СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КВАНТОВОГО ВЫХОДА ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
METHOD OF MEASURING QUANTUM OUTPUT OF INTERNAL PHOTOELECTRIC EFFECT IN SEMICONDUCTORS

Изобретение относится к исследованию оптических свойств и метрологии полупроводников и фотоэлектрических структур, а именно к измерению квантового выхода внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.
Квантовый выход внутреннего фотоэффекта в полупроводниках определяется как количество электронно-дырочных пар, генерируемых при поглощении одного фотона.
g
g
g
g
g
g
g
0
g
Существующие способы измерения электрофизических параметров носителей заряда основываются на теоретическом положении, что квантовый выход внутреннего фотоэффекта κ(λ) равен нулю при длинах волн излучения λ, равных или больше красной границы фотоэффекта, λ=hc/E, где E - ширина запрещенной зоны полупроводника, h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме, и равен единице в области собственного поглощения полупроводника λ<λ. Однако в действительности квантовый выход внутреннего фотоэффекта, начиная со значения κ(λ)=0, резко растет до единицы при уменьшении длины волны излучения в области λ/2≤λ≤λ, а в далекой коротковолновой области λ<λ=λ/2, где энергия фотона достаточна для образования двух и более электронно-дырочных пар, может значительно и даже в несколько раз превышать единицу.
Отсутствие в настоящее время достаточно достоверных способов измерения величины квантового выхода внутреннего фотоэффекта обуславливает возможные большие ошибки при обычных способах определения диффузионных и рекомбинационных параметров в тонких поверхностных слоях фотодиодных структур и фотопреобразователей и при оценке рекомбинационных параметров освещаемой поверхности.
Известен способ определения внутреннего квантового выхода для светодиодных структур (А.с. СССР №1005605, 1982, МПК H01L 21/66), основанный на совместном измерении фототока короткого замыкания, потока фотолюминесценции и внешнего квантового выхода электролюминесценции в полупроводниковых структурах с p-n-переходом.
Недостатками указанного способа являются громоздкость и сложность конструкции устройства измерения, низкие точность и достоверность из-за совместного измерения параметров сразу трех различных фотоэлектрических и электрофизических явлений в полупроводниках, связанных между собой, низкая чувствительность.
В качестве прототипа принят способ измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта в полупроводниках (Вавилов B.C., Брицын К.И. О квантовом выходе внутреннего фотоэффекта в германии. ЖЭТФ, т.34, вып.2, 1958, с.521), включающий подачу электромагнитного излучения на поверхность фотоприемника, измерение спектральной чувствительности, определение коэффициента отражения и вычисление квантового выхода.
Указанный способ основан на измерении фототока в плоском полупроводниковом фотопреобразователе, включающем тонкий легированный слой на всей освещаемой поверхности, плоский p-n-переход на малой глубине от поверхности и невыпрямляющий контакт на тыльной стороне. Для определения квантового выхода производится измерение спектрального фототока для длин волн в глубине основной полосы поглощения полупроводника, соответствующих условию полного поглощения излучения в легированном слое, и определение коэффициента разделения носителей заряда. Расчеты производятся при условии, что коэффициент разделения носителей заряда не зависит от длины волны излучения, а встроенное электрическое поле существует только в области p-n-перехода, т.е. легированный слой является однородным. Однако используемые в прототипе фотоприемники реально этим условиям не соответствуют.
Недостатками указанного способа являются:
- сложность процесса измерений, т.к. для определения квантового выхода необходимо измерение нескольких физических величин и использование теоретической модели переноса носителей заряда в полупроводниковом слое;
- низкие достоверность и точность результатов измерений, узкий спектральный диапазон, т.к. использованная модель однородного легированного слоя не соответствует реальным структурам фотопремника, содержащим неоднородное распределение легирующих примесей, которое приводит к возникновению встроенных электрических полей; использованное условие, что коэффициент разделения носителей заряда не зависит от длины волны излучения, не справедливо для реальных фотоприемников прототипа с неоднородными легированными слоями на освещаемой поверхности; не учитывается возможность возникновения на поверхности легированного слоя так называемого «мертвого слоя», в котором не происходит фотогенерация и перенос носителей заряда.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса измерения, повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона.
