Способ определения параметров полупроводника

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22 Заявлено 280377 (21) 2471431/18-25 Сфез Советских Социалистических Республик(51)М. К .2 с присоедммемием заявки Йо Н 01 1 21/66 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(088. 8) Опубликовано 150879.Бюллетень йо 30 Дата опубликования опмсамия 150879(72) Авторы изобретения Ю, В. Воробьев и Н. Г. Фомин 71) ЗЕ Киевский ордена Ленина государственный университет(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАИЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКА Изобретение относится к полупроводниковой технике и можетбыть использовано для определения ширины запрещенной зоны, локальных уровней энергии, а также на основании этих данных состава материала, например СИЯ Бе, , СЙНд, Те и др.Известей способ определения параметров полупроводника по красной границе собственнсй и примес" ной фотопроводимости или оптического поглощения 1).Однако при отсутствии предварительных сведений с зонной структуры точность этого способа невелика ввиду неоднозначности и нелинейности зависимости коэффициента поглощенияоСот энергии облучающих полупроводник квантов света п вблизи красной границы. Кроме того этот споссб не дает возможности определить термодинами" чески равновесные значения парамет" ров: так называемую оптическую ширк"2 ну запрещенной эоны и оптическую энергию ионизации локального уровня, принципиально отличающиеся от соответствующих равновесных термических) параметров. Известен также способ определения параметров полупроводника, например ширины запрещенной зоны и локальных уровней энергии в запре- щенной зоне, включающуй облучение материала полупроводника электромаг-, нитным излучением с энергией кван" тов, превышающей ширину запрещеннои эоны 2). В этом случае для определения параметров используются особенности процесса релаксации энергии созданных светом носителей заряда, а именно процессы вонизации валентных электронов и связанныес ними изломы в спектре внутреннего Фсто" эфФекта. Этот способ позволяет выбрать наиболее удобную для эксперимента спектральную область неэависимс ст ширины запрещенной эоны, однако не устраняет указанных вьюе затруднений. Используемая в нем спектральная зависимость также неод" нозначна и равновесные параметры с его помощью определить нельзя.Цель изобретения - нахождение термодинамически равновесных значений параметров й повышение точности определения параметров.3 6Это достигается тем; что йолупроводник облучают одиночными импульсамн электромагнитного излучения длительностью большей, чем время релаксации энергии носителей заряда,ко меньшей, чем время жизни последних, и по повьаению температуры по "лупрбводкика за время импульса определяют ширину эапрещекной зоны н положение локальных уровней энергии взапрещенной зоне. Повышение температуры образца полупроводника измеряютвначале при облучения его импульсом, сэнергией; кванта Ь 9, и количеством квантов й затем измеряютповышение температуры образцаприоблучении его импульсом с энергией "-кванта И и количеством квантов ЮПолученнйе результаты представляютв виде двух точек в системе координат дТ/й, ИУ, и по величине отрезка, " отсекаемого на ос Ь 4 прямой линией;проведенной через полученные точки,определяют параметры полупроводни ка".Повышение температуры образца полупроводника за время импульса дТ.пропорционально тепловой энергии Мвыделяемой при термализацки (понижении энергии до средней, соответствующей данной температуре - 1,5 кТв невырожденном полупроводнйке) нбезызлучательном захвате на локальные уровни свободных электронов идырок, созданных светом с .энергиейкванта Ь 4 большей, чем ширина запрещенной зоны Ь . Эта энергиясвязана с опредеЛяеьевин параметрамипроОтым линейным соотношением,Облучение-Образца полупроводника .импульсомсвета с МЕ и длительностью 1 , превьвающей время релаксации энергии (Фв 10с), номеньшей,"чемвремя"жизни" носителейзаряда (обонх типов при определенииЕ, и одного из двух при определенййположения локальных уровней),и измерение дТ,позволяет найти величину Я.Связь между величиной Я (дТ ) иопределяеьыми параметрами: термической шириной запрещенной зоны Б иэнергетическим положением локальных уровкей ,энергии по отношению ктой из разрешенных;- зон, в которойносители заряда имеют большее времяжизни ( Й )Время жизни носителейв зонахобозначено Ф и й , пусть ,с С.При определении%( длительностьимпульса должна удовлетворять усло-вию Г с Сц сс Ч.. Тогдаэа время импульса в образце"вь 1="деляется только термализационнаяэнергия:4-М-ЕКт).ОтсйДЭ 46795При определении Ед должно быть выполнено соотношение Т ( 1 сФ, .ЦВ образце за время Сц выделяется термализационная энергия и энергия безызлучательного захвата короткожнвущнх носителей, т. е. вся энер" .гня импульса за вычетом М (Е +1,5 Ю) энергии захвата долгоживущих носителей, выделяемой после импульса(4 Я 9-3-1,5 КТ)1:01 Отсюдал ф-,бкт. (2) Связь между Я и дТ определяется соотношением Я садТ где С- тепло- емкость, а ш - масса той части образца, где выделяется тепловая энергия, Для удобства измерений можно взять образец в виде тонкой плоскопараллельной пластинки н измег 0 рять среднееповышение температурыосвещаемой части пластинки дТТогдаЯ= сеьТ, (3)т,.