УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

Полезная модель относится к устройствам для контроля параметров полупроводниковых материалов и может быть использована для бесконтактного и неразрушающего определения концентрации свободных носителей заряда (электронов либо дырок) в слаболегированных и нелегированных полупроводниковых материалах и структурах, широко применяемых в приборостроении для создания микроэлектронных и оптоэлектронных компонентов.
Для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках известно использование эффекта Холла. В таких решениях образец полупроводникового материала помещают в ортогональные магнитное и электрическое поля, измеряют проводимость образца и холловскую разность потенциалов, по которым с помощью расчетных формул определяют параметры материала (Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985. с. 62-75).
Такое определение концентрации носителей заряда характеризуется невысокой точностью измерений, обусловленной паразитными эффектами, например эффектом Эттингаузена, зависимостью результатов от формы образца, а также невозможностью локального определения концентрации, в частности - при шунтировании слаболегированного эпитаксиального слоя сильнолегированной подложкой. Также для измерения эффекта Холла необходимо подведение контактов к поверхности полупроводникового материала, что не всегда возможно в рамках технологического процесса.
Также для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках применяют измерения вольт-фарадных характеристик барьера Шоттки. Для этого на участке поверхности полупроводника создают барьер Шоттки, к нему прикладывают обратное изменяющееся напряжение и измеряют зависимость емкости барьера от приложенного напряжения, в результате обработки которой по расчетной формуле определяют концентрацию примесей на заданной глубине полупроводника (Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985. с. 82-96).
Такое определение концентрации носителей заряда также характеризуется невысокой точностью измерений, обусловленной неточностью измерений площади контакта, величин емкости и напряжения на барьере, а также ошибками дифференцирования зависимости емкости барьера от приложенного напряжения. Применимость измерения вольт-фарадных характеристик барьера Шоттки ограничена также и тем, что не для всех полупроводников при изготовлении контакта металл-полупроводник образуется барьер Шоттки, в частности для таких материалов, как n-InAs, n-PbTe, имеющих на поверхности обогащенный носителями слой.
Также для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках применяют измерения оптического поглощения свободных носителей. При этом измеряют показатель поглощения полупроводникового материала на определенной длине волны, и затем по его величине посредством калибровочной зависимости определяют концентрацию носителей заряда в объеме полупроводника (Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985. с. 78-80).
Недостатком такого определения концентрации носителей заряда также является ограниченная точность измерений, обусловленная неточностью имеющихся независимых калибровочных зависимостей, погрешностями в определении величины показателя поглощения, а также низкой интенсивностью поглощения оптического излучения свободными носителями. Это ограничивает сферу применения таких измерений сильнолегированными и вырожденными полупроводниковыми материалами.
Также для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках применяют анализ плазменного минимума в спектрах оптического отражения. При этом измеряют спектр коэффициента отражения полупроводникового материала в инфракрасном диапазоне, определяют положение плазменного минимума, исходя из которого по калибровочной зависимости, определяют концентрацию носителей заряда в объеме полупроводника (Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985. с. 80-82).
Недостатком такого определения концентрации носителей заряда также являются ограниченная точность измерений, обусловленная неточностью имеющихся независимых калибровочных зависимостей, и большими погрешностями при определении положения плазменного минимума для слаболегированных материалов вследствие его существенного уширения. Это также ограничивает сферу применения таких измерений сильнолегированными и вырожденными полупроводниковыми материалами.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках (патент US 4953983 «Non-destructively measuring local carrier concentration and gap energy in a semiconductor)), МПК G01N 21/57; G01R 31/308; опубл. 09.04.1990), содержащее источник оптического излучения, монохроматор, держатель образца, оптический фильтр, фотоприемник, синхронный усилитель, лазер, оптомеханический модулятор, оптический волновод, и персональный компьютер с системой обработки и хранения данных. Определение концентрации носителей заряда в полупроводниках основано на измерении спектра фотоотражения при помощи монохроматора, и заключается в том, что на поверхности образца источником высокоэнергетичных фотонов фотоинжектируются носители заряда, при этом изменяется отражение поверхности образца, это изменение регистрируется при множестве значений энергий фотонов, достаточных для идентификации нескольких осцилляций Франца-Келдыша и соответствующих им энергий фотонов, на основе которых по расчетным формулам находится напряженность внутреннего электрического поля и определяется концентрация носителей заряда.
Недостатками такого устройства являются:
существенная случайная погрешность измерений, возникающая из-за низкого соотношения сигнал/шум в спектрах фотоотражения вследствие малой величины регистрируемых сигналов и ограниченной светосилы монохроматора, приводящая к неточному определению концентрации носителей заряда;
ограничение в применении для материалов, у которых положение осцилляций Франца-Келдыша в спектрах фотоотражения соответствует среднему и дальнему инфракрасному диапазону, где фундаментально более низкая эффективность источников и приемников излучения не позволяет достигать приемлемого соотношения сигнал/шум в спектрах фотоотражения, что приводит к сокращению диапазона исследуемых материалов.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых материалах, позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в повышении точности определения концентрации свободных носителей заряда, и расширении диапазона исследуемых полупроводниковых материалов.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве для определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых материалах, содержащем оптически связанные широкополосный источник оптического излучения, блок преобразования излучения, держатель образца полупроводникового материала, источник оптического излучения с высокой энергией фотонов, модулятор оптического излучения, средство направления луча от источника оптического излучения с высокой энергией фотонов на образец полупроводникового материала, оптический фильтр и фотоприемник, из которых фотоприемник и модулятор оптического излучения электрически связаны с синхронным усилителем, цифровой выход которого связан с компьютером, блок преобразования излучения выполнен в виде управляемого компьютером интерферометра.