Вышеуказанный результат достигается тем, что в способе измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта в полупроводниках, включающем подачу электромагнитного излучения на поверхность фотоприемника, измерение спектральной чувствительности, определение коэффициента отражения и вычисление квантового выхода, в качестве фотоприемника используются фотоэлектрические мезоструктуры, в которых коэффициент разделения носителей заряда является неизменным в широкой спектральной области длин волн, меньших характеристической длины волны структуры, и характеризующиеся теоретической моделью расчета, измеряется одна физическая величина и квантовый выход излучения с длиной волны λ определяется формулой
0
g
g
где λ=hc/2E - длина волны, при которой квантовый выход априорно равен единице, E - ширина запрещенной зоны полупроводника, h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме, J(λ) - спектральная чувствительность мезоструктуры на длине волны λ, R(λ) - коэффициент отражения излучения.
Также повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона достигаются тем, что дополнительно проводится контроль разброса в измерениях квантового выхода внутреннего фотоэффекта на мезоструктурах с пассивированной частью рабочих поверхностей, свободных от барьеров, разделяющих носители, и контактов к ним.
Для повышения точности измерений и расширения спектрального диапазона также дополнительно определяются зависимости квантового выхода от физико-химических свойств полупроводника и используются фотоэлектрические мезоструктуры с разным химическим составом, разным типом и уровнем легирования, а также упрощение процесса измерений достигается тем, что используется одна мезоструктура.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 приведены реальные зависимости, полученные для обычных фотоприемников.
На фиг.2 приведены спектральные зависимости коэффициента разделения носителей заряда Q(λ), рассчитанные для кремниевых фотоприемников в виде мезоструктур.
6
На фиг.1 представлены зависимости: для легированного слоя - 1; для базы - 2; суммарный коэффициент - 3. Измеряемый фотоприемник содержит поверхностный легированный слой толщиной 1 мкм с поверхностной рекомбинацией в нем 10 см/с и базу.
4
3
2
На фиг.2 зависимости представлены для ряда значений скорости поверхностной рекомбинации: зависимость для скорости поверхностной рекомбинации 10 см/с - 4; зависимость для скорости поверхностной рекомбинации 10 см/с - 5; зависимость для скорости поверхностной рекомбинации 10 см/с - 6; зависимость для скорости поверхностной рекомбинации 0 см/с - 7. Ширина p-n перехода на освещаемой поверхности измеряемой фотоэлектрической мезоструктуры и металлического контакта к нему w=4 мкм, толщина базовой области р-типа d=300 мкм и диффузионная длина неосновных носителей заряда в этой области (электронов) L=158 мкм.
Каждая используемая фотоэлектрическая мезоструктура для измерения характеризуется теоретической моделью расчета. Для каждой мезоструктуры определена система уравнений: уравнение для избыточной концентрации неосновных носителей заряда в базовой области фотоэлектрической мезоструктуры при монохроматическом освещении и уравнения граничных условий.
Исследование такой системы соответствует задаче математической физики для неодномерных структур с разрывом граничных условий на поверхности элемента при х=0. Решение задачи относится к так называемым проблемам Гилберта (Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. // М.: Наука. 1972).
Ожидаемый результат измерения квантового выхода практически не зависит от фотоэлектрических и рекомбинационных параметров объема и поверхности полупроводника.
Способ позволяет с помощью специальной компьютерной программы находить пространственные распределения концентрации и потоков носителей заряда и определять чувствительность рассматриваемых фотоэлектрических мезоструктур.
Спектральная чувствительность мезоструктуры J(λ) [мкА/мВт] определяется выражением:
,
где: λ [нм] - длина волны излучения; h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; hc [эВ·мкм]=1,239; R(λ) - коэффициент отражения излучения, κ(λ) - квантовый выход внутреннего фотоэффекта, Q(λ) - коэффициент разделения носителей заряда барьером.
4
3
2
Фотопреобразователь прототипа обладает, как и указывалось выше, резко выраженной зависимостью фоточувствительности от длины волны, что подтверждают кривые, приведенные на фиг.1. Это резко контрастирует с используемой в предлагаемом способе мезоструктурой, в которой коэффициент разделения фактически имеет П-образную форму в широкой спектральной области практически при любых значениях скорости поверхностной рекомбинации S. Описанный эффект демонстрируют кривые на фиг.2. Кривые 4-7 соответствуют различным значениям скорости поверхностной рекомбинации: кривая 4 - 10 м/с; кривая 5 - 10 см/с; кривая 6 - 10 м/с; кривая 7 - 0 см/с, и при этом коэффициент разделения фактически имеет П-образную форму в широкой спектральной области.
