Способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника (его варианты)

А СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (11) 4(51) 1 21 бб БРЕТЕНИЯ т Я н двтатснант снсастсанст тъ т(71) Кишиневский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. В.И.Ленина (53) 621.382,(088.8)(56) 1,Авторское свидетельство СССР В 646795, кл. Н 01 1. 21/бб, 1978.2,Абдинов А.Ш. и др. Примесная фотопроводимость в СаБе, индуцированная собственной подсветкой. Физи- ка и техника полупроводников, т.14, в, 1, 1980, с. 164-169 (прототип), (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ И ПОЛОЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ В ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЕ, ПОЛУПРОВОДНИКА (ЕГО ВАРИАНТЫ), (57) 1. Способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение полу проводника и измерение зависимости фотопроводимости волны излучения последующего облучения, о т л и ч.аю щ и й с я тем, что, с целвю повышения чувствительности способа и точности определения ширины запре;щенной зоны и положения энергетичес ких уровней, измеряют зависимости разности между максимальным и стаци топроводимости ующего облучеэнергиях предния 1 и по максией определяют оны полупроводальных энергети-,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ,СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И 01 НРЫТИ ОПИСАНИЕ ИЗ онарным значениями фо от длины волны послед ния при фиксированных варительного возбужде мумам этих зависимос ширину запрещенной зника и положение лок ,ческих уровней в ней 2. Способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение по-; лупроводника и измерение зависимости фотопроводимости от длины волны излучения последующего облучения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности . способа и точности определения шири. ны запрещенной зоны и положения энергетических уровней, полупроводник предварительно возбуждают элекгромагнитным излучением в области примесного и собственного поглощения и измеряют зависимости разности межцу максимальным и стационарным значениями фотопроводимости от длины волны излучения предварительного возбуждения на фиксированных длинах волн последующего облучения и по Максимумам этих зависимостей опрецеляют ширину запрещенной зоны полу.проводникаи положение локальных энергетических уровней в ней.Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запре щенной зоне полупроводника, а также на основании этих данных - природы примесей и дефектов фоточувствительных материалов, например соединений типа АВ, АэВз, Се и 51 с глубокими примесями.Известен способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, вклю чающий облучение полупроводника электромагнитным излучением из области спектра многофотонного поглощения И.Недостатком данного способа явля" ется то, что он предусматривает об лучение материала излучением с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника в 2-3 раза; при этом коэффициент поглощения принимает максимальное значение, в результате чего на точность и чувствительность .способа сильно влияет состояние поверхности. Кроме того, для широкозонных материалов реализация это.го способа вызывает дополнительные 30 трудности, связанные с применением ультрафиолетового излучения. Этот способ требует предварительного измерения времени жизни как основных, так и неосновных носителей заряда, а также удельной теплоемкости, которая неизвестна для новых материалов.Известен также способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в 40 запрещенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение полупроводника и измерение зави.симости фотопроводимости от длины волныизлучения последующего облуче ния, являющийся наиболее близким к описываемому способу и выбранный в качестве прототипа 2.В результате сканирования длины волны электромагнитного излучения, падающего на образец, в направлении от коротких к длинным появляется широкая полоса примесной фотопроводимости, по длинноволновому спаду которой определяют положение энергетического уровня в запрещенной зоне полупроводника. При сканирований длины волны электромагнитного излучения, падающего на образец, в направлении уменьшения длины волны явление индуцированной примесной фото- проводимости не наблюдается.