Спосіб вимірювання об’ємного часу життя та швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду у напівпровідниках

Спосіб вимірювання об'ємного часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду у напівпровідниках, який заснований на розміщенні досліджуваного напівпровідникового зразка в НВЧ резонаторному вимірювальному перетворювачі, 38308 впровідникового зразка в НВЧ резонаторному вимірювальному перетворювачі (РВП), освітленні його по черзі світлом, який сильно і слабко поглинається у матеріалі напівпровідника, виділенні з виходу РВП сигналів фотопровідності при сильному і слабкому поглинанні світла і визначенні відповідно швидкості поверхневої рекомбінації й об'ємного часу життя носіїв заряду за спадом імпульсів цих сигналів при імпульсному законі модуляції інтенсивності світла. При використанні такого способу вимірювання швидкості поверхневої рекомбінації і часу життя носіїв заряду у напівпровідниках виникає необхідність використання імпульсного джерела світла, незручного для дослідження при низьких рівнях сигналів. Крім цього, з'являється неконтрольована похибка вимірів, що пов'язана із впливом на їх результати процесів дифузії носіїв заряду з об'єму зразка до його поверхні і навпаки. Генеровані світлом у глибині об'єму зразка носії дифундують до поверхні і, якщо пройдена ними відстань менша від дифузійної довжини, рекомбінують на ній, внаслідок чого результати виміру t істотно спотворюються. Так само носії від поверхні дифундують всередину і рекомбінують там, спотворюючи результати визначення S. Це обумовлює придатність способу тільки для товстих зразків, товщина яких перевищує значення дифузійної довжини носіїв у матеріалі зразка (фактично для злитків). У більш тонких зразках (пластинах, підкладках) усі генеровані світлом, що слабо поглинається, носії заряду встигають за час життя продифундувати до поверхні і рекомбінувати на ній, внаслідок чого вимірювання їх об'ємного часу життя взагалі стає неможливим. У основу винаходу покладено задачу створення такого способу вимірювання об'ємного часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду у напівпровідниках, який дозволив би усунути похибку вимірювань і забезпечити придатність використання для зразків будь-якої товщини за рахунок введення додаткових вимірювальних операцій. Такий технічний результат може бути досягнутий, якщо в способі вимірювання об'ємного часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду у напівпровідниках, який заснований на розміщенні досліджуваного напівпровідникового зразка в НВЧ резонаторному вимірювальному перетворювачі, освітленні його по черзі світлом, яке сильно і слабко поглинається у матеріалі напівпровідника, виділенні на виході резонаторного вимірювального перетворювача сигналів фотопровідності при сильному і слабкому поглинанні світла, відповідно до винаходу здійснюють гармонічну модуляцію інтенсивності світла, при цьому частота модуляції повинна бути вища у випадку світла, яке поглинається слабко, вимірюють фазовий зсув між виділеними в обох випадках сигналами і сигналом модуляції світла, а швидкість поверхневої рекомбінації і об'ємний час життя носіїв заряду визначають за допомогою заздалегідь розрахованих градуювальних характеристик. Таким чином, проведення гармонічної модуляції інтенсивності світла, вимірювання фазового зсуву між сигналами фотопровідності і сигналом модуляції світла, яке проводиться при світлі, яке сильно і слабко поглинається в матеріалі напівпровідника, на різних частотах модуляції, визначення швидкості поверхневої рекомбінації й об'ємного часу життя носіїв заряду за допомогою заздалегідь розрахованих градуювальних характеристик дозволяє усунути похибку вимірювань і забезпечити придатність до зразків будь-якої товщини. На фіг. 1 наведено функціональну схему установки для реалізації способу; на фіг. 2 наведено приклади результатів чисельного розрахунку фазового зсуву між сигналом фотопровідності на виході РВП і сигналом модуляції інтенсивності світла, що викликає цю фотопровідність; на фіг. 3 наведено приклади градуювальних характеристик для визначення об'ємного часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду в напівпровідниках. Установка для реалізації способу містить НВЧ генератор 1, до виходу якого через розв'язуючий феритовий вентиль 2, приєднано резонаторний вимірювальний перетворювач 3 (РВП) із досліджуваним зразком напівпровідника. Світлодіоди 4 приєднані до виходу низькочастотного генератора гармонічної напруги 5, частота якого може змінюватись. До іншого виходу низькочастотного генератора через фазообертач 6 за допомогою одного з його входів приєднано фазометр 7. До виходу вимірювального перетворювача