Способ контроля электрофизическихсойств полупровдниковых материалов

Своз Сфввтских Сощиааистичееких РеспубликОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВ 1 ОРСКОМУ СВ ВТИЗЬСТВУ(63) Дополнительное к авт. евмд-ву- (22) Заявлено 07,07,72 (21)1806106/18-25 с присоединением заявки Йо(23) ПриоритетОпубликоввно 230381, Бюллетень Й 9 11 Дате опубликования описания 230381 р)м, кл,6 01 И 31/26 0 01 Н 21/00 Государственный комитет СССР ио дедам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения И.М,Котина, Н.Е.Мазурик, С.Р.Новиков, Ь,Я,Седов и Г.А.шишкина Ленинградский институт ядерной физики им,Б.П.Константинова(54),СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОИСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВИзобретение относится к области контроля электрофиэических свойств полупроводниковых кристаллов и может быть использовано в производстве полупроводниковых материалов и приборовИзвестен способ измерения концентрации неосновных носителей в полупроводниках, заключающийся в измерении зависимости емкости р-и перехода от приложенного к нему напряжения 11).Для осуществления данного способа необходимо изготовить р-и переход в контролируемом материале, а также большое количество измерительной аппаратуры,Известен способ определения концентрации примесных центров в полупроводниковых кристаллах, основанный на нахождении спектрального распределения примесной фотопроводимости 2). Однако он имеет ограниченное применение в связи с низкой чув-. ствительностью, так как позволяет определять примеси лишь в концентрации ве менее 10 -10 смМ 15 3Наиболее близким к предлагаемому является способ определения рекомбинационных постоянных из спектральной характеристики р-и перехода,заключающийся в снятии спектральнойзависимости стационарного тока р-иперехода прн различных значениях обратного смещения 3). Однако такой способ дает возможность получить информацию лишь о концентрации рекомбинационных центров и не может дать никакой информации об энергетическом положении прнмесного центра, поэтому невозможно его использование для анализа примесного состава полупроводникового материала,Цель изобретения - определение концентрации и энергетического положения примесных центров независимо от их расположения в запрещенной зоне полупроводника.Это достигается тем, что обратное смещение устанавливают из условия где К - постоянная Больцмана Т - температура; е - заряд электрона,а освещение производят из спектральной,области с энергией квантов ЕдсИсЬЕр)2где дЕ -оширина запрещенной зоныполупроводника;- постоянная Планка;- частота излучения, после чего по полученным зависимостям и по Формуле)оЛ ЧпЧвз .МТоьр.Все измерения производят в спектральной области примесного поглощения, где реализуются двухступенчатые оптические переходы Свет направляют на область р-Пперехода, причем, с целью увеличения чувствительности способа, направление распространения светового пучка выбирают параллельным плоскости р-иперехода. 60 б 5 где- плотность фототока объемо,ъного заряда;й - толщина слоя объемногозаряда;интенсивность света,"3 п ри- сечения захвата Фотона 20электроном и дыркой, локализованными на примесномцентре,,определяют концентрации примесныхцентров, а их энергетическое положение по порогу ионизации.Способ осуществляется следующимобразом.На исходном материале в зависимости от типа его проводимости создаютасимметричный р -й илий"-Рпереход с,мальми точками утечки,к которому осуществляют омические контакты. Дляуменьшения токов утечки р-П переходохлаждают до низкой температуры,например температуры жидкого азота. 35Кр и переходу прикладывают обратное смещение. Величина обратногосмец 1 ения должна быть такова, чтобына толщине слоя объемного заряда,составляющей 0,9 Д, реализовались 40условия истоцения. При этих условиях рекомбинация носителей в областиобъемного заряда отсутствует и вели"чина Фототока определяется процессомгенерации, Оценки показывают, что необходимая величина обратного смещениядолжна быть определена из соотноше"ния Измеряют зависимость стационарной величины фототока в режиме тока короткого замыкания от энергии кванта возбуждающего света при различных значениях обратного смещения, удовлетворяющего соотношению1 О -Р 0 Разделяют фототок на компонентытока, связанные с ионизацией примесных центров в слое объемного зарядаи ионизацией центров в нейтральныхобластях, Фототок, обусловленный ионизацией примесных центров в слое объемного заряда (Фототок объемного заряда), характеризуется квадратичнойзависимостью от обратного смещения,в то время как величина фототока,обусловленного ионизацией примесныхцентров в нейтральных областях отобратного смеще ия не зависит,При наличии в запрещенной зонеполупроводника нескольких примесныхуровней на спектральной кривой фототока .