Способ определения диффузионной длины неравновесных носителей заряда

(51) 5 Н 01 Ь 21 бб Щ(н ,)(рцдЕ). т, ,; ЬИЛ 4а. - .= - фЩФ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Колштет Российской Федерациц по патентам н топарным знакам(71) Ленинградский государственный техническийуниверситет(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ ДЛИНЫ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙЗАРЯДА(57) Изобпетение относится к исследованию материалов с помощью оптических средств и предназначен дпя метрики попупроводников. Сущность изобретения в образце, освещаемом модупируемым активным излучением, создают постоянное магнитное поле, иерпендикупярное рабочей грани образца На этой грани формируют световое пятно, Вдопь границы пятна возникает замкнутый фото- электромагнитный ток Его считывают с помощью индукционного эпемента связи и по величине ЭДС в индукционном элементе связи судят о диффузионной длине ННЗ. 2 ип.(1)- коэффициент амбиполярной диффу зии;г - время жителей заряда;Ол и Ор коэфтронов и дырок;пп и Ор и неравновесных носинты диффузии элекэлектронный и дырочныйоп ро вод ность пол уп роводвклады в электрника,Известны различные способы определения диффузионной длины, в том числе оптические, Наиболее широкое применение З 0распространения получили зондовые методы, когда в полупроводнике создают стационарное распределение неравновесныхносителей заряда (ННЗ) и исследуют егохарактер с помощью какого-либо зонда, а похарактеру распределения судят о диффузионной длине, Такие методы, однако, непригодны при диффузионных длинах менее 0,1 мм,Более широкие пределы применимостиимеет метод. основанный на фотоэлектромагнитном (ФЭМ) эффекте, принятые намиза прототип. Согласно этому методу одну изграней образца освещают модулированнымпучком активного (т.е, возбуждающего Н НЗ)излучения, в образце создают постоянное 45магнитное поле параллельно рабочей (освещаемой) поверхности образца. При этом внаправлении, перпендикулярном магнитному полю и световому пучку, в образе возникает переменная ЭДС (с частотой, равной 50частоте модуляции излучения). Для регистрации этой ЭДС к образцу изготавливают дваэлектрода. По величине регистрируемой ЭДСсудят о значении диффузионной длины, Дляобразцов с хорошей поверхностью (с малой 55скоростью поверхностной рекомбинации)связь между величиной ЭДС (/) и диффузионной длинойустанавливают следующеесоотношение: Изобретение относится к исследованию материалов с помощью оптических средств, конкретно - к метрике неравновесных носителей заряда в полупроводниках, 5Диффузионная длина неравновесных носителей заряда (в дальнейшем просто "диффузионная длина") является важным параметром материала и определяет работу многих полупроводниковых приборов (дио ды, транзисторы, фотоприемники и др), В общем случае диффузионная длина определяется свойствами как электронов, так и дырок:15где В- скорость поверхностной генерации неравновесных носителей заряда светом интенсивности;рп, рр - подвижности электронов и дырок;е - заряда электрона;р - удельное сопротивление;В - индукция магнитного поля;б - толщина образца (в направлении светового пучка).- расстояние между контактами;Ь - ширина образца;с - скорость света,Этбт способ позволяет уверенно производить измерения диффузионной длины в толстых образцах, для которых б 2 , и в соответствии с(2) величина ЭДС прямо пропорциональна61 - Вр - в (приб 2 Ц (3) с Ь б В тонких же образцах, например таксиальных пленках, данный спосо зволяет измерить диффузную поскольку при б 2величина ЭД электромагнитного эффекта переста сеть отв эпине полину, фотот зави= сф --- с- В р - щ сов с(1.)риб 2) Цель изобретения - обеспечение воэможности контроля тонких пленок.