Способ определения оптической энергии ионизации и типа симметрии глубокого примесного центра в полупроводнике

(Е,р 2 д 1 Ъ 26 Фд)Ф У 42физико-техничеФ.Иоффе и И.Н.Яссиеви дес прещенной зоны; овня от о но ширина ного лер У. Определеких параметровЛ. Москва, 1959,получение иПКесаманпы, "Наука", 1973,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Ордена Ленинакий институт им, А.(56) 1. Буш Г., Винкние характеристичесполупроводников И.с, 85-87.2. Анализ галлиясвойства. Под ред.Д.Н.Наследова, М.,с. 285,(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИЙ И ТИНА СИММЕТРИИ ГЛУБОКОГО ПРИМЕСНОГО ЦЕНТРА ВПОЛУПРОВОДНИКЕ путем освещения егомонохроматическим светом, о т л ич а ю щ и й с я тем, что с цельюповышения точности определенияпараметров глубоких примесных центров в полупроводниках со структуройалмаза, измеряют спектральную зависимость фотопроводимости или коэффициента поглощения в интервале,энергии фотонов И :3(Е,рФд 1 ВиЕ,р, 1;д б ф,м д(я с - удаление ур д йиз зонД - величина спин-орбитальрасщепления;Г - энергия, соответствующая началу фотсответа, связанного с исследуемым уровнем.измеряют ЭДС Холла без освещения и по знаку ее определяют тип примесного центра, освещают кристалл светом из указанного интервала энергии, по знаку ЭДС Холла при освещении находят тип неравновесных носителей тока, по типу примесного центра н типу неравновесных носителей тока определяют зарядовое состояние исследуемого центра после фотоионизации, экспериментальные зависимости фотопроводимости или коэффициента поглощения сопоставляют с расчетными крывыми, величину оптической энергии ионизации глубокого примесного центрас и тип его симметрии определяют по значениям параметров расчетной кривой дающей наилучшее совпадение с экспериментальной зависимостью.Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения параметров примесных центров в полупроводниковых материалах, 5Известен способ определения оптической энергии ионизации глубоких примесных центров Со путем измерения спектрального распределения фото- проводимости или коэффициента10 поглощения в полупроводниках, сос- тоящий в нахождении длинноволновой границы (порога) фотоионизации примесного центра ( %) или длины волны, соответствующей умень шению фотопроводииости на половину /9, / по сравнению с величиной насыщения ее, и в определении Ео по формулам1,2 1,2 фоО "11 о,рНедостатком этого способа являетсянеоднозначность определения обусловленная неоднозначностью значенийф 1/2 з о э ф гНаиболее близким к изобретениюявляется способ определения оптической энергии ионизации и типа симметрии глубокого примесного центрав полупроводнике .2 путем освещения его монохроматическим светом.Способ определения оптическойэнергии иониэации Ео состоит восвещении кристалла монохромати- Ическим светом, энергия которогобольше ширины запрещенной зоны,в исследовании спектральной зависимости рекомбинационного излучения,в определении длины волны Я1 Осоответствующей положению максимумаизлучения, рассматриваемого примесного уровня и нахождению Е поформуле45 Тип симметрии примесного центра определяется по смещению максимума фотолюминесценции /%/ при прило- эО женин давления. Тчп симметрии примесного центра находится из наилучшего соответствия экспериментальных зависимостейй= Е/Р/ и расчетных кривых, полученных с учетом изме нения с давлением ближайших зон. Изэа неточного значения констант деформационного потенциала для зон в полупроводниках со структурой алмаза, которые могут отличаться в 3 раза, не всегда удается однозначно определить тип симметрии центра. В этом способе требуется знаниеЯмас в которое может быть точно определено лишь для узких линий. Фотолюминесценция, связанная с глубокими уровнями, как правило, дает широкие пики, что затрудняет нахождение точного значения фмаи следовательно, вносит погрешность в определяемые величины. Серьезным препятствием для применения способа определения. оптической энергии ионизации и типа симметрии примесного центра является значительное уменьшение вероятности излучательной рекомбинации носителей тока при введении в кристалл глубоких примесных центров и при увеличении плотности состояний на них.