Способ измерения удельной электрической проводимости полупроводникового материала

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 9) (11 51)5 С 01 М 22/О фСЕУурщ1 ЕО ;, . т;.,;. НИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕЛЬСТВ Н АВТОР утзный ССР ч 8985. ЭЛЕ- ОВОДНИ ме Изобретение измерения элекблас тносится офизическ арак сс материалов,лектрической ников, и монаучных иси опредевых полупроводнироводимости иет быть испольледованиях пр упроводовано в пытаниях ении параметро овых материалоЦелью изобре гся яется повыния апазой эление точнос значений зможнценттрическои пр На фиг, с эт е,мдиапаца симости ин т обратнойазцов карбидристалличес иная ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОРКТРИЧЕСКОИ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУТОРКОВОГО МАТЕРИАЛА(57) Изобретение относится к и ристик полупроводнико в частности удельной и и расширение дизмеряемой удельнооводимости.представлен график заенсивности ЭПР сигналаемпературы для двух оба кремния: для моноого образца (кривая а) тельной технике, Цель изобретенияповышение точности измерений и расширение диапазона измерений. Сущностьюданного способа измерения удельнойэлектрической проводимости полупроводникового материала является возможность сравнения концентрации электроактивной примеси с эталоном концентрации при использовании метода эффективного поверхностного рассеивания вопределенном диапазоне температур исследуемого образца и мощностей СВЧполя. При этом устанавливается однозначная связь между концентрациейуказанной примеси, полученной заданным методом, и удельной электрическойпроводимостью образца при температурах истощения примеси. 2 ил. и порошкового образца (кривая в),на фиг. 2 - для тех же образцов грФик зависимости интенсивности ЭПРсигнала от СВЧ-мощности, кривые сЙ соответственно (зависимости нафиг.2 проведены в двойном логарифмическом масштабе, где степеннаязависимость представлена прямой линией, а показатель степени передаенаклоном этой прямой),Основой способа является во ность корректного сравнения ко рации электроактивной примеси лоном концентрации с исполЬзов метода ЭПР только в определенном зоне гемператур исследуемого обр мощностей СВЧ-поля и установлеоднозначная связь между концентрацией указанной примеси, полученной указанным методом, и удельной электрической проводимостью образца при5 температурах истощения примеси.Исследуемый образец помещается в область пучности магнитного СВЧ-поля резонатора. Такая необходимость связана с тем, что в любом другом месте резонатора присутствует электрическая составляющая СВЧ-поля, которая также поглощается образцом, но это поглощение никак не контролируется, что снижает точность измерений. Кроме того, поглощение электрической составляющей СВЧ-поля гораздо сильнее поглощения магнитной составляющей. Электрическое поглощение может вызвать ионизацию примеси при большой ее концентрации и тем самым сузить диапазон измеряемых значений удельной элетрической проводимости за счет появления скин-эФФекта при больших концентрациях примеси, 25Каждый полупроводниковый материал и даже каждая примесь в этом материале дают площадь под кривой резонансного поглощения, соответствующую концентрации этой примеси, только в. определенном интервале. температуры и СВЧ-мощности, Протяженность этого интервала зависит не только от вида полупровоцника и примеси, но и от концентрации последней, так что перед каждым определением концентрации предварительно необходимо определить область температуры и СВЧ-мощности, в которой возможно по площади под кривой резонанс О .ного поглощения определить концентрацию примеси, Это возможно в тех диапазонах, где одновременно 1 Т и 1Р . При отклонении зависимо(йстей от указанных точность измерения быстро ухудшается, а определение концентрации становится невозможным.