Способ определения состава и количества примесей в неметаллических средах

О П И С А Н И Й857794ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советски кСоциалистическихРеспублик(28) П риормтет по аелаи нзобретеннй н открытнй(О 88,8) а, а опубликования описания 23.08.81 2) Авторы изобретени Годик и А, И. Кузнецов Ордена Трудового Красного Знамени инсти радиотехники и электроники АН СССР(71) Заявитель 54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА И КОЛИЧЕСТВА ПРИМЕСЕЙ В НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СРЕДАХспособам спект. а именно к споеметаллических сревыби ления количествароводникемый пй фотонфицируемой пр Известен способ опреде состава примесей в полуп ющийся в том, что исследу облучают светом с энерги энергии иониэации иденти ах, заклвчаолупроводников, меньшей имеси,Изобретение относится крального анализа вещества,собу анализа примесей в ндах.Известен ряд способов исследования состава примесей в веществе, например абсорбционный спектральный анализ. При абсорбционном спект ральном анализе измеряется спектр оптического поглощения, связанного с оптическим возбуждением примесей в веществе, и по положению и высоте пиков поглощения на шкале длин волн определяют состав и количество при месей в веществе 1.Однако чувствительность этого метода ограничена конкурирующими механизмами поглощения в веществе и, кроме того, для осуществления этого способа необходима специальная фотоприемная система для регистрации прошедшего излучения. при этом температура полупроводника ра ется такой, чтобы вероятность термической ионизации возбужденных уровней исследуемой примеси была значительной (температура в энер гетических единицах должна быть близка к 0,3 - 0,5 разности энергий между энергией красной границы спектра примесной фотопроводимости и энергией, соответствующей данной линии в спектре фототермической ионизацни), а о количестве примесей в полупроводнике и их природе судят по высоте и положению линий в спектре фототермической ионизации.Фототермическая ионизация - это двухступенчатый процесс ионизации примеси: примесь вначале оптически возбуждается, а затем воэ; бужденное состояние термически ионизируется 21,Однако в известном способе измерения мож. но проводить лишь в определенном интервале температур (температура должна быть достаточно высокой для термической ионизации фотовоэбуждениых примесных состояний, но не выше температуры, при которой происходит термическая ионизация основного состояния щимеК где Ео энергия ионизации контролируемой примеси;Еф - энергия фотона, соответствующая наиболее коротковолново.му пику в эталонном для данной примеси спектре диэлектрической проницаемости вещества;К - постоянная Больцмана,причем о составе примесей судят по положению пиков в полученной зависимости, а о количестве примесей - ио высоте этих пиков.При энергиях фотонов М = Е - Ео гдеЕо - энергия основного состояния примеси,Е - энергия возбужденного состояния, примесные центры в исследуемом образце перехо.дят в возбужденное состояние. Стационарнаяконцентрация возбужденных примесных центров Й при этом определяется выражениемЙ Вудс иь Э/ Ьгде 33 ф че- интенсивность излучения;- сечение поглощения фотона;- концентрация нейтральных примесных центров,т - время жизни возбужденного соВстояния.Изменение диэлектрической проницаемости образца, связанное с возбуждением примесных центровМ м 4 ьй (Д где д, де - пояяризуемости соответственновозбужденного и основного состояний примеси,си), что может приводить к термическому уширению линий, ограничивая и разрешающую способность способа, Известный способ связан так-же с регистрацией фотопроводимости, для чеготребуется изготовление высококачественныхомических контактов к исследуемым образцам.Кроме того, описанный способ неприменим кисследованию диэлектриков.Цель изобретения - расширение класса исследуемых веществ, повышение разрешающейспособности и упрощение подготовки исследуемых образцов,Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему охлаждение образца, облучение его монохроматическим светомс изменяющейся во времени энергией фотонов,меньшей энергии ионизации исследуемой при.меси, и измерение зависимости электрическогопараметра образца от энергии фотонов, измеряют зависимость диэлектрической проницаемостиисследуемого образца от энергии фотонов притемпературе образца 577944Поляризуемость примеси д -а, где а - эф.фективный радиус состояния. Так как радиусвозбужденных состояний а превышает радиусосновного состояния щ имеси а, то ири фото.возбуждении существенно увеличивается иоляризуемость примеси Ы,/а(а/ЬУа ), а сле.дователько, и диэлектрическая проницаемостьвещества.Температуру образца Т в процессе измере.ний поддерживают такой, чтобы не происходила термическая ионизация фотовозбуждениыхсостояний (ТсЕо - Еф, где- постояннаяБольцмана) .Таким образом, фотоиндуцированное изменение диэлектрической проницаемости дает возможность регистрировать примеси в веществе.При этом для регистрации возбужденных состо.який примеси нет необходимости в термичес.кой ионизации этих состояний, что позволяетпроводить измерения при сколь угодно низкихтемпературах. Это иск;иочает температурноеуширение линий иримесного поглощения, что,в свою очередь, повышает разрешающую способность способа при анализе примесного соста ва вещества. Поскольку измерение диэлектри.