Способ определения концентрации свободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциалистическикРеспублик(5 )М. Кл. с присоединением заявки ЭЙ -С 01 Р 31/26 Гееудврстееввь 1 й кемитет(23) Приоритет Опубликовано 28. 02. 83. Бюллетень8 Дата опубликования описания 28. 02. 83ве мелам каееретеввй и втерытий(72) Авторы изобретен н Г,М. Ииньков, В,В, Кружаев, О;Э. Рут и т;1 ь,мени -рьког.О.;,Уральский ордена Трудового Крас государственный университет им. го Зн(71) Заявнтел ПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ВЫРОЖДЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ(54 разца, а также невозможность локаль-. ного определения концентрации.Известен также способ определения, концентрации носителей заряда в полу" проводниках, основанный на измерении вольт-фарадных характеристик барьера Шоттки, заключающийся в том, что на участке поверхности полупроводника создают барьер Шоттки, к нему прикла" дывают обратное изменяющееся напряжение и измеряют зависимость емкости барьера от приложенного напряжения, в результате обработки которой по расчетной формуле определяют концентрацию примесей на заданной глубине полупроводника 1 2 1. Недост вляется бусловле соба мере- эффекаузена, мы об" площади ко напряжени ками дифф емкости б 1Изобретение относится к способам контроля параметров полупроводников и может быть использовано для исследования однородности и качества материалов, применяемых в полупроводниковом приборостроении, а также для на 5 учных исследований.Известен способ определения концентрации носителей заряда в полупроводниках, основанный на эффекте Хол 1 О ла, заключающийся в том, что образец полупроводникового материала помещают в ортогональные магнитное и электрическое поля, измеряют проводимость15 образца и холловскую разность потенциалов, по которым с помощью расчетных формул определяют параметры материала1.Недостатками известного спо являются невысокая точность из ний, обусловленная паразитными тами, например эффектом Эттинг зависимость результатов от Фор тком этого способа также еаысокая точность измерени иая неточностью измерений нтакта, величин емкости и на барьере, а также ошиб- ренцирования зависимости рьера от приложенного нап 1 ооо(65ряжения, которое, как правило, производят графически,Применимость метода вольт-фарадных характеристик барьера Шоттки ограничена также и тем, что не для всех полупроводников при изготовлении контакта металл-полупроводник образуется барьер Шоттки, в частности для таких материалов, как и - пА 5, и - РЬТе, имеющих на поверхности обогащенный носи О телями слой.Наиболее близким к предлагаемому является способ определения концентрации свободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках, основан% ный на эффекте Шубникова-де Гааза и заключающийся в том, что помещают образец в магнитное поле, регистрируют осцилляции поперечного магнитосопротивления образца при изменении магнитного поля, изменяют их период по величине, обратной напряженности магнитного поля, и с помощью расчетной формулы определяют параметр.В случае изотропного закона дисперсии концентрации свободных носителей заряда рассчитывают согласно это,у- -, г д,"- о .О ему -(.21 152у (1 С.е - заря,.: электрона,;скорости с:Зета в вакуумепос Гоя(чая Ди(вака ",а l""Г,(пеоиод с( цилляци маг (итосопротвлен(; по ве.п(, ; еОЬратои (-(а;(р.":,; ен(,с;( .:;а-НИТ(-(ОГО Г(ОЛЯ.ГГО: спосоо является энач(Г(е Г(; ноЗЛЕЕ "О (НЫМ, ЧЕЫ УКаэаННЫЕ ВЫ."Ес.и драк ДЯ ОГ 1 РеделениЯ коЦензЦи(:-(аобх - э 1(мо измерять в; его Одну вели=Ч: НУ Г(ЕпИОД Ос(.(Л(д(По Вддффчбрат "(дяже(.(ности маг-(и Гчро(е того. Ос 1 д.,(ествлени:,р -.(1 сд -.Оа не сопутствуют какие либо с";"щес"Гве(-(ные паразитные эффекты, влияющиена период осцилляциЙ3 ,Основным недостатком известногоКСпосооа является то, что он дает усредненное по объему образца знач;-:;,-:(еконцентрации и не может быть использован для Определения 11 окал(ьной р(1 поверхностной концентрации носителей заряда, т.е. не дает возможности измерения концентрационного профиля.Цель изооретения - обеспечение локального спределения концентрации носителей и повышение точности измерений.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу определения концентрации свободных носителей зарядав вырожденных полупроводниках, заключающемуся в том, что помещают образецв магнитное поле, регистрируют осцилляции поперечного магнитосопротивления образца при изменении магнитногополя, измеряют их период по величине,обратной напряженности магнитного поля, и с помощью расчетной формулы определяют параметр, к исследуемому образцу осуществляют туннельный контакти дополнительно измеряют период осцилляций дифференциального магнитосопротивления туннельного контакта при нулевом напряжении смещения на нем.Поскольку в данном случае регистрируются осцилляции дифференциального магнитосопротивления образца с туннельным контактом в магнитном поле,в нем определяется средняя концентрация свободных носителей заряда в малом объеме Ч=5 й, где 5 - площадь"уннельного контакта, Р - длина свобо;ного пробега, т.