Эта цель достигается тем, что в известном способе измерения диффузионной длины неравновесных носителей заряда в полупроводниках, включающем освещение одной иэ граней полупроводникового образца модулированным пучком активного излучения и создание в образце постоянного магнитного поля, постоянное магнитное поле ориентируют перпендикулярно рабочей поверхности образу, на этой поверхности формируют световое пятно с замкнутой в ее пределах границей, вблизи рабочей поверхности располагают индукционный элемент связи, регистрируют ЭДС, возникающую в индукционном элементе связи на частоте модуляции излучения, и по величине регистрируемой ЭДС судят о эна 200146650 55 чении диффузионной длины неравновесныхносителей заряда.На фиг,1 схематически показана конфигурация опыта по измерению диффузионной длины предложенным способом; нафиг,2 приведен график функции, используемой при определении диффузионной длиныпо величине регистрируемой ЭДС.В изобретении впервые предлагаетсябесконтактный способ измерения диффузионной длины, основанный на ФЭМ-эффекта. В отличие от традиционнойконфигурации опыта по исследованиюФЭМ-эффекта. в которой постоянное магнитное поле ориентируют параллельно освещаемой грани образца, в данной заявкепредложено ориентировать магнитное полеперпендикулярно освещаемой грани, Предложенная конфигурация опыта обеспечивает сильную зависимость величинырегистрируемой ЭДС (пропорциональнойФЭМ-току в образце) от величины диффузионной длины, даже если измерения проводятся в очень тонких пленках (о). Втрадиционной конфигурации опыта, приконтроле тонких пленок, регистрируемаявеличина фотомагнитной ЭДС не зависит отдиффузионной длины,Отметим, что в новой конфигурацииопыта ФЭМ-ток в образце ( и соответственно ЭДС в индукционном элементе связи) неможет возникнуть при равномерной засветке рабочей поверхности образца, поэтому кчислу отличительных признаков следует отнести также формирование на рабочей поверхности образца светового пятна сзамкнутой границей,Полупроводниковый образец 1 освещается пучком активного излучения 2. образующим на рабочей поверхности образцасветовое пятно 3, В толще образца непосредственно под световым пятном из-за воздействия излучения генерируютсянеравновесные носители заряда (электроныи дырки), За счет процессов диффузии возникают потоки неравновесных носителейзарядов, направленные как в глубь образца,так и вдоль освещенной его поверхности.Наличие процессов рекомбинации обеспечивает установление некоторого станционарного распределения Н Н 3 в образце (пристанционарном освещении), При включении постоянного магнитного поля (В), перпендикулярного рабочей поверхностиобразца, диффузионные потоки неравновесных электронов и дырок, текущие вдольповерхности, изменяют свою ориентацию,Для простоты рассмотрим вначале случай, когда световое пятно имеет форму круга, В отсутствие магнитного поля вдоль 5 10 15 20 25 30 35 40 45 рабочей поверхности образца текут станционарные потоки, неравновесных электронов и дырок, которые направлены вдоль всех радиусов (от центра круга), Суммарный заряд, переносимый электронами, полностью уравновешивается зарядом, переносимым дырками, и электрический ток в образце при этом отсутствует. При включении постоянного магнитного поля на электроды и дырки начинает действовать сила Лоренца, направленная перпендикулярно радиусу, причем для электронов и дырок направления силы Лоренца взаимно противоположны, В результате наряду с радиальными потоками электронов и дырок (имеющими одинаковое направление - от центра круга) в образце возникают встречные потоки электронов и дырок, направленные по окружностям, Электрические токи, создаваемые этими кольцевыми потоками, складываются.