Способ определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников

(1 Ю ОИ щ Н О 1 1 21/б 1 К 31/ ПИСАНИЕ ИЭОБРЕТВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ют ее воздейст длиной волнымпул а свет тельностью Е 8 поряющей условию --- (1, и регис уют изменение амплитуды переходноо фототока в зависимости от времени ежду окончанием приложения к струкуре импульса напряжения и временем отовозбуждения, гдеЕ 8 - ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ;Ь - постоянная Планка, эВ с;с - скорость света, см сю - ширина области пространственного заряда в полупроводнике, см;Р- подвижность электронов в зоне проводимости полупроводника, смВ сЕ в . максимальная напряженностьполя в области пространственного заряда, В сми - собственная концентрацияносителей заряда в полупро.воднике, см ;па - концентрация фотовоных носителей заря збужден-Эда,см ится к измерижет быть исполь Изобретьной тех Известен спос пределения ра ние отно нике и м ения плот, ностиной зоне аморфсвязанный с оянии в зап еще ых полупроводзмерением воль ик. В этом спо для определетности состоя астностиделения п щенной з зовано, в ния распре ний в запр о ных характери осуществляетс не аморфных и со измерение емко лупроводник ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ110 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Р.Чдсгогочссп апд Э. 1 оцвве, Сарасгацсе - чо 1 га 8 е шеавцгешепс оп а - Б 1 Бпогг 1 у Ьагг 1.ег 1 Ноп - Сгувг Бо 1 хдв 35-36, р. 569, 1980.Ы.Е. Бреаг ацд Р.С. 1.е СошЬег 1 цчевг 18 аг 1 оп оЕ 1 оса 1 зей згае девСг 1 Ьцгоп п ашогрЬопв Б 1 ЕгЬцв 1 Ыоп-Сгуз Бо 11.1 в 8-10, р. 727, 1972.(54)(57) СПОСОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СОСТОЯНИЙ В ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЕ АИОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ,включающий приложение напряжения к структуре с барьером Яоттки, регистрацию тока и вычисление искомой величины, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью определения распределения плотности состояний в объеме аморфных полупроводников и повышения точности, к исследуемой структуре прикладывают импульсное напряжение, дополнительно подвергаинтенсивностью,удовлетвоти структуры с барьером Шоттки или р-и перехода в зависимости от приложенного напряжения. Обработка экспериментальных данных в рамках сущест" 5 вующих моделей позволяет получить ,информацию о распределении плотности состояний в запрещенной зоне аморфного полупроводника.Недостатками данного способа являются- недостаточная точность определения распределения плотности состояний в объеме аморфного полупроводни" ка вследствие невозможности выделе ния влияния поверхностных состояний в определяемую плотность,ограниченность диапазона определения распределения плотности состояний по энергии, 20длительность процесса измерений. Известен также способ определенияраспределения плотности состояний взапрещенной зоне аморфных полупроводников, включающий приложение напряжения к структуре с барьером 111 оттки,регистрацию тока и вычисление искомой величины. Согласно этому способук структуре с барьером 11 оттки (металл-окисел-полупроводник) прикладывается внешнее постоянное напряжениеи регистрируется поверхностный токна границе окнсел - полупроводник.Изменение величины внешнего напряже 35ния ведет к изменению загиба зон вполупроводнике на границе окисел-полупроводник, что меняет концентрациюсвободных носителей в полупроводникеи приводит к изменению поверхностного тока, измеряемого между контактами. Иатематическая связь между величиной измеряемого поверхностноготока и плотностью состояний, с однойстороны, и между внешним напряжениеми плотностью состояний, с другой стороны, позволяет определить величинуплотности состояний и ее распределение в запрещенной зоне аморфного полупроводника.50Данный способ позволяет определитьраспределение плотности состояний взапрещенной зоне аморфных полупроводников в широком диапазоне энергийи несколько повышает точность,55Недостатками способа являютсяневозможность получения распределения состояний в объеме полупроводника,невысокая точность вследствие высокой чувствительности к поверхности состояниям в связи с регистрацией поверхностного тока и влияния трудно устранимых посторонних токов (токи утечки, эмиссионные токи,термоэлектрические токи).Цель изобретения - определение распределения плотности состояний в объеме аморфных полупроводников и ,повышение точности.