наблюдают изломы, представляющие собой. изменения наклона, обусловленные фвключениемф очередного примэсного уровня. Энергия кванта,соответствующая началу изменениянаклона на спектральной кривой, определяет энергию ионизации данногопримесного центра, что дает возможность идентифицировать его с тем илииным химическим элементом.Спектральную кривую фототока раскладывают на компоненты, связанныес Фотоионизацией отдельных примесных уровней, при этом для вычисления фототока, обусловленного ионизацией одного из уровней, из полногосигнала при данной энергии квантавычитают сигнал, обусловленный уровнем с меньшей энергией ионизации.Концентрацию примесных центровопределяют по формулеИеханизм создания Фототока объемного заряда отличен от механизма создания диффузионного Фототока и состоит в следующем.Освещение области объемного заряда р-и перехода, содержащего примесные центры, светом из спектральной области примесного поглощения приводит к появлению неравновесных свободных носителей. Фотоионизованные с примесных уровней в слое объемного заряда носители вытягиваются полем р- и перехода в прилежащие нейтральные области, в результате чего во внешней цепи протекает ток. При этом благодаря наличию сильного электрического поля за счет приложенного к609363 Формула изобретения Ч 10 К 6 Е сЬ(ЬЕ,Источники информации,принятые но внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР 9 317607, кл. 6 01 В 31/26, 1971. 2, Рывкин С,М. Фотоэлектрические явлений в полупроводниках, М., 1963,с.241-250. 3, Физика твердого тела, т.2,вып,2, 1960, с.205.Заказ 1652/45 Тираж 732 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д.4/5Филиал ППП фПатент", г.ужгород, ул.Проектная, .4 р-И. переходу напряжения от внешнего источника в слое объемного заряда практически отсутствует рекомбинация носителей, Благодаря этому все возбужденные светом носители создают ток во внешней цепи, и величина тока определяется процессом генерации носителей.Это дает возможность,зная интенсивность светового потока и сечения фотоионизации, определить кон" центрацию примесных центров, обуслав ливающих наличие данного примесного уровня в запрещенной зоне полупроводника, Поскольку толщина слоя объемного заряда р-П перехода зависит от обратного смещения, то и величина фототока, возникающего при иониэа ции примесных центров в слое объемного заряда, зависит от обратного смещения.В зависимости от соотношения между энергией кванта и энергией иониэа ции примесного уровня могут осущест" вляться как одноступенчатые, так и двухступенчатые оптические переходы. Следует отметить, что описываемый эффект в случае двухступенчатых оп- р тических переходов не зависит от заполнения примесных центров, что дает возможность исследовать укаэанным способом все имеющиеся в полупроводнике примесные центры, образующие урон ни н запрещенной зоне.Используя математическую зависимость можно оценить минимальную концентрацию примесных центров, которая может быть обнаружена предлагаемьм способом. Так при 0=50 мкм, 3:==10 квант/см. с, цу 10 см, ц,=, =10 смс и неличные темноного тока 1=10 4 А порог чувствительности по концентрации составит 5 х 10 см. Использование при оценке величины 40 Х,1 д можно считать достаточно типичными.Предлагаемый способ определения наличия и концентрации примесей в запрещенной зоне полупроводника имеет 45 достаточно высокую чунстнительность к наличию в кристаллах примесей, не уступающую чувствительности способа, приведенного в качестве Прототипа, при освещении рперехода светом 5 п из области собственного поглощения. Однако в отличие от последнегочувствительность предлагаемого способа не зависит от расположения примесных уровнейв Способ контроля электрофнэических свойств полупроводниковых материалов, заключающийся в снятии спектральной зависимости стационарного тока р-,ъ перехода при различных значениях обратного смещения, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью определения концентрации примесных центров и их энергетического положения независимо от расположения в запрещенной зоне полупроводника, обратное смещение устанавливают иэ условия где К - постоянная Больцмана;Т - температура;е - заряд электрона,а освещение производят иэ спектральной области с энергией квантов где ЬЕ- ширина запрещенной зоныполупроводника;Ь - постоянная Планка;- частота излучения,после чего по полученным зависимостям и по Формулеод Чп ЧрВ.1 Д 3 (ф сргде 3" плотность фототока объемного,заряда;Й - толщина слоя объемногозаряда;3. " интенсивность света;Ч АРи д " сечения захвата фотонаЙэлектроном и дыркой,локализованными напримесном ценопределяют концентрацию примесныхцентров, а их энергетическое положение определяют по порогу иониэации,