Способ определения коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках

, 801028204 А сЮ Н 01 1 21 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН пар, и интенсивность эонднруюо инфракрасного излучения; проего и отраженного от пластинымомент достижения максимального ,значения интенсивности света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, при двух или более значейиях его интенсивности, а коэффициент биполярной диффузии неравновесных носителей заряда вычисляют по формуле ныхщег.шедшв л. Р 48В.К. Малютенкогпроводников АН тво СССР 1976.Свойя свето- решеский фи, 1979,Э 3- -о Кияг ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт полуукраинской ССР(56) 1. Авторское свидетельР 620918, кл, С 01 В 31/26,2. Вайткус Ю.г Ярашюнасства и возможности применениндуцированных дифракционныхток в полупроводниках. Литозический сборник, т. Х 1 Х, Вс. 25 (прототип).(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА БИПОЛЯРНОЙ ДИФФУЗИИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, основанный на освещениипластины из полупроводникового материала зондирующим инфракраснымизлучением, а также импульсами света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, измерении интенсивности зондирующего инфракрасногоизлучения, прошедшего через пластину, и вычислении коэффициента бипо"лярной диффузии неравновесных носителей заряда, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышенияточности, снижения трудоемкости ирасширения функциональных возможностей путем обеспечения определения коэффициента биполярной диффузии при нелинейных механизмах рекомбинации неравновесных носителейзаряда, длительность импульсовсвета, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, устанавливаютбольше времени жизни неравновесныхносителей заряда, дополнительноизмеряют интенсивность света, вызы-,вающего генерацию электронно-дыроч 1 -- относительные коэффи",2циенты пропусканияи отражения при большей интенсивностисвета, вызывающегогенерацию электроннодырочных пар;то же при меньшейинтенсивности светаЭ 1 г ВЫЗЫВаЮЩЕГО ГЕнерацию электроннодырочных пар сечение поглощениязондирующего инфракраного излучения в материале пластиныгпоказатель преломленматериала пластины;- частота зондирующегоинфракрасного излученэфФективная масса и зряд электрона.Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения коэффициента диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниковых материалах, используемых для изготовления полупроводниковых приборов.Известен способ определения коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках 11, основанный на создании и - и -перехода в образце, помещении Ьбразца в СВЧ-поЛе, измерении термоэдс горячих носителей заряда, измерении коэффициента диффузии носителей заряда в слабом электрическом поле, определении высоты потенциального барьера Р -и -перехода и получении коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда расчетным путем.Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках Г 25 основанный на освещении пластины из полупроводникового материала зондирующим инфракрасным излучением, а также импульсами света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, измерении интенсивности зондирующего инфракрасного излучения, прошедшего через пластину, и вычислении коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда.Недостатками этого способа являются низкая точность и большая трудоемкость, а также непригодность для определения коэффициента биполярной диффузии при нелинейных механизмах рекомбинации неравновесных носителей заряда.Целью изобретения является повышение точности, снижение трудоемкос. ти и расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения определения коэффициента биполярной диффузии при нелинейных механизмах рекомбинации неравновесных носителей заряда.Поставленная цель достигается тем, что по способу определения коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках, основанному на освещении пластины из полупроводникового материала зондирующим инФракрасным излучением, а также импульсами света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, измерении интенсивности зондирующего инфракрасного излучения, прошедшего через пластину, и вычислении коэффициента биполярной диффузии неравновесных носителей заряда, длительность импульсов света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар, устанавли 156 о 20 дтг 2ге 3. сечение поглощения зондирующего инфракрасного излучения в 40 материале пластины,показатель преломления материала пласти ны(о - частота зондирующего 45 инфракрасного излучения;щ - эффективная масса изаряд электрона.На фиг. 1 представлена схемаустановки .дпя реализации данного способа, установка содержит полупроводниковую пластинку 1, источник возбуждающего излучения 2, источник зондирующего ИК-излучения 3, фото- приемник 4 для регистрации возбуждающего излучение и фотоприемники 5, б для регистрации зондирующего излучения и осциллограф 7.На фиг. 2 приведены экспериментально полученные зависимости отно ситЕльного пропускания 47 (д); отражения (Ь 1,: на фиг. 3 - зави 4 Р тсимость коэффициента биполярной диффузии 2 от уровня возбуждения.Способ позволяет повысить точ ность измерения коэффициента биповают больше времени жизни неравновес ных носителей заряда, дополнительно измеряют интенсивность света, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар и интенсивность зондируютщего инфракрасного излучения, прошедшего и отраженного от пластины в момент достижения максимального значения интенсивности света, вызывающего генерацию электронно-дыроч.