PL176712B1

PL176712B1 - Method of determining life time of electric charge carriers in semiconductors

Info

Publication number: PL176712B1
Application number: PL94306613A
Authority: PL
Inventors: Marian A. Nowak; Barbara Loncierz
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1999-07-30
Also published as: PL306613A1

Abstract

1. Sposób wyznaczania czasu życia nośników ładunku elektiycznego w półprzewodniBI kach bezkontaktową metodą fotomagnetoelektryczną, polegającą na pomiarze siły elektromotorycznej wyindukowanej w cewce pomiarowej zmianami w czasie pola magnetycznego wywołanego przepływemprądu fotomagnetoelektrycznego w punktowo w zmiennie w czasie oświetlonej próbce półprzewodnika, której oświetlona powierzchnia jest prostopadła do wektora indukcji zewnętrznego pola magnetycznego, znamienny tym, że wyznacza się zależność mierzonej siły elektromotorycznej, a tym samym indukcji pola magnetycznego, wywołanego przepływem prądów fotomagnetoelektrycznych od częstotliwości modulacji promieniowania elektromagnetycznego padającego na próbkę a uzyskane wyniki aproksymuje się zależnością teoretyczną, przy czym jej parametrem dopasowanym jest czas życia nośników ładunku elektrycznego.1. Method of determining the lifetime of electric charge carriers in the BI semiconductor non-contact photomagnetoelectric method, which consists in measuring the electromotive force time changes in the magnetic field induced in the measuring coil induced by the flow of photomagnetoelectric current in pointwise variations in time illuminated semiconductor sample, the illuminated surface of which is perpendicular to an external magnetic field induction vector, characterized in that it is determined by dependence of the measured electromotive force, and thus the magnetic field induction, caused by the flow of photomagnetoelectric currents from the modulation frequency electromagnetic radiation incident on the sample and the obtained results are approximated is based on theoretical dependence, and its adjusted parameter is life time electric charge carriers.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania czasu życia nośników ładunku elektrycznego w półprzewodnikach. Wynalazek może być wykorzystany, na przykład, w przemyśle elektronicznym do optymalizacji produkcji materiałów półprzewodnikowych oraz w badaniach zjawiska rekombinacji nośników w półprzewodnikach.The subject of the invention is a method of determining the lifetime of electric charge carriers in semiconductors. The invention can be used, for example, in the electronics industry to optimize the production of semiconductor materials and to study the phenomenon of recombination of carriers in semiconductors.

Jedną z metod bezkontaktowego wyznaczania czasu życia nośników ładunku w półprzewodnikach jest bezkontaktowa metoda fotomagnetoelektryczną FME [M.Nowak, Progress Quantum Electronics, 11 (1987) 205: J.Hlavka, Rev. Sci. Instrum., 54 (1983) 1386; J.Hlavka, SciptaFac. Sci. Nat. Univ. Purk.Brun. 11 (1981) 231.One of the methods of non-contact determination of the lifetime of charge carriers in semiconductors is the non-contact photomagnetoelectric method FME [M. Nowak, Progress Quantum Electronics, 11 (1987) 205: J. Hlavka, Rev. Sci. Instrum., 54 (1983) 1386; J. Hlavka, SciptaFac. Sci. Nat. Univ. Purk.Brun. 11 (1981) 231.

Metoda ta polega na tym, że światło o energii fotonów większej od szerokości przerwy energetycznej padając na półprzewodnik fotogeneruje w nim nadmiarowe elektrony i dziury. W bezkontaktowej metodzie fotomagnetoelektrycznej J.Hlavka, Rev. Sci, Instrum., 52 (1981) 60 oświetla się punktowo niewielką część próbki półprzewodnikowej. Niejednorodny rozkład natężenia światła po powierzchni badanej próbki wywołuje gradient koncentracji nośników ładunku w płaszczyźnie równoległej do powierzchni próbki. W związku z tym elektrony i dziury dyfundują od obszaru oświetlonego we wszystkich kierunkach. Gdy próbka znajduje się w polu magnetycznym o wektorze indukcji skierowanym prostopadle dojej powierzchni, to siłaLorenza zakrzywia trajektorie ruchu dyfundujących elektronów i dziur. W wyniku tego pojawia się cyrkulacja prądu elektrycznego nadmiarowych nośników ładunku wokół oświetlonego obszaru próbki. Prąd taki, zwany prądem fotomagnetoelektrycznym, jest źródłem nowego pola magnetycznego FME. W przypadku periodycznego modulowania natężenia oświetlenia wywołuje się zmiany natężenia prądu fotomagnetoelektrycznego, a tym samym zmiany w czasie indukcji polaThe method is based on the fact that the light with photon energy greater than the band gap width, when falling on the semiconductor, photogenerates excess electrons and holes in it. In the non-contact photomagnetoelectric method J. Hlavka, Rev. Sci, Instrum., 52 (1981) 60, a small part of a semiconductor sample is illuminated in a spot. The heterogeneous distribution of the light intensity on the surface of the test sample causes a concentration gradient of charge carriers in the plane parallel to the sample surface. Consequently, electrons and holes diffuse from the illuminated area in all directions. When the sample is in a magnetic field with the induction vector perpendicular to its surface, the Lorenz force bends the trajectories of motion of diffusing electrons and holes. As a result, an electric current of excess charge carriers circulates around the illuminated area of the sample. This current, called photo-magnetoelectric current, is the source of the new FME magnetic field. In the case of periodic modulation of the illumination intensity, changes in the intensity of the photomagnetoelectric current are caused, and thus changes during the induction of the field