Отсюда следует необходимость определения площади под кривой резонансного поглощения при установленных для исследуемого образца температуре и СВЧ-мощности, так как только в этом случае достигается более высокая точность измерения и более широкий диапазон измеряемой удельной электрической проводимости, поскольку только в определенном диапазоне температуры и СЗЧ-мощности существует пропорциональная зависимость междуплощади под зависимостьюрезонансного поглощенияСВЧ-мощности образца иэталона., соответственно,усл.ед.,3,плотность образца, г/сммасса. образца, г,оБРобрЭт температура образца и эталона соответственно, К; мощность СВЧ-поля для образца и эталояа соответственно, Вт,оар,К эт коэффициенты усиления сигналов, снятых с образцаи эталона, соответственно (безразм)число неспаренных электронов эталона; при резонансном (безразм). Число неспаренных электронов в эталоне Ы , на которых происходит резонансное поглощение, определено заранее и является паспортной характеристикой эталона. Остальные коэффициенты указьвают на отношение площадей под кривыми резонансного поглощения и приводят это отношение к единому значеник 1 температуры, мощности и коэффициента усиления при записи за счет учета зависимости сигнала ЭПР от этих параметров. Кроме того, в Формулу входит перевод массы образца в его объем, так как концентрация электроактивной примеси определяется в единице объема, а масса образца малого размера может быть определена гораздо точнее, чем его объем.Определение удельной электрической проводимости проводится по формуле(Т,) = е(нэ - И) Рл(Т,),площадью под кривой резонансного поглощения и концентрацией электроактивной примеси в полупроводниковом материале.Определение концентрации электро- активной примеси необходимо проводить по формулеАоБР 08 ТОБр (Р эт ) эт р ААэт тпоБр Т эт Роьр Ко 8 рУт )где е= 1,6 10- заряд электрона,к ул,Т, - темп ера тура из обла с ти ис тошения примеси, град.О(Т) - подвижность носителей заряда.5Подвижность может быть найдена для любой температуры из области температур истощения примеси либо с помощью расчета, поскольку для нахождения подвижности используются стандартные Формулы и константы, либо из справочников, Подвижности известны с достаточно высокой точностью и умножение на величину подвижности в форму ле (2) не снижает точности.Способ измерения удельной электрической проводимости полупроводникового материала используется для измерения удельной электрической проводимости монокристаллического и порошкообразного карбида кремния, электро;.ктивной примесью в которых являлся азот. Область истощения примеси в карбиде кремния лежит в температурном диапазоне 700-1 200 К (5).Эталоном концентрации служит эталонный образец спектрометра, содержащий М= 2,56 1 0 парамагнитных5частиц, 30П р и м е р 1 . Проводилось измерение удельной электрической проводимости монокристаллического образца карбида кремния политипа 6 Н массой 13,.1, мг (плотность карбида кремния- 3,2 г/см ) Образец был помещен3в резонатор в пучность магнитного СВЧ- поля. Затем образец охлаждался до Т = 15 К и снималась зависимость интенсивности резонансного поглощения от 40температуры (фиг.1, кривая а) причастоте СВЧ-поля Г = 9,39 Гц, мощно сти СВЧ-поля Р = 0,1 мВт, модуляциимагнитного поля на частоте Р1 00 кГц амплитудой 8 = 1 э. Постоянное магнитное поле изменялось вдиапазоне Н = 3380-3430 э. Как видноиз Фиг.1линейный диапазон обратныхтемператур составляет 30-80 К. Далееснималась зависимость интенсивности 50ЭПР-поглошения от мощности Р при температуре Т = 50 К (Фиг.2, кривая с),Из этой зависимости видно, что участок вида 1 - Рлежит в диапазонеР ( 01 мВт. Поэтому для измеренияконцентрации электроактивной примесибыли выбраны значения Т в = 50 К,Рвр = 0,01 мВт. Для определения площади под кривой резонансного поглощения использовалось двойное численное интегрирование сигнала производной 01 ЙН, так как конструкция ЭПР-спектрометра такова, что на его выходе сигнал ЭПР-поглощения появляется в виде производной от интенсивности поглощенияПри усилении ЭПР-спектрометра К = 5 10 площадь под кривойЭрезонансного поглощения составила А в = 6, 6 усл.