ческой проницаемости образца проводится бес.контактным способом, не требуется изготовления омических контактов, что упрощаеттехнологию приготовления образцов к измерениям. З 0 Так как предлагаемый способ не связан сизмерением проводимости, он применим длявсех веществ, кроме металлов, И металлах несуществуют возбужденные состояния примесейиз-за экранировки электронами проводимости. З 5 Примером практической реализации является определение содержания примеси бора вкремнии. На чертеже показана блок. схема измерительной установки.40Исследуемый образец вырезают в виде параллелепипеда размером 3 х 3 х 0,3 мм ипомещают в измерительный конденсатор, т.е.зажимают между двумя металлическими клас.тинами площадью 3 х 3 мм через слюдяныепрокладки. Измерительный конденсатор с ис.следуемым образцом 1 помещают в гелиевыйкриостат 2 и охлаждают до температуры жидкого гелия (Т = 4,2 К), Образец через германиевое окно 3 в криостате облучают монохрома 50тическим излучением, длина волны которогоизменяется в диапазоне длин волн 28 - 35 мкм,в котором расположены ликии возбужденияпримесных атомов бора в кремнии, В качест.ве источника 4 излучения используют инжек.55ционный полупроводниковый лазер на основетройного соединения РЬЯЯе, перестраиваемый в этом диапазоне длин волн. МощностЬизлучения лазера В -2 ф 10 з Вт,857794 Т 0,1 А Д "с 1 Источники инфпринятые во внима1, Ковтонюк Н, Ф, и рение параметров полуп ров, М., Металлургия",2. Авторское свидете кл. б 01 М 25/58, 1969 ормации,ние при экспертизеКонцевой Ю, А, Иэмероводниковых прибо 1970, с, 148,льство,СССР йф 254869,(прототип) . Излучение лазера модулируют с помощью вращающегося диска 5 с отверстиями и фокусируют на поверхности образца с помощью лин. зы 6 из бромистого калия. Регистрируют фотоиндуцированное изменение дихтектрической проницаемости образца по изменению емкости измерительного конденсатора а,с,с в зависимости от энергии фотонов монохроматического излучения. Измерение ьс/с проводилось методом расстройки резонансного контура, в который 1 О включен исследуемый образец. Напряжение с выхода схемы 7 измерения емкости, пропорциональное Ьс,С, регистрируют селективным усилителем 8 и синхронным детектором 9.Опорный сигнал для синхронного детектирования получают с помощью светодиода 10, излучение которого модулируется тем же диском 5, и приемника 11 опорного сигнала. Сигнал с сннхродетектора (пропорциональный ЬС/С ) регистрируют на самописце 12, гоИзменение диэлектрической проницаемости образца возникает лишь при энергиях фотонов, соответствующих возбуждению примесных ато мов бора в кремнии. Так как каждая примесь имеет свой набор характерных линий возбуж дения, то тип примеси определяют по положению пиков в полученной зависимости измене. ния ьс/с от энергии фотонов возбуждающего излучения. В частности для примеси бора в кремнии наблюдаются пики при энергиях фото нов (азВ): 34,5; 38,4; 39,6; 39,9; 41,5;42,5; 42,8 и 43,3. Количество примеси определяют по высоте пиков в полученной эависимос. ти, Для наиболее сильной линии примеси бора (М -39,6 поВ) в исследуемом образце Ьс/с- з 5Отсюда определяют концентрацию примесий, используя формулу6 Е, .л Я /Ц) и известные для данной примеси значения а.т,: а -10 15 см-з, г 10-7 с, 5 10-и смгПри этоМ для исследуемого образца кремния, ле.гнрованного бором, получают концентрацию при меси й - 3 10 д см . Предельная чувствительАность описанного в данном примере способа регистрации Ьс/с -10", что дает возможностьа обнаружить примесь бора в концентрации 10 - 10 см .50Использование предлагаемого способа опре.деления количества и состава примесей в неме 6таллических средах обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:а) позволяет расширить набор остаточных примесей, которые могут быть обнаружены в полупроводниках, что, в частности, позволит улучшить качество полупроводниковых материалов;б) исключает возможность загрязнения образцов при изготовлении контактов;в) повышает чувствительность и упрощает контроль примесей в диэлектриках. Формула изобретения Способ определения состава и количества примесей в неметаллических средах, включающий охлаждение образца, облучение его моно- хроматическим светом с изменяющейся во времени энергией фотонов, меньшей энергии ионизации исследуембй примеси и измерение зависимости электрического параметра образца от энергии фотонов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения класса исследуемых веществ, повышения разрешающей спо собности и упрощения подготовки исследуемых образцов, измеряют зависимость диэлектрической проницаемости исследуемого образца от энергии фотоновпри температуре образца где Ео - энергия ионизации контролируемойпримеси;Е - энергия фотона, соответствующаянаиболее коротковолновому пикув эталонном для данной примесиспектре диэлектрической проницаемости вещества;1 с - постоянная Больцмана,причем о составе примесей судят по положению пиков в полученной зависимости, а о ко.личестве примесей - по высоте этих пиков,857794 аз 722 ПодписноеР филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. П НИИПИ по делам 13035, М Составитель В. КаминскийТехред Ж. Кастелевич Коррект Тираж 907осударственного комитета ССобретений и открмтнйква, Ж, Раушская наб., д. 4