Цель изобретения - повышение точности определения параметров глубоких примесных центров в полупроводниках со структурой алмаза.Поставленная цель достигается тем, что в способе определения оптической энергии ионизации и типа симметрии глубокого примесного центра в полупроводнике, путем освещения его монохроматическим светом, измеряют спектральную зависимость фото- проводимости или коэффициента поглощения в интервале энергии фотонов3(ед)-Эсдекеядм а.ео усЕрФь Ъи. ЕрЪсВэ ЯА Вм ь Ео где Е- ширина запрещенной зоны;- удаление уровня от однойиз зон;6 - величина спин-орбитального расщепления;Г, " энергия, соответствующааначалу фотоответа, связанного с исследуемымуровнем,измеряют ЭДС Холла без освещения и по знаку ее определяют тип примесного центра, освещают кристалл светом из указанного интервала энергий, по знаку ЭДС Холла при освещении находят тип неравновесных носителей тока, по типу примесного центра и типу неравновесных носителей1114262 4 5 30 При рассмотрении фотоионизациипримесного центра важно знать зарядное состояние после фотоиониэации, так как волновая функция сво- бодного электрона сильно зависит от заряда на примесном центре (притягивающий центр увеличивает плотность 5,свободных электронов вблизи его по сравнению с нейтральным, отталкивающий-уменьшает). Для этого следует определить тип примесного центра (донор или акцептор) и установить знак неравновесных носителей тока, создаваемых светом из рассматриваемой области энергии фотона (дырка, электрон). Эти сведения могут быть 0 Далее по формулам (4-8), приведенным ниже, строятся расчетные кривые спектральной зависимости сечений фотоионизации б , учитывающие зону проводимости / д /, зону тяже лых дырок /И 1, /, зону легких дырок/ Ве /, зону спин-орбитального расщепления / б 6 / для каждого типа симметрии /Г 6, Г, Гз /. Сечение фо тока определяют зарядовое состояние исследуемого центра после фотоионизации, экспериментальные зависимости фотопроводимости или коэффициента поглощения сопоставляют с расчетными кривыми, величину оптической энергии иойизации глубокого примесного центра с и тип его симметрии определяют по значениям параметров расчетной крйвой,дающей наилучшее совпадение с экспериментальной зависимостью.На фиг.1 приведен энергетический спектр валентной зоны и зоны проводимости полупроводника; на фиг.2 - 15 экспериментальная зависимость сечения фотоионизации для кристалла кремния, легированного индием,и расчетные кривые.Для определения оптической энер гии ионизации примесного центра по предлагаемому способу необходимо знание хода спектральной зависимости сечения фотоионизации не только вблизи длинноволновой гра ницы, а в широком интервале энергий падающих квантов., определяемом выражением (3)., Выбор указанного интервала энергий ЪИ обусловлен сложной структу.рой эон в полупроводниках со струк. - турой алмаза, Именно для этого класса полупроводников имеются формулы позволяющие учесть вклад в спектральную зависимость сечений фотоиониэации всех эон. Валентная зона отделена от эоны проводимости, обладающей в точке 1 = О симметрией Г на ве 6 ф личину Гз, и имеет сложную структуруВышвлежащие минимумы зоны проводимости расположены значительно выше основного минимума Г, и вкладом и. в спектральное распределение можно пренебречь., Валентная зона в точкеО четырехкратно вырождена и 45 соответствует симметриии Гв, Спин - орбитально отщепленная зона, имеющая в точке К = О симметрию Г , удалена от вершины валентной зоны на величину Ь и вкладом ее пренебречь нельзя. Если вклад в спектральную зависимость сечения фотоионизации зоны тяжелых и легких дырок начинается при 1 я = соу то влияние зоны спин-орбитального отщепления начнет проявляться только с энергией 1 ы = Ео Ь . Поэтому измерения спектральной зависимости следует выполнить в интерале энергий фотонов, достаточном для проявлениявсех особенностей, связанных сосложной структурой зон полупроводника; Этот факт и отражают условия (3),Измерения фотопроводимости иликоэффициента поглощения следуетпроводить со значений энергий %Я=соответствующей началу фотоответа, связанного с рассматриваемымпримесным центром,При увеличении интервала измерения до 1 о ) 3(Ер + 6) для д ( Яо 1 я (1-гр + 2 ) для -Еод.