В связи с тем, что преобразование излучения выполняется с помощью интерферометра, которые на порядки превосходят ранее используемые монохроматоры по светосиле и обладают преимуществом мультиплексирования сигнала, существенно повышается соотношение сигнал/шум в регистрируемых устройством спектрах фотоотражения, используемых для определения концентрации свободных носителей заряда, и становятся возможными измерения в средневолновом и длинноволновом инфракрасном диапазоне спектра, в котором проявляются осцилляции Франца-Келдыша для узкозонных полупроводниковых материалов, что приводит к повышению точности определения концентрации свободных носителей заряда, и расширению диапазона исследуемых полупроводниковых материалов.
Предлагаемую полезную модель иллюстрируют следующие чертежи.
Фиг. 1. Принципиальная схема устройства.
Фиг. 2. Пример нормированного спектра фотоотражения образца автоэпитаксиального n-InSb.
Фиг. 3. Зависимость расстояния между экстремумами осцилляций Франца-Келдыша от их номера (точки), и аппроксимация данной зависимости (штриховая линия) для определения концентрации свободных носителей по спектру фотоотражения n-InSb. Устройство содержит (Фиг. 1):
1 - широкополосный источник оптического излучения;
2 - блок преобразования излучения (интерферометр Майкельсона);
3 - держатель образца полупроводникового материала;
4 - источник оптического излучения с высокой энергией фотонов;
5 - модулятор оптического излучения;
6 - средство направления оптического излучения с высокой энергией фотонов на образец полупроводникового материала;
7 - оптический фильтр;
8 - фотоприемник;
9 - синхронный усилитель;
10 - компьютер.
Блоки 1-8 связаны между собой оптически.
Блоки 5, 8, 9 и 10 связаны между собой электрически.
Управление работой блока 2 осуществляется с блока 10.
Устройство работает следующим образом.
Излучение от широкополосного источника оптического излучения 1 поступает в блок преобразования излучения 2, представляющий собой интерферометр (интерферометр Майкельсона либо аналогичный), выходной луч которого фокусируется на образце полупроводникового материала, размещенном на держателе образца полупроводникового материала 3. Держатель образца полупроводникового материала 3 располагается под углом, обеспечивающим зеркальное отражение образцом падающего луча через оптический фильтр 7 на фотоприемник 8. Возможно размещение держателя образца внутри вакуумируемого криостата, обладающего оптически прозрачными окнами для ввода и вывода излучения. Фотоприемник 8 должен быть чувствителен к излучению широкополосного источника оптического излучения 1 в спектральном диапазоне, содержащем осцилляции Франца-Келдыша для анализируемого образца полупроводникового материала. Оптический фильтр 7 должен быть прозрачен для излучения в том же диапазоне, и отсекать излучение источника оптического излучения с высокой энергией фотонов 4.
mod
Выходной электрический сигнал фотоприемника 8 поступает на рабочий вход синхронного усилителя 9. Синхронный усилитель 9 выделяет из поступающего на рабочий вход сигнала компоненту, совпадающую по частоте с переменным сигналом, поступающим на опорный вход, и обладающую определенной фазой, и формирует постоянный выходной сигнал, величина которого пропорциональна величине данной компоненты. Выходной сигнал синхронного усилителя 9 направляется на вход аналого-цифрового преобразователя компьютера 10. На компьютере устанавливается программное обеспечение, позволяющее в процессе измерения осуществлять управление положением 8 подвижного зеркала интерферометра 2, и записывать оцифрованную интенсивность 1 выходного сигнала синхронного усилителя 9 в виде функции I(δ), представляющей собой интерферограмму модулированной составляющей излучения, регистрируемого фотоприемником 8. Для обеспечения синхронного усиления сигнала в процессе регистрации интерферограммы перемещение подвижного зеркала интерферометра 2 необходимо осуществлять в шаговом режиме, либо же со скоростью, при которой частота модуляции v как минимум на порядок превышает частоту повторения экстремумов интерференции для оптического излучения, соответствующего коротковолновой границе используемого спектрального диапазона.
mod
mod
R
Модулятор оптического излучения 5 располагается в положении А и осуществляет модуляцию интенсивности луча широкополосного источника оптического излучения 1 с контролируемой частотой v, и вывод переменного электрического сигнала с частотой v на опорный вход синхронного усилителя 9. Фаза на синхронном усилителе 9 настраивается на максимум сигнала, поступающего на его рабочий вход с фотоприемника 8. Компьютером 10 запускается процесс измерения, осуществляется регистрация оцифрованной интерферограммы I(δ) отраженного образцом излучения. После окончания регистрации интерферограммы модуляция интенсивности луча широкополосного источника оптического излучения 1 прекращается, модулятор оптического излучения 5 извлекается из положения А.
