УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ (ВАРИАНТЫ)
APPARATUS FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF LIFETIME OF NONEQUILIBRIUM CHARGE CARRIERS SEMICONDUCTORS (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при исследовании как полупроводниковых материалов, так и полупроводниковых приборов, созданных на их основе. В частности, целесообразно применять данное устройство в тех случаях, когда невозможно изготовить контакты к исследуемому образцу, например при межоперационном контроле полупроводниковых структур при разработке технологического процесса производства нового полупроводникового прибора или при исследовании эпитаксиальных слоев.
Известны устройства для бесконтактного определения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках [1, 2]. Все эти устройства имеют главный недостаток - для измерения времени жизни используется СВЧ-излучение. В этом случае использование волноводных систем накладывает ограничение на размеры исследуемого полупроводникового образца. Кроме того, в открытых системах, где образец облучается СВЧ-излучением с помощью антенны, СВЧ-излучение оказывает вредное воздействие на обслуживающий персонал.
Ближайший аналог, выбранный в качестве прототипа, - устройство для измерения времени жизни неравновесных носителей тока по поглощению света в исследуемых полупроводниках. Это устройство описано в [3]. Оно содержит оптический инжектор, оптический зонд, фотоприемник и измеряемый полупроводниковый образец. Полупроводниковый образец освещается светом оптического инжектора с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны полупроводника. При этом в нем образуются неравновесные носители тока. Одновременно образец освещается длинноволновым светом оптического зонда с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника. Для этого длинноволнового света образец прозрачен. Показатели преломления и поглощения зондирующего луча, а значит, интенсивность прошедшего через образец оптического зонда зависят от концентрации неравновесных носителей тока, созданных оптическим инжектором. Так как концентрация неравновесных носителей тока зависит от их времени жизни, то можно по интенсивности прошедшего через образец длинноволнового света определить время жизни неравновесных носителей тока по формуле
где τ - время жизни носителей; М - отношение интенсивности прошедшего или отраженного образцом света оптического зонда при включенном оптическом инжекторе к интенсивности прошедшего или отраженного света при выключенном инжекторе; R - коэффициент отражения граней образца; β - квантовый выход фотоионизации; σ - сечение поглощения света неравновесными носителями; θ - поток фотонов накачки.
Известное устройство производит измерения бесконтактно и не разрушая образца. Кроме того, локальность измерений достаточно высока, так как световые лучи можно легко сфокусировать. Данное устройство наиболее близко к предлагаемому изобретению и является его прототипом.
Однако описанное выше устройство имеет ряд существенных недостатков.
1) Необходимо знать заранее ряд параметров исследуемого полупроводникового образца (β, σ, R), причем такой параметр, как коэффициент отражения грани образца R, будет зависеть не только от свойств исследуемого полупроводникового материала, но и от способа и качества обработки поверхности конкретного исследуемого образца.
2) Необходимо измерять интенсивность света оптического инжектора в абсолютных единицах, что сложно выполнить с достаточно высокой точностью.
3) Необходимость измерения амплитуд малых изменений интенсивности зондирующего света накладывает жесткие требования на оптический измерительный тракт, что также приводит к ограничению чувствительности известного устройства в области малых времен жизни.
Еще более затруднительным оказывается применение устройства-прототипа для измерения времени жизни неравновесных носителей тока в эпитаксиальных слоях. Действительно, такие параметры, как σ и R, в эпитаксиальном слое могут существенно отличаться от параметров, характеризующих монолитный образец из того же материала, а точное определение величины эффективно поглощенных квантов (произведение θ и β) в абсолютных единицах в эпитаксиальном слое вообще представляет собой отдельную и довольно сложную задачу. Указанные причины приводят к возможности возникновения значительной систематической ошибки при определении времени жизни неравновесных носителей тока в эпитаксиальных слоях при помощи устройства-прототипа, т.е. делают его непригодным для решения данной задачи.
Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения за счет получения возможности измерения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках, для которых значения параметров β, σ, R неизвестны, а также повышение точности измерения.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее источник света (оптический инжектор) с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны измеряемого полупроводника; монохроматический источник света (оптический зонд) с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника; и фотоприемник, регистрирующий прошедшее через образец или отраженное им монохроматическое излучение, вводятся модулятор оптического инжектора, обеспечивающий калиброванную частоту модуляции, и измеритель разности фаз.
Необходимо отметить, что модуляция инжектирующего излучения может осуществляться двумя разными способами. Модулятор может входить как самостоятельный узел в оптический инжектор, формирующий, например, переменное питающее напряжение источника излучения (фиг.1). С другой стороны, модулятор может представлять собой отдельный блок, установленный на пути зондирующего луча (например, электрооптический или магнитооптический модулятор) (фиг.2).
Время жизни носителей заряда можно определять по параметрам как пропущенного через образец, так и отраженного от образца зондирующего излучения. Регистрация пропущенного или отраженного зондирующего луча будет определять положение фотоприемника в предлагаемом устройстве (за образцом - работа «на просвет» или перед образцом - работа «на отражение»). На фиг.1 и фиг.2 оптический тракт устройства, регистрирующий пропущенное через образец зондирующее излучение, показан сплошной линией, а оптический тракт устройства, регистрирующий отраженное от образца зондирующее излучение, показан прерывистой линией.
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.
На фиг.1 изображена блок-схема устройства для бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей заряда с модулятором, который входит как самостоятельный узел в оптический инжектор.
На фиг.2 изображена блок-схема устройства для бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей заряда с модулятором, который представляет собой отдельный блок, установленный на пути зондирующего луча.
Устройство, две модификации которого представлены на фиг.1 и фиг.2, содержит: 1 - источник света с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника, - оптический зонд; 2 - источник света с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника, - оптический инжектор; 3 - модулятор оптического инжектора; 4 - исследуемый образец; 5 - фотоприемник, регистрирующий излучение оптического зонда при работе «на просвет»; 5' - фотоприемник, регистрирующий излучение оптического зонда при работе «на отражение»; 6 - измеритель разности фаз.
Устройство работает следующим образом. При освещении полупроводника 4 светом оптического инжектора 2, промодулированного по интенсивности, модулятором 3, например, по закону
,
0
0
в нем генерируются неравновесные носители тока. При этом генерационный член уравнения непрерывности имеет вид: g=gexp(iωt)+g, и решением уравнения непрерывности для переменной составляющей концентрации неравновесных носителей заряда (без учета диффузии носителей заряда) является функция
где φ*=-arctg(ωt) - задержка по фазе относительно функции генерации.
Колебания концентрации неравновесных носителей тока вызывают синхронные колебания пропускания и отражения исследуемым образцом 4 света оптического зонда 1, которые регистрируются фотоприемником 5. Величина фазовой задержки φ* сигнала модуляции света оптического зонда 1 относительно сигнала модуляции света оптического инжектора 2 определяется измерителем разности фаз 6 и пересчитывается во время жизни неравновесных носителей тока по формуле
где f - частота модуляции света оптического инжектора.
Таким образом, из работы устройства следует, что при сохранении всех достоинств, характерных для прототипа, а именно: бесконтактности измерений, высокой локальности, неразрушающего характера измерений, - при использовании предлагаемого устройства обеспечивается возможность проведения измерений в полупроводниках, для которых значения параметров β, σ, R неизвестны, и снижается возможность появления систематической ошибки.