е, обеспечиваетсявысокая локальность измерений.физическая сущность способа поясняется следующим образом,Диффере;(циальное сопротивление туннельного контакта при постоянном напОяж;:.,ии смещения Ч обратно пропорцио(Гально готности состояний полупроводни в ; при энергии Я .+еЧ ( - энергия7 ер(;, полупроводника, знак смещениясоответствуе знаку потенциала на полупрс водниковом электроде), Если контам. помещают в магнитное поле, во Гости состояний полупроводника;(ояе",.(ася максимумы, связанные суровнями Ландау. Это приводит к воз; икновению осцилляций типа де Гаазаван вульфена в зависимости дифференциального сопротивления от магнитногопо;":я, Осцилляции периодичны по величине, обратной величине напряженнос.:и манитного поля, и при нулевомсмещении на контакте их период определяют квазиимпульс электронов в полупроводнике при энергии, равнойэнергии Фсрми, который в случае изотропного закона дисперсии однозначносвязан с концентрацией носителей заряда в полупроводнике,П р и и е р. Согласно предлагаемому способу определяют концентрациюэлектронов в различных точках обраэ5 10009 ца и - пАзР с х=0,25, Туннельныеконтакты и - пАз,Р - окисел РЬ изготавливают по известной методике, При этом образец и - пАз 1Р послемеханической шлифовки и полировки травят в полирующем травителе и обезгаживают при 120 С в вакууме (2-5)хх 10 ч мм рт. ст. в течение двух часов.Окисление проводят в атмосфере сухогокислорода при давлении 750 мм рт. ст. 10и 120 С в течение 30-40 ч. Свинец наносят термическим распылением черезмаску в вакууме (1-2)10 " мм рт. ст,Туннельный контакт может быть осуществлен с помощью прижимного электрода 1из свинца. В обоих случаях туннельныйконтакт легко удаляется с образца после эксперимента. При изготовлении туннельного контакта образец имел приэтом комнатную температуру. Омические 20контакты к и - пАь х Рх изготавливают вплавлением индия.Во время измерений образец помещают в жидкий гелий в рабочий объемсверхпроводящего соленоида. Осцилляции дифференциального магнитосопротивления измеряют с помощью устройства для исследования малых нелинейностей вольт-амперных характеристик туннельных структур, позволяющего осу- щществлять запись зависимости дифференциального магнитосопротивления от напряженности магнитного поля в диапазоне 0-60 кЭ на двухкоординатном самописце.35Концентрацию свободных носителей определяют в двух точках поверхности образца, отстоящих одна от другой на 3 мм, Исследуемый объем вблизи каждой точки составляет (0,05 .0,05 ).10-") Результаты приведены на чертеже, из которого видно, что периоды осцил ляций для двух кривых существенно от 45 личаются. Кривой 1 соответствует концентрация п=1,08 10 " см З; кривой 2 - 9,0710 " см . Из данных, представленных на чертеже, очевидно, что с помощью предлагаемого метода можно регистрировать и меньшую разницу в30 концентрации электронов, в то время как другие методы уже в приведенном примере не позволяли бы с достоверностью различить концентрации носителей в двух точках образца.По сравнению с методом вольт-фарадных характеристик предлагаемый способ позволяет существенно увеличить точность измерений (примерно в 2-4 раза); в отличие от метода, основанного на эффекте Шубникова-де Гааза, позволяет измерять локальную приповерхностную концентрацию носителей заряда, что является очень важ;,ым в полупроводниковом приборостроении, поскольку именно приповерхностные свойства материалов определяют параметры многих полупроводниковых приборов; кроме того, можно с высокой точностью измерять концентрационные профили в вырожденных эпитаксиальных пленках полупроводниковых материалов и таким образом, улучшить контроль их качества.Формула изобретенияСпособ определения концентрацииЬсвободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках, заключающийся в том, что помещают образец в магнитное поле, ре;истрируют осцилляциипоперечного магнитосопротивления образца при изменении магнитного поляизмеряют их период по величине, обратной напряженности магнитного поля,и с помощью расчетной формулы опреде-.ляют параметр, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью обеспечения локального определения концентрации носителей и повышения точности, к исследуемому образцу осуществляют туннельный контакт и дополнительно измеряютпериод осцилляций дифференциальногомагнитосопротивления туннельного контакта при нулевом напряжении смещенияна нем.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Батавин В. В, Контроль параметров полупроводниковых материалов иэпитаксиальных слоев. И."Советскоерадио"1978 с, 23-27.2. Цидильковский И.И. Электроныи дырки в полупроводниках. И. "Наука", 1972, с. 549 (прототип) .1000945 НхУ Составитель 9. Брызгалов Техред Ж.Кастелевиц Ко ор М. Лемчик Лежнина одписное лиал ППО "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Редактор АЗаказ 144 Тираж 708 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 13035, Москва, Ж, Раушомитета открыт ая наб.