Излучение от источника оптического излучения 4 (например, лазера) с высокой энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны анализируемого полупроводникового материала, при помощи средства 6 (например, зеркала) направляется на образец полупроводникового материала. При этом пятно луча от источника оптического излучения с высокой энергией фотонов 4 должно перекрываться на образце с пятном выходного луча интерферометра 2.
mod
mod
mod
Модулятор оптического излучения 5 располагается в положении Б и осуществляет модуляцию интенсивности луча источника оптического излучения с высокой энергией фотонов 4 с контролируемой частотой v, и вывод переменного электрического сигнала с частотой v на опорный вход синхронного усилителя 9. Фаза на синхронном усилителе 9 настраивается синфазно с модуляцией интенсивности луча источника оптического излучения с высокой энергией фотонов 4. Для этого может быть использован сигнал от модулированного излучения с высокой энергией фотонов, поступающий с фотоприемника 8 в отсутствие оптического фильтра 7, который на время определения фазы извлекается, а затем возвращается в схему. Модуляция интенсивности луча источника оптического излучения с высокой энергией фотонов 4 также может осуществляться за счет модуляции источника накачки излучения - в частности, тока питания в случае лазерного диода. Такая модуляция может заменить собой работу модулятора оптического излучения 5, при этом в качестве источника частоты модуляции v и опорного сигнала для синхронного усилителя 5 может быть применен дополнительный генератор.
ΔR
Компьютером 10 запускается процесс измерения, осуществляется регистрация оцифрованной интерферограммы I(δ) фотомодуляционной составляющей отраженного образцом излучения (фотоотражения).
R
На основе интерферограммы I(δ) отраженного образцом излучения по формулам, основанным на преобразовании Фурье, определяется спектр отражения излучения образцом полупроводникового материала R(Е), а также спектр фазовой ошибки интерферограммы, которые сохраняются в диапазоне, включающем осцилляции Франца-Келдыша.
ΔR
На основе интерферограммы I(δ) фотомодуляционной составляющей отраженного образцом излучения (фотоотражения) по формулам, основанным на преобразовании Фурье и включающим коррекцию фазовой ошибки интерферограммы с использованием найденного спектра фазовой ошибки, определяется спектр фотоотражения ΔR(E) образца полупроводникового материала в диапазоне, включающем осцилляции Франца-Келдыша (в том числе, нормированный к спектру отражения). Коррекция фазовой ошибки интерферограммы позволяет сохранить информацию о знаке сигнала и избежать искажений формы спектра фотоотражения при фурье-преобразовании, что является необходимым условием для определения концентрации свободных носителей заряда.
Выявляются и нумеруются не менее двух экстремумов осцилляций Франца-Келдыша в спектре фотоотражения образца, находятся энергии фотонов, соответствующие положению данных экстремумов. Определяется напряженность электрического поля F вблизи поверхности образца полупроводникового материала по аналитическому соотношению либо графическому построению, включающему номера и энергию фотонов для экстремумов осцилляций Франца-Келдыша в спектре фотоотражения.
Концентрация свободных носителей заряда в образце полупроводникового материала (электронов n либо дырок p) определяется по аналитическим отношениям, включающим найденную напряженность приповерхностного электрического поля в образце, и учитывающим значение поверхностного потенциала (пиннинг уровня Ферми) и тип электропроводности для образца полупроводникового материала.
0
1
2
3
15
-3
Пример спектра фотоотражения полупроводникового материала для эпитаксиального слоя InSb n-типа на сильнолегированной подложке InSb приведен на Фиг. 2. Стрелками показаны экстремумы, соответствующие ширине запрещенной зоны (Е) и осцилляциям Франца-Келдыша (ОФК), пронумерованные соответственно индексам: Е, Е, Е. Нахождение значения приповерхностного электрического поля по положению экстремумов ОФК показано на Фиг. 3, значение напряженности поля составило F=7.7 кВ/см. Концентрация свободных электронов в эпитаксиальном слое InSb, найденная с учетом пиннинга уровня Ферми, соответствующего образованию обогащенного приповерхностного слоя, составила/7=1.8⋅10 [см].
Устройство может быть реализовано на основе типового фурье-спектрометра, содержащего широкополосный источник оптического излучения, интерферометр и фотоприемник (напр. Vertex 80 производства Bruker Optics), в конструкцию которого необходимо внести модификации для обеспечения вывода электрического сигнала с выхода усилителя фотоприемника на вход синхронного усилителя, и ввода выходного сигнала синхронного усилителя на вход аналогово-цифрового преобразователя. Для реализации устройства также могут быть применены типовой синхронный усилитель (напр. SR830 производства Stanford Research Systems), типовые лазеры (напр. LDD-19 с лазерным диодом), модуляторы (напр. оптомеханический модулятор SR540), и персональные компьютеры с типовым программным обеспечением (напр. OPUS для спектрометров производства Bruker Optics).