где е - масса освещаемой части пласг 5 , ,,(плотность,д - толщина пластинки,Я - площадь светового пятна.30 дт д ГьТ(х)сйх "оИзмерив дТ с помощью (3) на"ходят Я , а затем в зависимостиот соотношения между , иопределяют, либо Е по формуле (1),либо Е по Формуле (2).Для обеспечения достаточно высокой чувствительности при измерении импульсного повышения темпе"ратуры, можно использоватьтемпера"40 турную зависимость спектра какойлибо оптической характеристики образца, например поглощения, страже"ння и люминесценции. Если образецимеет Форму тонкой плоскопараллельной пластинки, достаточно измеритьспектральный сдвиг края пропуска.ния образца. Поскольку изменениекоэфФициента поглощения образца е((до- ) прямо пропорционально дТ , аьФ. при измерении пропускання пластин, ки усреуяется так же, как.н дТ(ьо = дьоф) д х ), измеряемый наопыте сдвиг края пропускання про-порционален среднему повыаенню тем-пературы освещенной части образца.Необходимый для определения такимметодом температурный коэфФициентсдвига краясовйадает с температурнык коэффицйейтомизмейения ширинызапрещенной эоны и для большинства60 пблупроводников известен.Благодаря линейной зависимостимеждудТ,Ы йизмеряемым",.энергетическим параметрам полупровадникаЯи Е существенно упрощаются измере 65 ноя и вЫФйжения и повьЫается нхточность. Так облучая полупроводник5последовательно двумя импульсамиодинаковой длительности, но разнойэнергии квантовЬЯ измеряемсоответствующие повышения темпеРатуРЬТ,ьТ, пропорциональные энергиям Ц 1 и Ц . Представляярезультаты измеренйй в виде двух5точек в системе координат ьТ/К, Ьи проводя прямую.линию через этиточки, находим 1 (точка пересечения упомянутой прямой с осью энергии), откуда непосредственно полу-" 10чаемЕ , еслисСц ск из Формулы (1). Учитывая, что лд соответствует 0:О, имеем Е= И 1, -5 Т,Е, при Ф, с й,сй, если Ьд, соответствует Ц =О, находим иэ формулы 15(2) Е=Ьд -1,51 ТВ этом случае для определенияпараметров полупроводника не нужно производить абсолютныс измерений,достаточно измерить дТ с точностьюдо постоянного множителя: величинаэтого множителя не влияет на значе-ние Ю . Величина поглощенных квантов может быть измерена по Фотопроводимости, здесь также достаточно определить К и )(2 с точностьюдо постоянного множителя. Так например для определения ширины запрещенной зоны по термалиэационному нагреву пластинку кремния толщиной д :310см освещают импулььсом света длительностью 1 э 3 10 с, площадь светового пятнаб= й 410см. Так как ,к а 10 с, выполняется условие Т с сйнеобходимое для опредепейия ХКоличество поглощенных квантов. й 710 , средняя эчергия кванта Ы :Ь2,6 эВ. Край оптического пропус,кания, измеренный с использовани ем тех же импульсов света, смещен в длинноволновую область на 3 10 е эВ, что при температурном коэффициенте Х д 410 4 эВ/град дает среднее повышение температуры ьТ7,5 а45 Используя соотношения Ч= СщсТ,. т =рбмк при се 0,181 кал/г гРад и- р: 2,33 г/смэ имеем Я =1,5910 Дж, О/М: 2,3 10-Дж в 1,43 эВ. Далее формула изобретения 1. Способ определения параметров полупроводника, аапример ширины запрещенной эоай иклокальнйх уровней энергии в запрещенной зоне, включакщий облучение материала полупроводника электромагнитнъакизлучением с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной эоны, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью нахождения термодинамически равновесных значений параметров, полупроводник облучают одиночньии импульсами электромагнитного излучения длительностью большей, чем время релаксации энергии носителей заряда, но меньшей, чем время последних, и по повышению температуры полупроводника за время импульса определяют ширину запрещенной зоны и положение локальных уровней энергии в запрещенной зоне.2, Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем , что, с целью повышения точности определения параметров, повышение температуры дТ образца полупроводника измеряют вначале при облучении его импульсом с энергией кванта Ы и количеством квантов М 1 , затем измеряют повы-. шение темйературы образца.при облучении его импульсом с энергией квантаИ 4 и количеством квантов К 2 полученные результаты представляют в виде двух точек в системе координат ьТ(К, Ь 4 и по величине отрезка, отсекаемого наоси )упрямой линией, проведенной через полученные точки, определяют параметры полупроводника.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Ковтошок И. ф, Концевой Ю.А. Измерения параметров полупроводниковых материалов, М Металлургияф, 1970, с. 402-405.2. Авторское свидетельство СССР Ф 405057, кл, Я Б 21/00, 1974.Составитель В. ЗайцевРедактор т. Колодаеаа техде З.фанта Ко аккор О: БилакЗаказ 4817/60 Тираж 923 Подписное. ЦНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035 Москва ЖРа ская наб. , 4 5филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4