Поставленная цель достигается тем, что в способе определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников, включающем приложение напряжения к структуре с барьером Шоттки,регистрацию тока и вычисление искомой величины, к исследуемой структуре прикладывают импульсное напряжение,дополнительно подвергают ее воздействию импульса света с длиной волныЬс Л % . -- , длительностьюЕя Е интенсивностью, удовлетворяющей усиловию - -б 1, и регистрируют иэмепнение амплитуды переходного фототока в зависимости от времени между окончанием приложения к структуре импульса напряжения и временем фотовоэбуждения, где:Ея - ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ;Ь - постоянная Планка, эВс;с - скорость света, см сы - ширина области пространственного заряда в полупроводнике, см;(О - подвижность электронов в зоне проводимости полупроводника, смВ, сЕ - максимальная напряженностьполя в области пространствен-ного заряда, Всми - собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике, смп - концентрация фотовоэбужденаных носителей в заряде,смПредлагаемый способ основан на измерении амплитуды переходного фототока, для чего необходимо создание неравновесных фотовозбужденных носителей заряда в объеме полупроводника, Это условие выполняется припсЯ й в в . С другой стороны, длительЕВпотенциала в 5 1 ность светового импульса, определяющая время нарастания переходного фототока от нулевого значения до максимума, должна быть такой, чтобы за это время фотовозбужденные носители заряда не вышли из области пространственного заряда, что реализуется при условии ,в в , ГенерируемыеЛ ф(ИЕпри фотовозбуждении носители могут искажать распределение поля в полупроводнике. Для устранения этого эффекта интенсивность света должна удовлетворять условию, прн котором концентрация фотовозбужденных носителей не превышает собственной концентрации носителей заряда в полупроводнике, т.е. при условиипоив( 1. При невыполнении указанных условий для длины волны, длительности и интенсивности светового импульЬс Л ы и, са, т.е. при ф ) - , с--ЕяРЕфп окажется невозможным определение распределения плотности состояний в объеме полупроводника и повышение точности. При таком профиле потенциала плотность заряда в ОПЗ определяется выра- жениемЮ- Е 1 Р(Х) опвГ К Егде е - заряд электрона,Ч 1 - функция распределения плотности состояний в запрещенной зоне полупроводника,смэВэнергия, эВ;Ц(х) - профиль потенциала в ОПЗ,В.При приложении к структуре внешнего напряжения "-" на электроде 1,"+" на электроде 4 (см.фиг.1), происходит изменение профиля потенциала в полупроводнике, что иллюстрируется Фиг.З.При таком профиле потенциала плотность заряда в ОПЗ определяется выражением 25 Г.щ(х)На фиг. представлена исследуемая структура; на фиг.2 - профиль распределения потенциала в структуре с барьером Шоттки в отсутствии внешнего напряжения; на Фиг.З - профиль распределения потенциала при приложении к структуре внешнего напряжения; на Фиг. 4,5,6 - представлена временная диаграмма, разъясняющая порядок следования импульсов и оегистрации фототока; на фиг.7 - определенное предлагаемым способом расп- ределение плотности состояний в запрешенной зоне аморфного кремния,Для структуры с барьером .1 оттки (Фиг.1),содержащей металлический полупрозрачный контакт 1, слой 2 диэлектрика, слой 3 исследуемого аморфного полупроводника, металлический электрод 4 на границе диэлектрик- полупроводник в отсутствии внешнего напряжения в равновесной ситуации образуется загиб зон и Формируется область пространственного заряда, что показано на Фиг.2, где граница 5 эоны проводимости Г , граница 6 валентной зоны Е, уровень 7 Ферми полупроводника Р, область 8 пространственного заряда (ОПЗ).ОПЗ при приложении внешнего напряжения,В,Г = 1ехр(- в в -)ЕЕТ(Э) где 1 р - фотонная частота, Гц;Я - энергия освобождаемого состояния эВпостоянная. эВ градТ - абсолютная температура, град.Тогда энергия состояний, освобождающихся к моменту времени С после окончания импульса напряжения: Вольфмана,Я(с) = 1 сТ 1 п(1),(4) 55При этом вьппелокализованные состояния свободны, а ниже - заняты электронами, и формулу (2) можно переписать,в. виде: После выключения внешнего напряжения профиль потенциала в ОПЗ стремиться к равновесному, т,е, переходить от Е(11) к х) за счет термического освобождения электронов с локализованных состояний в ОПЗ с ве- роятностью(5) 10 55 7Е. и(4ь (х,с) - еи(Е)й Я +1 одаЕ-есЕ(х)еи(К)дЕГИ Поле в ОПЗ определяется по законуПуассона: 1Е(х,с) в в -р (х,с)йх+с, (6).С.