ных пар при двух или более значениях его интенсивности, а коэффициент биполярной диффузии неравновесных носи телей заряда вычисляют по формуле 47 47 И 4 ат - +К, аг где в ; в- относительные коэффициенты пропускания и отражения при боль . шей интенсивности 5 света, вызывающего генерацию электронно дд дырочных пар - то же при меньшей интенсивности света 30 вызывающего генерацию электронно-дырочных парф(5) лярной диффузии благодаря контрОлю интенсивности возбуждающего и зондирующего излучений в каждом импульсе возбуждающего света. Это позволяет устранить влияние известной нестабильности лазерных источников.Сущность способа состоит в следующем.Если полупроводниковую диффузионно-толстую пластину /3Ь,о / освещать светом из области собствен; ного поглощения, то распределение электронно-дырочных пар в объеме описывается уравнением диффузииЭ1= (и) (1)д дп с граничными условиями на плоскости Х= 0опоГ(оО) аЯфО)ПО= с (2) где Э:)Э, (4-Ро) - интенсивность возбуждения;Ро - коэффициент отражения возбуждающегоизлучения;и - концентрация носителя;квантовый выход;5(в )- скорость поверхностной рекомбинации.Уравнение (1 ) допускает решение в квадратурах при произвольных зависимостях г, й, 5 от п .После первого интегрирования по- лучим ф 1( ) 2 г(о) (п)до ., (3) О Полное число носителей будемискать в виде о оподставляя уравнения (3 ) в (4), на- ходим оВ случае малой скорости поверхностной рекомбинации, когда вторым членом в уравнении (2 ) можно пренебречь (такая ситуация, как правило, реализуется при высокиХ концентрациях неравновесных носителей заря-. да /ННЗ ) вблизи травленной поверхности ), находим Э: 2 гР(п)ал. (Ч о Производная Формулы, (5 ) по по ЗМ "о )("о)аь ло Ю(7)г 2(НВпо подставляя уравнение (б) в уравнение (7 ) и решая уравнение ( 7 ) относительно Д(о), имеем следующее соотношение: ( ): д . (8) 3 айоПри двух значениях интенсивностиЭ в уравнении (8) можно представить 15 в виде( Э(п,)= . (9)о ло о -о )где М,по - полное число и приповерх ностная концентрация ННЗ при меньшей интенсивности возбуждения; М 21 по 2- то же при большей интенсивности возбуждения, 3Установим теперь связь величин полного числа й й поверхностной концентрации по, входящих в уравнение (9 ), с измеряеьывж. на опыте отнотсительным измените ем пропускания ЗО. ) и отражения ЬПропускание среды при прохождении электромагнитной волны через ,возбужденную полупроводниковую пластинку можно записать в виде 35 1)г фо1+ о+г где То - пропускание невозбужденной пластины; 4( 9,2 - показатель преломления на невозбужденной грани кри сталла) бо" сечение поглощения ИК-излучения свободными носителями заряда; 4 с- изменение показателя преломления на грани, освещае мой возбуждающим светом. Можно показать, что 50 я (11) Тогда при условии бойотносительное изменение пропускания пластиныможно записать в следующем виде:И 2Решая уравнение (12 ) относительноц й, имеем йТ, )2 ") Й 65 26 1 4 РДля нахождения поверхностной концентрации и воспользуемся выражениемвР г( ")"о- й87 е 5 при условии ").3 ,4 где )-с - длина диффузии,ао Чг Ьгг-(щг"ф по= р г ( 15)Ф ВМЕ подставляя выражения (13) и (14) в выражение (9 ), получим окончательно И дт . д) Д)20 где (,-" . , ,(,.)",г г. лег25При определении коэффициента бипо лярной диффузии данным способом нет необходимости в измерении объемного времени жизни ь, что в случае узкоэонных материалов избавляет от необходимости применения аппаратуры с высоким временным разрешением дЕ "(сУ (времени жизни ) и позволяет измерять Д с большой точностью в ус ловиях нелинейных механизмов рекомбинации при большом уровне возбуждения, когда релаксация фотоответа характеризуется набором мгновенных времен жизни н не описывается одной экспонентой. Кроме того, способ 40 бесконтактный и относительно прост в технической реализации.П р и м е р 1, Данным способом оценивалась величина коэффициента биполярной диффузии, принимавшая ся при расчете концентрационной зависимости от уровня возбуждения по данным фотопроводимости Р35 см г сек . Значения Д , полученные предлагаемым способом, в теллуре составляют Р = 37 смг сек 39,8+1 см сек ", 42+1 см г секпри интенсивностях возбуждения7 = 110 гг см гсек "; 1 10 гэсм г Сек "и 1 10 гфсм 2 сек " соответственно,Несколько большая величина П и наблюдаемый слабый рост 3 с интенсивностью возбуждения обусловлен влиянием вырождения электронно-дырочнойплазмы.П р и м е р 2, Данный способ использовался при измерении коэффициента биполярной диффузии ННЗ в коисталлах ЭгэЬ,М-Ма = 1,б10 смприкомнатной температуре, Образец изготовлен в виде пластины,возбуждаемая грань которой сначала полировалась, затем обрабатывалась стандартным травителем СРА, а другаягрань во избежание интерференционныхэффектов шлифовалась абразивным порошком Уз,5 мкм. Экспериментальныезависимости,относительного пропускания ф - (кривая а) и отражения -Т дй(кривая Ъ) показаны на фиг. 2. ПоТгрешностьпри измерении обусловлена,. главным образом, ошибкой присчитывании амплитуды сигнала и былане хуже 5%. Точность измерения можетбыть повышена при использовании цифровых импульсных приборов.На фиг. 3 представлена зависимость коэффициента биполярной диффу"зии Р от уровня возбуждения, Росткоэффициента иллюстрирует расширениеобласти плазмы, обусловленное вырождением электронного газа и увлечением менее подвижных дырок. болееподвижными электронами.Способ, сохраняя технико-экономические преимущества способа-прото.типа, обладает рядом следующих:повышение качества контроляи/ п материалов, испольэукщихся вприборах, работающих в условиях высоких плотностей тока (и/п лазеры,тиристоры, ь / переключателиит. и,),снижение экономических затратпри контроле широкого класса и /иматериалов как на оборудование, таки на времени, необходимом дляизмерений.1028204 у-г 37 г у,дчюг гг иг. Составитель Л. СМирновРедактор Л. Утехина Техред Т.фанта Корректор Л. Патай 703 ного ко ний и о Раушск исн е те рЫ наб., д. лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Заказ 10573/9 Тираж ВНИИПИ Государстве по делам изобрет 113035, Москва, Ж