Недостатком данного способа является низкая чувствительность и точность определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, так как широкая полоса индуцированной примесной фото проводимости является результатом наложения в процессе сканирования нескольких элементарных перекрывающихся полос фотопроводимости, а на длинноволновой спад собственной фотопроводимости обычно накладывается примесной фотоэффект. Регистрация стационарного значения фотопроводимости исключает возможность выявления тех энергетических уровней, которые работают в неравновесном состоянии и релаксируют к равновесному но мере установления стационарного значения фотопроводимости. По зависимости фотопроводимости от длины волны электромагнитного излучения последующего облучения нельзя определить энергетическое положение нефоточувствительных центров - некоторых уровней рекомбинации и захвата.Цель изобретения - повышение чувствительности способа и точности определения ширины запрещенной зоны полупроводника и положения локальных энергетических уровней в ней.Поставленная цель достигается тем, что в способе определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включающем предварительное возбуждение полупроводника и измерение зависимости фотопроводимости от длины волны излучения последующего облучечия, измеряют зависимости разности между максимальным и стационарным значениями фотопроводимости от длины волны последующего облучения при фиксированных энергиях предварительного возбуждения и по максимумам этих зависимостей определяют ширину запрещенной зоны полупроводника и положение локальных энергетических уровней в ней.Поставленная цель может быть достигнута также предварительным возбуждением полупроводника электромагнит. ным излучением в области примесного и собственного поглощения и измере нием зависимости разности между мак,симальным и стационарным значениямиюфотопроводимости от длины волны иэлу. чения предварительного возбуждения на фиксированных длинах волн последующего облучения и определением по максимумам этих зависимостей ширины 10 запрещенной зоны полупроводника и положения локальных энергетических уровней в эапреценной зоне полупроводника.На фиг. 1 представлена кривая , . 35 Фотопроводимости полупроводника; на фиг. 2 - кривые спектральной зависимости фотопроводймости: кривая спектральная зависимость продольной фотопроводимости, кривая 2 - зависи мость амплитуды всплеска Д Э при. Л = . = 0,875 мкм от длины волны предварительного освещения, кривая 3 - зависимость В Э на фиксированной длине волны последующего облученич от дли ны волны предварительного возбуждения.Описываемый способ использует явление вспьшечной релаксации фотопроводимости полупроводника электромг- З 0 нитным излучением в области собстч венного и примесного поглощения (фиг. 1). В основе существования вспьппки фотопроводимости независимо от физических механизмов, ее вызывающих, лежит необходимость создания неравновесного состояния на локальных энергетических уровнях, расположенных в запрещенной зоне полупроводника. Последующая релаксация 40 уровней в равновесное состояние приводит к восстановлению стационарного значения Аотопроводимости. Если при. облучении полупроводника излучением определенной длины волны после дли тельной вьдержке в темноте релаксаций фотопроводимости плавно нарастает до стационарного значения, а такое же облучение полупроводника после предварительного возбуждения электромагнитным излучением другой длины волны либо любым другим видом излу-чения, создающим пары неравновесных носителей, приводит к появлению вспьппки фотопроводимости с последу- . 55, ющей релаксацией к прежнему стационарному значению, очевидно,что предварительное возбуждение полупроводника приводитк созданию неравновесного соСтояния на некоторых локальных энергетических уровнях. Количественным критерием этого состояния, на всех прочих равных условиях - полная выдержка предварительного возбуждения до установления квази- равновесного состояния полупроводни. ка; регистрация разности между максимальным и стационарным значениями фотопроводнмости - аЗ только после полной релаксации фотопроводимости к стационарному значению и т.д, - является, очевидно, величина д 3 - разность между максимальным и стационарным значениями фотопроводимости при последующем облучении полупроводника, которая отражает процессы захвата и рекомбинации, происходящие при возвращении предварительно возбужденного - приведенного в неравновесное состояние полупроводника в стационарное состояние. Если некоторые из имеющихся уровней предварительно не были выведены иэ равновесных условий, то при облучении полупроводника онимогут неучаствовать в создании сигнала фотопроводимости - будучи либо нефоточувствительными, либо незаметнь 1 ми на фоне преобладаюцих каналов рекомбинации и захвата на других центрах, которые определяют стационарные процессыфотопроводимости, Предварительнымвозбуждением можно изменять состояние на этих уровнях, что приводит ких проявлению в величине Ь 3 , на это указывает зависимость дЗ отдлины волны предварительного возбуждения при фиксированной длине волны последующего облучения.:Поэтому исследование зависимости от длины волны последующего облучения при фиксированной энергии предварительноговозбуждения и ее зависимости от длины волны предварительного возбуждения при,фиксированной длине волны последующего излучения позволяет увеличить чувствительность способа и точность определения ширины запрещенной зоны и энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника по сравнению с исследованием зависимостей стационарной фотопроводимости от сканирующего электромагнитного излучения из области собственного и примесного поглощения.