ление 12 неосновных носителей зарядафф при ВВ,Сущность предлагаемого способасостоит в следующем.В отсутствие внешних полей изполупроводника выходит равновесныйпоток междузонного излучения Р, величина которого определяется равновесной концентрацией и носителейтокапр:п . При наложении скрещен9 11 бО 4 на; м- эффективная масса носителей заряда 6 " диэлектрическая проницаемость решетки.При наложении скрещенных полей в таком направлении, что дрейф 5 электронно-дырочных пар нронсходит от поверхности, со стороны которой на полупроводник падает излучение, вглубь кристалла, концентрация носителей вблизи этой грани становит ся меньше равновесного значения. Соответствующим образом увеличива-, ется показатель преломления кристалла и его отражательная способность К.В условиях сильного истощения приповерхностной части полупроводника (ф 4 И ) наблюдается максимальаная модуляция величины К, так как при этомыр 7 м-в О. Однако, как и в случае отрицательной люминесценции, на 20 зависимость К от 1. ЕхВ) существенное влияние оказывает величина ВЗдесь также на зависимости К от В при Е сопзй наблюдается экстремум. . Причина этого явления и его обьясве" 2 ние те же, что и в случае первого .варианта предлагаемого способа: па дение подвижности неосновнцх носителей тока с ростом В замедляет отток электронно-дырочных пар от 30 поверхности образца. Поэтому (в области В В 1) по мере увеличения В у этой поверхности остается все больше и больше не поддавшихся поперечному вытягиванию электронночных пар, что сказывается в умеьшении о, и К. Иаксимальное значе-. ние отражения наблюдается при В;-С./Р неоен. Зондирующее излучение, падающее на кристалл, отражается от поверхности образца, а также проникает вглубь полупроводника и претерпевает отражение на градиентах концентрации носителей заряда. Если срав- ф нивать вклад в отраженный сигнал поверхности образца и градиентов концентрации внутри полупроводника, то можно сделать вывод, что вклад последних на 2-3 порядка меньшеЗ 0 по сравнению с поверхностьюЭто легко понять, учитывая, что на границе полупроводника показатель преломления резко меняется от 1 (воздух; о 1) до Ч = 3,5-4 (например, й в ЯВЬ, Се, СЙНяТе и др,). Внутри полупроводника разница в показателях преломления за счет градиента кон 84 10 центрации порядка примерно 0,01,Таким образом, фактор, о которомидет речь, практически не влияетна определяемую величину В , а значитф и Фнаоаю э что позволяет сделать вывод о высокой точности предлагаемого способа определения подвнжности неосновнцх носителей заряда.По предлагаемому способу на образец следует подавать электрическое поле, не превышающее определенного уровня, достаточного для создания в кристалле ударной ионизации, В противном случае процесс ударной ионизации искажает ход зависимости Р или К от В и ведет в конечном счете к ошибкам в измерении уиеосн К таким же последствиям.ведут процессы инжекции носителейиз контактов, которые могут проявиться, если к образцу приложитьбольшое поле Е, Чтобы исключить этиявления, необходимо перед измерением зависимости Р или К от В снятьвольт-амперную характеристику (ВАХ)образца, в результате чего выбрать1 для проведения измерений р поле Е, соответствующее линейному участку этой характеристики. Измерения ВАХ следует проводить при В = О, чтобы исключить возможное появление нелинейности на ВАХ, вызванное наличием магнитного поля,В предлагаемом техническом решении изменение типа проводимости достигается без антизапорнцх контактов и при определении подвижности, неосновных носителей нет необходимости определять межконтактное расстояние 1, которое вследствие неопределенности глубины залегания антиэапорного контакта определяется с точностью до 10 мкм, что при малых диффузионных длинах порядка 1 - 100 мкм дает большую ошибку. Таким образом, устранение этой погрешности повышает точность определения подвижности неосновнцх носителей, примерно, на порядок,Кроме того, измеряются стационарные характеристики в отличие от известного,. где необходимо было определять время установления режима истощения в кристалле 1, которое должно быть меньше времени жизни Г . Для полупроводников с малой диффузионной длиной 1. = 1/Ж ,где Р - коэффициент диффузии неосновных носителей заряда, характерны малые времена жизни Г = 1100 нс. Непосредственное определение длительности столь коротких 5импульсных сигналов связано с большими методическими трудностями иошибка при определении параметра 1может быть сравнима с измеряемойвеличиной:и даже превышать ее. 10Параметр 1 очень сильно можетискажаться паразитными емкостью ииндуктивностью полупроводникового образца и антизапорного контакта, которые невозможно устранить 15и практически очень сложно рассчитать. При этом ошибка определениярастет по мере уменьшения 1, аследовательно, и Ь,Кроме того, на,точность опреде- . 