Таким образом, при наличии магнитного поля в образце течет кольцевой электрический ток (далее будем называть его "ФЭМ-током"). Расчеты показывают, что плотность этого тока максимальна на границе светового пятна, а ширина токового кольца примерно равна диффузионной длине. При станционарном освещении ФЭМ-ток стационаренЕсли освещение не стационарно, а модулировано, то ФЭМ-ток будет переменным, и вследствие эффекта электромагнитной индукции в индукционном элементе связи 4, расположенном вблизи рабочей поверхности образца, будет возникать ЭДС. На фиг,1 для наглядности в качестве индукционного элемента связи изображен одиночный кольцевой проводящий виток, опоясывающий световое пятно 3 и расположенный вблизи рабочей поверхности образца, но не имеющий с образцом электрического контакта,Проведенный аналитический расчетдля тонких пленок бдает следующую зависимость регистрируемой ЭДС к от величины диффузионной длины Е= тф(ро +ср )В М 1 Я( - ), (5) где й - радиус светового пятна на рабочейповерхности образца;1 - частота модуляции света (1 1/ т,где т - время жизни ННЗ): М - коэффициент взаимной индукции элемента связи и замкнутого контура, по которому течет ФЭМ-ток; функция ЯВ/) характеризует отклонение от зависимо 2001466сти е Е, график этой функции показан на2фиг.2.Измерения по описанному способу особенно удобно проводить с большим световым пятном (Й Е) - в этом случае зависимость ЭДС от диффузионной длины становится чисто квадратичной с = 2 тсф (,и+,ир ) ВМН (6) Итак, в случае круглого светового пятнаформулы (5) и (6) дают возможность однозначно определить диффузионную длинупо величине регистрируемой ЭДС к,Очевидно, что переменная ЭДС (с частотой, равной частоте модуляции пучка излучения) будет возникать не только прикруглой форме пятна засветки, но и припроизвольной его форме - требуется лишь,чтобы граница светового пятна была замкнута и целиком находилась в пределах рабочей поверхности образца. (При этомФЭМ-ток будет протекать по-прежнемувдоль границы свет-тень).Для любой избранной форму световогопятна будет существовать однозначнаясвязь между регистрируемой ЭДС и диффузионной длиной - она будет описыватьсязависимостью типа (5), где вместо функцииЯ(й/Е) будет стоять соответствующая функция геометрических размероо пятна и диффузионной длины. Отметим. что этотгеометрический фактор на практике целесообразно учитывать не путем теоретическогорассвета, а с помощью непосредственнойкалибровки способа, т;е, эмпирически определив зависимость кна серии образцовс известной диффузионной длиной,Исходя из этого, мы не конкретизируетформу светого пятна в формуле изобретения и не включающем в нее аналитическиесоотношения, устанавливающие связь между ЭДС и диффузионной длиной.П р и м е р. Возьмем для примера эпитаксиальную пленку (о = 20 мкм) твердогораствора р-Сдо,2 Ндо,вТе со следующими параметрами (при Т = 77 К); концентрациядырок Ро=3 10 см;р=10 см /В с,15 -3, 5 2рр /,;гтр ) )гтп; т= 10с, Ожидаемоезначение диффузионной длиныдает соотношение Эйнштейна(. = у лкК = ЪК ЬК = л клал К = 260 лл км (К -постоянная Больцмана).Проведем мысленный эксперимент с такой пленкой и рассчитаем, какой величиныбудет регистрироваться ЭДС в индукционном элементе связи.Используем для освещения матрицу из4-х светодиодов типа АЛБ (суммарная 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мощность излучения 0,16 Вт, т,е. 7,7 10квант/с), Сформирует на поверхности образца светового пятно радиусом Р = 5 мм.Для формирования пятна удобно использовать посеребренную изнутри стекляннуютрубку с внутренним диаметром 10 мм, уверхнего конца которой размещается матрица из светодиодов, а у нижнего торца -образец(помещенный в азотном криостате).При длине трубки -20 см достигается равномерная освещенность в плоскости нижнего торца трубки. Чтобы обеспечить болеерезкую границу света и тени на поверхностьобразца наложим маску из черной бумаги скруглым отверстием 010 мм,С учетом отражения от пленки (коэффициент отражения г = 0,32) интенсивностьпоглощаемого образца излучения составитвеличину = 5,2 10 квант/с. Отметим, что17рабочая длина волны указанных светодиодов А= 0,95 мкм обеспечивает генерациюэлектронно-дырочных пар в р-Соо 2 Ндо вТе сквантовым выходом /3= 1.