послідовно приєднано НВЧ детектор 8, і селективний підсилювач 9, що настроюється на частоту низькочастотного генератора. До виходу селективного підсилювача іншим входом приєднується фазометр 7. Вимірювання за допомогою запропонованого способу проводилися таким чином. Досліджуваний зразок розміщався у вимірювальному перетворювачі 3, який через розв'язучий феритовий вентиль 2 був заживлений від НВЧ генератора 1. Від низькочастотного генератора 5 вмикався один із світлодіодів 4, який випромінював світло з області сильного поглинання у матеріалі напівпровідника. Освітлення зразка світлом від світлодіода обумовлювало фотопровідність зразка, у результаті чого на виході РВП з'являвся гармонічний сигнал на частоті модуляції. Цей сигнал було продетектовано НВЧ детектором 8, підсилено селективним підсилювачем 9. І далі він надходив до фазометра 7. Опорний сигнал до фазометра подавався від НЧ генератора 5 через фазообертач 6. Проводилось вимірювання фазового зсуву j1 між цими сигналами. Потім вмикався світлодіод, який випромінював світло з області слабкого поглинання у матеріалі напівпровідника 4, а частота модуляції підвищувалася. Процедура вимірювання фазового зсуву повторювалась. По виміряних значеннях j1 і j2 за допомогою градуювальної характеристики типу наведеної на фіг. 3 визначалися значення t і S. Калібрування установки на нульовий фазовий зсув проводилося за допомогою фазообертача 6 при відсутності зразка шляхом введення відповідного світлодіода в поле РВП. При цьому гармонічний сигнал на виході РВП був обумовлений модуляцією параметрів РВП власним опором світлодіода. Можливість реалізації запропонованого способу обгрунтовується таким чином. За допомогою ПЕОМ були проведені чисельні розрахунки фазового зсуву між фотопровідністю напівпровідника і сигналом гармонічно модульованого по інтенсив 2 38308 На фіг. 2 наведено результати розрахунків для зразка кремнієвої пластини товщиною 300 мкм і питомим опором 20 Ом×см при таких значеннях t, S, a та f: 1-a=10-5 см-1; S=104 см/с; f=100 кГц; 2-a= =10-5см-1; S=10 см/с; f=100 кГц; 3-a=10-5 см-1; S=104 см/с; f=10 кГц; 4-a=103 см-1; S=10 см/с; f=10 кГц; 5-a=10-5 см-1; S=10 см/с; f=10 кГц. Для інших значень t, S, f i a графіки мають аналогічний вигляд. Аналіз наведених на фіг. 2 залежностей показує, що фазовий зсув, отриманий на тому ж зразку, на різних частотах і при різних коефіцієнтах поглинання світла в напівпровіднику залежить від об'ємного часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду. Причому ця залежність носить нелінійний характер. За результатами таких чисельних досліджень було розраховано і побудовано градуювальні характеристики для реалізації відповідних вимірювань. Приклад такої характеристики наведено на фіг. 3. У наведеному прикладі вимірювання кутів j1 і j2 проводиться на частотах 10 і 100 кГц і при коефіцієнтах поглинання випромінювання 103 см-1 і 10-5 см-1 відповідно. За допомогою наведеної на фіг. 1 установки були проведені вимірювання в зразках кремнієвої та арсенідгалієвої підкладок. Результати вимірювань наведено в таблиці порівняно з паспортними даними зразків і підтверджують працездатність запропонованого способу. ності світла, яке обумовило цю фотопровідність. При цих чисельних дослідженнях було використано одномірне рівняння безперервності для випадку гармонічного фотозбудження нерівноважних носіїв (електронів) у напівпровіднику, що описує просторовий розподіл фотоносіїв та їх поводження за часом: ¶Dn ¶2Dn Dn (1) =D - + G0 [1- exp( jwt)]exp(- ax) , ¶t t ¶t 2 де Dn - концентрація надлишкових електронів; D коефіцієнт дифузії; w - кутова частота гармонічної модуляції інтенсивності світла; G0 - коефіцієнт, що залежить від типу напівпровідника; a- коефіцієнт поглинання випромінювання в напівпровідниковому матеріалі. Рішення відшукувалося у вигляді: Dn = Dn 0 + Dn1 exp( jwt ) , (2) де перший доданок визначає розмір постійної складової і не впливає на розмір фазового кута, а другий - перемінну складову на частоті модуляції світлового потоку. Повна кількість надлишкових носіїв у зразку: DN1 = h/2 ò Dn1( x )dx . (3) -h / 2 Кут фазового зсуву був розрахований через тангенс кута, що визначався, як відношення уявної і дійсної складових отриманого рішення. Розрахунки проводилися в широкому діапазоні значень t, S, частоти модуляції (f) і коефіцієнта поглинання (a). Таблиця Зразок Кремнієва підкладка r =20 Ом·см h=300 мкм GaAs-підкладка r=103 Ом·см h=250 мкм Час життя, с Вимірюване Паспортне значення значення Швидкість поверхневої рекомбінації, см/с Вимірюване Паспортне значення значення 8,7 8,9 556 545 2,3 2,7 1351 1318 Фіг. 1 3 38308 Фіг. 2 Фіг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4