Выявленная особенность мезоструктуры фотоприемника, используемого в предложенном изобретении, является физической основой создания высокоэффективного способа измерения квантового выхода.
g
g
g
g
g
g
0
g
Современные теоретические представления включают положения, что квантовый выход внутреннего фотоэффекта κ(λ) равен нулю при длинах волн излучения λ, равных или больше красной границы фотоэффекта, λ=hc/E, где E - ширина запрещенной зоны полупроводника, (κ(λ)=0), и резко растет до единицы при уменьшении длины волны излучения в области λ/2≤λ≤λ, а в далекой коротковолновой области λ<λ=λ/2, где энергия фотона достаточна для образования двух и более электронно-дырочных пар, может значительно и даже в несколько раз превышать единицу.
s
s
0
0
0
0
Изобретение основано на том, что для длин волн λ<λ, где λ>λ - характеристическая длина волны для используемой фотоэлектрической мезоструктуры, коэффициент разделения носителей заряда Q(λ) является практически неизменным. Это позволяет установить следующую связь между спектральной чувствительностью J(λ) в данной области длин волн и спектральной чувствительностью J(λ) Для длины волны λ, при которой квантовый выход априорно равен единице (κ(λ)=1):
,
которая используется для экспериментального определения квантового выхода посредством измерения спектральной чувствительности и определения коэффициента отражения излучения в предложенной фотоэлектрической мезоструктуре.
s
Квантовый выход излучения с длиной волны λ в спектральной области λ<λ с неизменным значением коэффициента разделения носителей заряда в структуре определяется формулой
,
0
g
g
s
0
где λ=hc/2E - длина волны, при которой квантовый выход априорно равен единице, E - ширина запрещенной зоны полупроводника, h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме, λ>λ - характеристическая длина волны для мезоструктуры, J(λ) - спектральная чувствительность мезоструктуры на длине волны λ, R(λ) - коэффициент отражения излучения.
Для повышения чувствительности измерений за счет снижения поверхностной рекомбинации полупроводника и для контроля разброса в измерениях квантового выхода внутреннего фотоэффекта дополнительно используются мезоструктуры с пассивированной частью рабочих поверхностей, свободной от барьеров, разделяющих носители, и контактов к ним.
Пример измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.
Выбирается измеряемая мезоструктура, характеризующаяся теоретической моделью расчета. Параметры мезоструктуры: ширина p-n-перехода на освещаемой поверхности и металлического контакта к нему w=4 мкм, толщина базовой области р-типа d=300 мкм и диффузионная длина неосновных носителей заряда в этой области (электронов) L=158 мкм.
Проводится расчет фотоэлектрических характеристик элемента кремниевого фотоприемника в виде фотоэлектрической мезоструктуры для освещения монохроматическим излучением с заданной длиной волны λ. С помощью специальной компьютерной программы находят пространственные распределения концентрации и потоков носителей заряда и определяют коэффициент разделения носителей p-n-переходом в рассматриваемой мезоструктуре.
4
3
2
s
s
s
s
На фиг.2 приведены рассчитанные спектральные зависимости коэффициента разделения носителей заряда Q(λ) для ряда значений скорости поверхностной рекомбинации S, см/с: 1 - 10, 2 - 10, 3 - 10, 4 - 0. Результаты показывают, что в широкой области длин волн λ<λ, где λ - характеристическая длина волны для мезоструктуры, коэффициент разделения носителей заряда практически не зависит от λ. По результатам расчета производится приближенная оценка λ. Представленные на фиг.2 кривые показывают значения λ≈0,8-0,9 мкм. Они являются типичными для широкозонных полупроводников типа кремния или арсенида галлия и слабо зависят от конструктивных, диффузионных и рекомбинационных параметров мезоструктуры.
s
Далее подают на мезоструктуру монохроматическое излучение с определенной длиной волны λ из спектральной области λ<λ и известными экспериментальными методами определяют фоточувствительность мезоструктуры на этой длине волны J(λ) и соответствующий коэффициент отражения излучения R(λ).
0
g
g
0
0
s
0
0
Затем подают на мезоструктуру монохроматическое излучение с длиной волны λ=hc/2E, при которой квантовый выход априорно равен единице. Здесь: E - ширина запрещенной зоны полупроводника, h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме. Данная длина волны (в частности, для кремния λ≈0,6 мкм) также удовлетворяет условию λ<λ. Известными экспериментальными методами определяют фоточувствительность мезоструктуры J(λ) и соответствующий коэффициент отражения излучения R(λ).
Рассчитывают квантовый выход фотоэффекта на длине волны λ по формуле
Предлагаемый способ позволяет обеспечить максимально упрощенное и, как следствие, максимально точное измерение посредством измерения единственной физической величины.
s
Результат измерения квантового выхода в области длин волн λ<λ является с высокой точностью пригодным для всех конструктивных параметров систем при любых фотоэлектрических и рекомбинационных параметрах объема и поверхности полупроводника.