Пример определения положения локальных уровней энергии в запрещен-. ной зоне и ширины запрещенной зоны материала 2 пБе, специального нелеги.рованного, с темновым удельным сопро тивлением10" Ом ем, с индиевыми омическими контактами. Измерения дроводят при комнатной температуре и постоянном напряжении на образцеЧ5 В. Сначала измеряют спектраль 10 ную зависимость продольной Фотопроводимости (Фиг. 2, кривая ,1), Наспектре Фотопроводимости наблюдают максимумы при длинах волн 0,45; 0,51;0,925 мкм и слабо заметные особенности при 0,62 и 0,875 мкм Экспериментально определяют, что релаксационная кривая Фотопроводимости при возбуждении светом, в частнОсти, с длиной волны 0,875 мкм имеет Форму О всплеска (Фиг. 1), амплитуда которого й 3 - разность между максимальным и стационарным значениями Фотопроводимости зависит.от длины волны предварительного освещения образца, Измеряют зависимость амплиту" ды всплеска при В0,875 мкм от длины волны предварительного освещения (Фиг. 2, кривая 2). Для этого образец ЕпЯе, выдержанный в темноте, ЗО предварительно освещают монохроматическим светом из области Фоточувствительности. Когда Фотопроводимость достигает стационарного значения,свет выключают и включают освещение З 5с длиной волны 0,875 мкм, при этомрегистрируя величину амплитудывсплеска. При следующем измерениименяют длину волны предварительногоосвещения, оставляя неизменной длину волны последующего облучения.Измеряют также спектральную зависимость ЬЭ при Фиксированной длиневолны предварительного освещения0,45 мкм, соответствующей максимуму 45собственного поглощения (Фиг. 2,кривая 3). Для этого, предварительно освещая образец, выдержанный втемноте, светом с длиной волны0,45 мкм, при последующем освещении 50образца монохроматическим светом изобласти Фоточувствительности, регист.рируют величину амплитуды всплеска. ":Сравнивают кривые 2 и 1 Фиг. 2. Коротковолновые максимумы на спектрах у фотопроводимости, соответствующие области собственного поглощения селе- нида цинка, на кривых 1 и 2 совпадают. йюрина запрещенной зоны, определенная по этим максимумам, составляет 2,6 эВ. В области примесной Фото- проводимости на кривой 2 (Фиг. 2) наблюдается несколько минимумов, в отличие от кривой 1 (Фиг,2) . Эти максимумы являются элементарными полосамн Фотопроводимости, которые, перекрываясь, дают широкую сглаженную примесную полосу в спектре Фото" проводимости на кривой 1 (Фиг. 2), Этим максимумам, расположенным при длинах волн 0,515; 0,58; 0,64; 0,75;0,79; 0,85; 0,9251 0,975 мкм соответствуют локальные уровни энергии 2,4; 2,14; 1,94; 1,65; 1,57; 1,46;1,34; 1,27 эВ от дна зоны проводимости соответственно, Кривая 3 (Фиг, 2) выделяет только один локальный уровень энергии на расстоянии О,б эВ от потолка валентной зоны.Предлагаемый способ определения локальнык уровней энергии эФФективен для исследования полупроводниковых материалов. Данный способ по сравнению со спектром Фотопроводимости позволяет выявить большее количество"1 локальных уровней, На спектральных зависимостях Ь Э проявляются дополнительные относительно спектров Фото- проводимости максимумы, а его особенности более резко выражены на спектральных зависимостях йЗ , что,уве- . личивает чувствительность и точность данного метода. В полупроводнике всегда присугствуют неконтролируемые примеси и деФекты кристаллической структуры, .за счет которых в спект- рах Фотопроводимостй размывется длинноволновой спад собственной Фото- проводимости или даже возникает широкая полоса примесной Фотопроводимости. Данный способ может использоваться в технологии изготовления Фоточувствительных полупроводниковых материалов для контроля чистоты полупроводника и состава примеси, а также в научных целях для определения параметров полупроводника, для исследова ния процессов захвата и рекомбинации и для определения природы приме,сей.1086999 С.Титова Техред О.Иеце Корректор М,Максимишинец Реда каз 154/4 ал ППП ент", г.ужгород, ул,Проектна Тираж 679ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и о 13035, Москва, Ж, Рауис Подписноемитета СССРкрытийая наб., д,4/5