Частоту модуляции света следует выбрать по воэможности большой, так как величина сигнала к -1, в то же времянеобходимо выполнить условие 11/ т, которое является условием применимостиформул (5) и (6), полученных в приближенииквазистационарного режима, Исходя из этого возьмем частоту модуляции 1 = 160 кГц(светодиода АЛБ обладают достаточным быстродействием, чтобы обеспечитьмодуляцию с такой частотой).На маску, формирующую световое пятно, наклеим индукционный элемент связи ввиде 100 витков изолированной проволоки0,1 мм (средний диаметр витка 18 мм). Такойэлемент связи обладает индуктивностью-200 мкГн и на частоте 1 = 160 кГц имеетреактивное сопротивление -200 Ом, что позволяет измерять ЭДС с помощью стандартного селективного микровольтметра(например, В 6-1, который при 1 = 160 кГцимеет входное сопротивление более 10 кОм).Пока в образце не создано магнитноеполе. вольтметр будет фиксировать нулевуюЭДС, Разместим в криостате под исследуемой пленкой стержнеоой постоянный магнит из сплава ЯгпСО так, чтобы создаваемоеим в пленке магнитное поле с индукциейВ = 0,25 Тл было ориентировано перпендикулярно освещаемой поверхности пленки,Как описано выше, при этом в толщинепленки вдоль границы степень потечет кольцевой электрический ток (радиус кольца В =5 мм, ширина кольца примерно равна диффузионной длине, т.е, около 260 мкм й),Сила этого тока равна2001466 10 Р= 2 Л 1 М 1,25 фиг.=ед К/кк К 4 к ) ВЫ (кк) =260 мкА Этот ток будет переменным (его частота равна частоте модуляции света, т.е. 160, кГц), а следовательно, он будет наводить переменную ЭДС в индукционном элементе связи где М - коэффициент взаимной индукции контура, по которому течет ФЭМ-ток, и индукционного элемента связи,Величина этого коэффициента определяется геометрическими размерами индукционного элемента связи, радиусом светового пятна и их расположением, Для описываемой конструкции измерительного устройства этот коэффициент равен 6,4 10 Гн. Следовательно, на выходе элемента связи будем иметь значение ЭДС к = 170 мкВ,Формула изобретения СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ ДЛЙНЫ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА, включающий освещение поверхности полупроводникового образца модулированным пучком излучения с энергией, большей ширины запрещенной зоны, помещение образца в постоянное магнитное поле, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности контроля тонких пленок, постоянное магнитное поле Такое напряжение немного превосходит уровень собственных шумов микровольтметра 86-1 ( 1 мкВ в полосе 1 кГц) и,следовательно, может быть надежно изме 5 рено.Таким образом, проведенный расчетподтверждает работоспособность предложенного способа применительно к тонкойпленке полупроводника, Формула (6) для10 значения ЭДС Р = 170 мкВ дает значениедиффузионной длины= 260 мкм.Кроме достижения основной цели изобретения, предлагаемый способ обеспечивает еще одно важное преимущество по15 сравнению с прототипом: не требуется изготовлять электроды к образцу. Благодаряэтому новый способ, во-первых, являеГсянеразрушающим, а во-вторых, более оперативным, нежели прототип,20 (56) Батавин В,ВКонцевой Ю.АФедорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур, М.:Радио и связь, 1985, с.264. ориентируют перпендикулярно к освещаемой поверхности, на этой поверхности формируют световое пятно с замкнутой в 30ее пределах границей, регистрируют ЭДС на частоте модуляции излучения, возникающую в индукционном элементе связи, витки которого охватывают контур светового пятна на поверхности, по которому протекает наводимый в образце фототок, и по величине регистрируемой ЭДС определяют искомый параметр.2001456 Составитель А, ШтурбинТехред М.Моргентал Корректор А, Мотыл эктор Н, Соколова аказ 313 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10