20ления значительное влияние оказывают шумы и нелинейность запорного контакта.Таким образом, устраняя указанныепогрешности определения Г и 1, необходимые для определения Рнеоея,по известному способу, с помощьюпредлагаемого технического решенияможно увеличить точность определения подвижности неосновных носите- З 0,лей заряда на один-два порядка.Кроме того, способ значительноупрощается, поскольку устраняетсятакая сложная технологическая операция, как создание антизапорных35контактов.П р и м е р 1. Образцы выполненыиз р -ХпБЪ .с концентрацией нескомпенсированных акцепторов Ба -Мс 1 =% -3- 10 см . Размеры образца соответственно равны 0,3 0,3.0,01 см . Измерения проводят при Т = 300 К. Собственная концентрация носителей1 Ь -3при этой температуре д = 2 10 смНа образец чистым индием наносятомические контакты. Для наблюдения больших сигналов лкиинесценции или отражения (удобно в,эксперименте) целесообразно на поверхности образца, где не обходимо реализовать обедненный слой, обеспечить скорость поверхностной рекомбинации несколько меньшую, чем на противоположной грани. С этой целью поверхность образца 55 травят в травителе типа СР.Далее при В = 0 снимают ВАХ образца, показавшую, что до 300 В/см1160484 12не наблюдается никаких нелинейностейпроводимости. Поэтому дальнейшие измерения Р, К = Е(Е, Н) проводят при Е = 150 В/см.С помощью держателя образцы устанавливают между полюсами электромагнита, после чего к контактамобразца подают импульсное электрическое поле, что обеспечивает мо- .дуляцию рекомбинационного излучения и исключает перегрев образца.Люминесценция полупроводника фиксируется охлажденным до 77 К фотосопротивлением иэ Се(Ао). Сигнал сФотоприемника усиливается и поступает на осциллограф.Путем регулировки тока питания,.электромагнита находится минимумсигнала отрицательной люминесценции (фиг. 4),после чего по градуировке магнита находят значениемагнитного поля В = 1,7 кГс. Расчеты по формуле р е, = С/В даютзначение реое= б 10" сме/В с.Полученная величина хорошо согласуется с. теоретическими расчетами.П р и м е р 2. Образцы выполнены из р -Со Нд Те с концентрацией нескомпенсированных доноров8 10 . см з. Процедура подготовкиобразца и измерения проводится.по схеме предыдущего примера.В, = 10 кГс, что по формуле (5) .дает значение Рнеосн =.10 сме/В с.Это значение" хорошо совпадает. стеоретическими оценками подвижности в этом соединении.П р и м е р 3. Образцы выполнены из р -ХпЯЬ с концентрацией,нескомпенсированных акцепторовМа - Ис 1 = 10 см з. Размеры образ-.ца 0,3 0,3 ф 0,01 см ф. Измеренияпроводят при Т = 300 К. Собственная концентрация носителей при,этой температуре Н 1 2 10"4 смз.Омические контакты наносят индием, посредством контактов на образец подают импульсное электрическое поле. Обработка поверхности ивыбор электрического поля посредством предварительного измерения ВАХтакие же, как в примере 1. Образецпомещается между полюсами электромагнита, магнитное поле которогоизменяется током питания, Поверхность образца облучают СО,-лазероммощностью 0,5 Вт, отраженный сигнал регистрируется .охлажденным до1160484 1377 К фотосопротнвлением на основе,СЙНЕТе, соединенным с осциллографом,Регулировкой тока питания электромагнита,находитсяминимум сигналаВИ, Соответствующее ему значениеВ составляет 1,7 кГс (фиг. 5). РасМчеты по формуле фноси:= С/В дают;значение фо,= 610 ф см/В с.Как .видно из примеров 1 - 3,по предлагаемому способу возможно 1 Опроведение измерений в импульсномрежиме. При этом величины Р и Кпредставляют разницу между Р -Р (Е,Н)и Н (Е,Н)-К соответственно. Такимобразом реалйзуется хорошо иэвестная дифференциальная методика измерений, значительно повышающая точность результатов. Этот фактор выгодно отличает предлагаемое изобретение от аналогов. 14Предлагаемое техническое решение, сохраняя технико-экономические преи-,. мущества известного способа, обладает следующими преимуществами: измерение подвижности неосновных носителей заряда при неизвестной степени собственности материала и значениях подвижности основных носителей; расширение класса исследуемых материалов в .сторону полупроводников с малой диффузионной длиной; упрощение подготовки образЦа, а сле" довательно, и способа в целом, так как нет необходимости создавать антиэапорные контакты;расширение класса исследуемых материалов в сторону полупроводников с узкой запрещенной зоной, для которых при . высоких температурах невозможно создать неомические контакты.