ед, Спектр ЭПР этаблона регистрировался при комнатной температуре при Рг = 1 мВт. К . = 8 1 О . Площадь под кривой резонансного поглощения составила А= 5,9. Подставляя указанные значения в Формулу (1), получают Ю - БА - 2,0 х х 10" см, Подвижность носителейазаряда в карбиде кремния политипа 6 Н при Т, = 1000 К равна 4(1000 К) =20 см /Вс (7). Отсюда удельная электрическая проводимость материала исследованного образца равна 6 1000 К = 6,3 Омсм П р и м е р 2. Проводилось измерение удельной электрической проводимости порошкообразного карбида кремния со средним размером зерен 630, мкм, используемого в качестве сырья для производства карбидокремниевых электронагревателей. Масса навески ш = 31 6 мг, Образец поме 0 ЬР )щался в резонатор в пучность магнитного СВЧ-поля Параметры регистрации спектра ЭПР; Г = 9,39 ГГц, Р = 0,01 мВт, Н = 3380-3430 э, 8 = 1 э, Р = 100 кГц, Температурная зависимость сигнала ЭПР снималась в диапазоне 1 5-1 ООК. Результаты представлены на Фиг.1, кривая в. Линейный участок зависимости составляет 50-100 К. При температуре Т = 50 К снималась зависимость интенсивности от мощности СВЧ-поляИ (Фиг.2, кривая й) . Зависимость 1 - Р сохраняется при Р0,01 мВт, Отсюда выбраны значения Р р Ох 01 мВт, Т 05 р = 50 К. При у лен и КОБ = 1,бх х 10 площадь под кривой резонансного поглощениЯ составила А бр = 2,5.Обр Спектр ЭПР регистрировался в условиях, аналогичных описанным в предыдущем примере, и А эг = 4,8. Подставив необходимые значения в Формулу (1), получают И 1 -Ь= 1,3 1 О см Используя приведенные значения подвижности (ц(1000 К) = 20 см /Вс, получаем б 1 ОООК = 4,2 Ом смПредлагаемый спосо/ осеспечивает повышение точности и расширение диа- пазона измеряемых значений удельноР электрической проводимости как в сто 5 рону малых, так и в сторону больших проводимостей, поскольку выбор подходящих значений температуры и СЗЧ- мощности для каждого образца позволяет определить область пропорциональности, интегральноР интенсивности и концентрации электроактивной примеси для лкбоР концентрации последней Кроме того, как видно из приведенных примеров, возможно проведение измере ний удельной электрической проводимости по всей области истощения примеси с учетом изменениР подвижности с температурой, что расширяет температурный диапазон измерения искомой величины.РмУла изобретенияСпособ измерения удельной электрической проводимости полупроводникового материала, заключаюшийся в воздействии на размещенный в СВЧ-резонаторе исследуемый образец постояным магнитным полем и СВЧ-полем мощностью Р, охлаждение исследуемого образца до температуры Т возникновения электронного парамагнитного резонанса, регистрации зависимости резонансного поглощения СВЧ-мощности от величины35 постоянного магнитного поля, определение концентрации электроактивной примеси с последующим определением искомой величины о т л и ч а ю щ и й 40 с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, исследуемый образец помещают в пучность магнитного поля СВЧ-реэонатора, величину температуры Т определяют из области линейной зависимости интенсивности резонансного поглощения 1 от обратной температуры 1/Т, величину мощности СВЧ-поля Р//йвыбирают из области 1Р в зависимости интенсивности резонансного поглощения 1 от мощности СВЧ-поля Р, снятой при выбранной температуре Т, а концентрацию электроактивной примеси Б- Н определяют из соотношенияАобу обр ТоБР (Рэт Кэт/2Ы -ЮэтАэ тпр Тэ Р,/, Коргде А А - площади под зависимоОБ 1стью резонансного поглощения СВЧ-мощностиобразца и эталонасоответственно,ш,о - масса и плотность обое фразца,Тою Тэт - температура образца иэталона соответственно,Р ,Р мощность СВЧ поля дляобоЭ/образца и эталона соответственно;К ,К - коэффициент усилениясигналов, снятых с образца и эталонов соответственно,И - число неспаренных электронов эталона при резонансном поглощении,удельную электрическую проводимостьопределяют из соотношения6(Т) = е(ы - ЮА) о(Т,),где Т- температура из облас ти насыщения примеси,Л.Бескид андо акт Подписноебретениям и открытиям при ГКНТ Саушская наб д, 4/5 Тираж 493 твенного комитета по из 113035, Москва, Ж, ственно-издательский комбинат "Патент" Прои Заказ 1443ВНИИПИ Госу Состав Техред огород, ул. Гагарина