Действительно, во-первых, измерение τ при помощи предложенного устройства не требует знания параметров, характеризующих исследуемый материал, и определения величины эффективно поглощенных квантов инжектирующего излучения в абсолютных единицах, что, как уже отмечалось, представляет собой довольно сложную задачу; во-вторых, в эксперименте фиксируются только непосредственно временные параметры (частота f и фазовая задержка - φ*) зондирующего излучения, что можно осуществить с высокой точностью. Это определяется возможностью применения в предлагаемом техническом решении прецизионного генератора и селективного усилителя, в результате чего возможно проведение измерений с высокой точностью в тех случаях, когда интенсивность сигнала сравнима и даже меньше величины шумов оптического приемника и определение величин времени жизни с использованием устройства-прототипа не представляется возможным; в-третьих, регистрируемые в эксперименте параметры (f; φ*) непосредственно связаны с измеряемой величиной - временем жизни τ (см. формулу 2), что приводит к значительно меньшей погрешности в определении искомой величины, чем при использовании формулы (1), согласно устройству-прототипу.
Сравним количественно относительные погрешности определения величин τ, и согласно предлагаемому техническому решению, и согласно устройству-прототипу. В предлагаемом решении τ определяется по формуле (2). Тогда относительная погрешность в соответствии с предлагаемым решением будет
С помощью формул тригонометрии выражение можно привести к виду
.
-4
Выберем частоту модуляции инжектора f так, чтобы фазовый сдвиг φ* был равен π/4. При этом знаменатель первой дроби обращается в единицу (sin2Δφ*=1). Так как прецизионные измерители разности фаз, например Ф2-34, обеспечивают погрешность φ* порядка 0,02°, то, переводя Δφ* в радианную меру, получим для первого слагаемого значение 7·10
-5
Относительная погрешность, связанная с регистрацией частоты генератора Г3-111, составляет порядка 10.
-4
-3
Таким образом, относительная погрешность измерения τ предлагаемым устройством составляет примерно 7·10≈10
-4
-5
-4
-3
1
7·10+1·10≈7,1·10<ε=10.
Покажем, что относительная погрешность прототипа выше. Для него:
.
-1
По названным выше причинам относительные погрешности величин β и θ оказываются достаточно высокими и составляют не менее 10%, т.е. в результате относительная погрешность измерения в прототипе ≈2·10.
Видим, что точность определения величины τ согласно предлагаемому техническому решению выше почти на два порядка, чем при использовании устройства-прототипа.
Таким образом, сравнение отличительных признаков заявляемого технического решения с тождественными признаками известных технических решений показало, что предлагаемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как не было выявлено у известных решений признаков, тождественных отличительным признакам заявляемого объекта, сообщающих объекту те же свойства.
x
1-x
15
-3
Пример. Необходимо измерить время жизни неравновесных носителей τ в эпитаксиальной пленке CdHgTe на CdTe, x=0,22. Толщина пленки 1=15 мкм, концентрация р=2·10 см. Исследовались два образца (1 - Л-90-288-5; 2 - Л-90-288-7), изготовленные на научно-производственном объединении «Светлана».
2
z
и
Блок-схема устройства представлена на фиг.3. Устройство состоит из: 1 - источник зондирующего излучения (СO - лазер ЛГ-74 с длиной волны излучения λ=10,6 мкм); 2 - источник инжектирующего излучения (гелий-неоновый лазер ЛГ-126 с длиной волны излучения λ=3,39 мкм); 3 - прецизионный задающий генератор Г3-101 (калиброванная частота f выбиралась около 100 кГц) с усилителем и электрооптический модулятор инжектирующего излучения МЛ-7; 4 - исследуемый образец; 5 - фотоприемник (охлаждаемый, типа «Вулкан»); 6 - измеритель разности фаз Ф2-34.
Времена жизни τ в исследуемых образцах оказались следующими: 1-й образец (Л-90-288-5) - 4 мкс; 2-й образец (Л-90-288-7) - 2,8 мкс.
Затем образцы были подвергнуты термообработке в воздушной среде в течение 48 часов при температуре Т=300 К. Повторные измерения указали на деградацию эпитаксиального слоя. Время жизни в обоих образцах уменьшилось до τ=0,2 мкс.
Литература
[1] Заявка Японии №57-10571Б 59-53703
[2] Jap. J. Appl. Phys., 1979, v.18, №11, p.2171-2172
[3] D.L.Polla // IЕЕЕ Electron. Dev. Lett., ED-4,1983, №6, p.185-187.