где С - диэлектрическая проницаемость вакуума, 1, м". - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;с - постоянная интегрирования,ВмАмплитуда измеряемого переходногофототока определяется выражениемР, + 111 , -ИНеЕд(х,й)(1 ье,1(7)1"-щ - дрейфовые подвижности электДФ чронов и дырок в полупроводнике соответственно,смВстолщина слоя полупроводника, см;квантовый выход;(4) - (7) позволяет установить количественную связь между амплитудойпереходного Фототока и величинойплотности состояний, а изменениеэтой амплитуды во времени послеокончания импульса напряжения - распределение плотности состояний в интервале энергий от границы зоны 45проводимости до середины запрещенной зоны. Распределение плотностисостояний в интервале от границы валентной зоны до середины запрещенной зоны определяется аналогично путем приложения к структуре внешнегонапряжения другой полярности.На Фиг. 4,5,б представлена временная диаграмма, разъясняющая порядокследования импульсов и регистрацииФототока.К исследуемой структуре прикладывают внешнее импульсное напряжение(Фиг.4). Спустя некоторый интервал времени 1 после окончания приложе"ния к структуре импульса напряжения,структура подвергается воздействиюимпульса света длительностью Ф(Фиг.5). Производится регистрацияпереходного Фототока во времени.Приэтом за время фотовозбужденияпереходный фототок возрастает от нулевого значения до амнлитудного (максимального) д, а после окончанияФотовозбуждения спадает в соответствии с законами дрейфа, диффузии ит.д. пакета фотоинжектированного заряда (фиг.б).Производится измерение двух величин:временного интервала от окончанияприложения к структуре импульсанапряжения до времени, при которомпереходный Фототок достигает своегоамплитудного (максимального) значения, равный г. = й+ с 2,и амплитуды (максимального значения) переходного фототока 1,котораядостигается в момент времени= С, + Ф /2 после окончания приложения к структуре импульса напряжения.По значению времени+ 6 /2по Формуле (4) определяется энергияЯ(с + Ф /2), а по амплитуде переходного Фототока 1 по Формулам (5) - (7)определяется величина плотности состояний Н(Я) для этой энергии С (1 +л )2)Таким образом, чтобы определитьвеличину плотности состояний Н прилюбой наперед заданной энергии Ят.е, определить распределение плотности состояний в запрещенной зоне,нужно произвести последовательностьвышеуказанных операций, т.е. произвести измерение амплитуды (максимального значения) переходного фототокадля соответствующего заданнойэнергии 1: интервала времени междуокончанием приложения к структуреимпульса напряжения и временем Фотовозбуждения, Конкретная реализацияспособа осуществлялась следующим образом: в качестве металлического полупрозрачного контакта 1 .использовалась пластина толщиной 100 А с коэффициентом пропускания 0,3, в качестве диэлектрика - слой 2 ЗьО толощиной 1000 А, в качестве исследуемого полупроводника - пленка аморфного кремния, полученного методомразложения силана в ВЧ-разряде,тол10 11274 88 9щина пленки составляла 0,5 микрона, в качестве металлического электрода 4 - слой 1 ДСт толщиной 800 А на стеклянной подложке.Измерения проводились на типовой5 установке для определения дрейфовой подвижности из времяпролетиых измерений. Возбуждение проводилось лазером ЛГИс длиной волны 337 нм,дли тельностью импульса 10 нс и потоком Фотонов 310 ммс . К структуре прикладывалось импульсное напряжение длительностью 300 мкс и амплитудой 2 В. Переходный Фототок наблюдался на экране осциллограФа. Проводилась регистрация изменения амплитуды переходного фототока в зависимости от времени между окончанием приложения к структуре импульса напряже-. ния и временем Фотовоэбуждения.Измерения проводились в диапазоне времен больше 1 икс.Определенное распределение плотности состояний в аморфном кремнии 25 представлено на Фиг.7. Как видно из Фиг.7 предлагаемый способ позволяетопределить распределение плотностисостояний практически по всей ширинезапрещенной зоны полупроводника ивыявить особенности распределения,что необходимо для анализа работыполупроводниковых. приборов на основеаморфных полупроводников.Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ обеспечивает определение распределенияплотности состояний в объеме полупроводника и повышение точности эасчет устранения влияния постороннихтоков и исключения влияния поверхностных состояний, Кроме того, способпозволяет определить распределениеплотности состояний практически повсей ширине запрещенной зоны аморфного полупроводника, определить изменение распределения плотности состояний по объему.за счет соответствующего выбора длины волны возбуждающего света и сократить время измерений,11127488 Внешнее иааряяенце рею Ф(р у 3 да Заказ 1062 Тираж 372 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 роизводственн Р 2 О С.Титова 1 Я 12 14 Ы Дддхред А.КравчукКорректор М.Демчик тельский комбинат "Патент", гь Ужгород, ул. Гагарин