(Югр+ + Й) для Ь Ео, мы не получим дополнительной информации для достиженияпоставленной цели. При определении интересующих величин для уровней, лежащих вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, условия (3) могут привести к значениям 1 Я. В этом случае на фотоответ связанный;е с примесным уровнем, будет наложен сигнал, обусловленный переходами валентная зона-зона проводимости; эта область спектра не может быть исполь эована для анализа, и измерения не следует производить при ЫЯ получены из исследования знака ЭДС Холла в темноте и при освещении светом из указанного интервала. Конечное зарядное состояние определяется из таблицы.9составляет 1,09 эВ, величина спинЪ орбитальногорасщепления 6 равна 0,035 эВ, эффективные массы электро. нов и дырок равны т 0,16;Ь = 0,5; Кристалл легируют индием, который образует примесный уровень, лежащий на 0,16 эВ выше валентной зоны. При температуре жидкого азота исследуют фотопроводимость в интервале 0,16-0,4 эВ, что удовлетворяет условию (3) для 6 ( Е , Согласно исследованию знака ЭДС Холла, носит лями тока без освещения и при освещении светом, удовлетворяющем условию (3), были дырки. Т.е. примесный уровень 1 п является акцепторным и при освещении имеет место перевод электронов из валентной зоны на примесный уровень с образованием дырки в валетной зоне, Согласно табл, 1, после фотоионизации примесный центр является притягивающим центром и в расчетах следует учесть ЕИз фиг.2, видно, что наилучшее совпадение экспериментальной зависимости /кривая 3/ и расчетней кривой достигается при параметре б = 0,19 эВ. Сравнение кривых 3,4,5, полученных для возможных типов сим метрии центра ГВГ 7% Гб 3 с экспериментальной показывает, что примесный центр имеет симметрию Гу, так как только для этой симметрии можно получить согласие экспериментальной и расчетной зависимостей. Две другие возможные симметрии примесных центров не могут описать экспериментальную зависимость ни при каких значениях боТаким образом, из сопоставления экспер.ментальной и расчетной кривой следует, что. 1 п в 81 образует примесный уровень, оптическая энергия ионизация которого равна 0,19 эВ,45 и имеет симметрию Г . Известно, что энергия ионизации 1 п в Зх составляет 0,15 эВ. Зарядовое состояние Тип примесного центра Тип, неравновесных носителей тоцентрапосле фотоионизации ка в исследуемом спектральном ин- тервале Нейтральный Дырки Донор центр Электроны Притягивающийцентр 40 Акцептор Дырки Притягивающийцентр Электроны Нейтральный центр 1114262 10Использование предложенного способа определения оптической энергииионизации в конкретном случае позволило уточнить значение оптическойэнергии иоиизации примесного центра1 п в Б на .,0,03 эВ при точностиизмерений не хуже 0,01 эВ.Предлагаемый способ определенияоптической энергии ионизации и типа1 О примесного центра не создает зкономииа создает иной положительный эффект: е- он позволяет повысить точность определения оптической энергии и правильно найти тип симметрии примесного15 центра,значение которых необходимопри разработке и котроле технологических процессов получения как легированных так и нелегированных полупроводниковых кристаллов, применяемых в опто 20 электронике для создания приборовдля систем оптической связи./3Тираж 678 По ВНИИНИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж,. Рауиская наб., дкяз 70 сно Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,