176 712 magnetycznego FME. Rejestracja tego pola dostarcza pośrednich informacji na temat natężenia prądu fotomagnetoelektrycznego. Ponieważ natężenie tego prądu zależy od czasu życia nośników ładunku elektrycznego w badanym półprzewodniku wielkość pola magnetycznego FME dostarcza informacji o tym parametrze.176 712 magnetic FME. The registration of this field provides indirect information about the intensity of the photomagnetoelectric current. Since the intensity of this current depends on the lifetime of the electric charge carriers in the tested semiconductor, the size of the FME magnetic field provides information about this parameter.

Wadą tej metody jest trudność bezwzględnego wyznaczania czasu życia nośników ładunku x na podstawie zmierzonego pola magnetycznego FME.The disadvantage of this method is the difficulty of absolute determination of the lifetime of charge carriers x from the measured FME magnetic field.

Sposób wyznaczania czasu życia nośników ładunku elektrycznego w półprzewodnikach polega na tym, że wyznacza się zależność mierzonej siły elektromotorycznej, a tym samym indukcji pola magnetycznego, wywołanego przepływem prądów fotomagnetoelektrycznych od częstotliwości modulacji promieniowania elektromagnetycznego padającego na próbkę a uzyskane wyniki aproksymuje się zależnością teoretyczną, przy czymjej parametrem dopasowanym jest czas życia nośników ładunku elektrycznego.The method of determining the lifetime of electric charge carriers in semiconductors is based on the determination of the dependence of the measured electromotive force, and thus the magnetic field induction caused by the flow of photomagnetoelectric currents, on the modulation frequency of electromagnetic radiation falling on the sample, and the obtained results are approximated by the theoretical relationship, where the adjusted parameter is the lifetime of the electric charge carriers.

W innym rozwiązaniu sposób wyznaczania czasu życia nośników ładunku elektrycznego w półprzewodnikach, polega na tym, że wyznacza się zależność mierzonej siły elektromotorycznej, a tym samym indukcji pola magnetycznego, wywołanego przepływem prądów fotomagnetoelektrycznych od częstotliwości modulacji promieniowania elektromagnetycznego padającego na próbkę a uzyskane wyniki porównuje się z zależnością uzyskaną dla próbek wzorcowych o znanym, wyznaczonym standardowymi metodami czasie życia nośników ładunku elektrycznego.In another solution, the method of determining the lifetime of electric charge carriers in semiconductors consists in determining the dependence of the measured electromotive force, and thus the magnetic field induction caused by the flow of photomagnetoelectric currents, on the modulation frequency of electromagnetic radiation falling on the sample, and the obtained results are compared with the relationship obtained for standard samples with a known lifetime of electric charge carriers determined by standard methods.

Zaletą sposobu według wynalazku jest wyeliminowanie potrzeby posiadania kontaktów na badanej próbce. Jako metoda bezkontaktowa stwarza on szczególnie dogodne warunki do badań materiałów warstwowych oraz badań nad wpływem obróbek technologicznych na badany materiał. W porównaniu z do tej pory stosowaną bezkontaktową metodą fotomagnetoelektryczną wyznaczania czasu życia nośników ładunku elektrycznego unika się wyznaczania bezwzględnego związku wielkości rejestrowanego sygnału z badanym parametrem. Związek ten zależy nie tylko od używanego stanowiska ale również od rodzaju badanego materiału (np. zależy do ruchliwości nośników ładunku elektrycznego).The advantage of the method according to the invention is that there is no need to have contacts on the test sample. As a non-contact method, it creates particularly favorable conditions for testing layered materials and research on the influence of technological treatments on the tested material. Compared to the so far used non-contact photomagnetoelectric method for determining the lifetime of electric charge carriers, it is avoided to determine the absolute relationship between the magnitude of the recorded signal and the parameter under study. This relationship depends not only on the station used, but also on the type of the tested material (e.g. it depends on the mobility of electric charge carriers).

Przykład. Wykorzystano w tym celu następujące stanowisko badawcze składające się z lasera He-Ne emitującego światło o długości fali λ = 632,8 nm. Promieniowanie tego lasera było modulowane elektronicznie za pomocą generatora sterującego zasilaczem. Próbkę umieszczono między biegunami magnesów trwałych. W prezentowanym przypadku magnesy wykonane z NdaFeiąB wytwarzały pole magnetyczne o indukcji 1,1 T w obszarze, w którym umieszczona była próbka. W jednym z magnesów został wykonany metodą elektrodrążenia otwór o średnicy 1 mm, przez który promieniowanie oświetlało badany materiał. Pomiędzy magnesami umieszczona była także indukcyjna cewka pomiarowa. Światło lasera doprowadzone było do otworu w magnesie światłowodem. Przy tym jego natężenie było monitorowane w trakcie wykonywania pomiarów. Indukowany w cewce pomiarowej sygnał był mierzony za pomocą nanowoltomierza EG&G 5110. Pomiary były sterowane mikrokomputerem IBM PC/XT poprzez magistralę IEC-625. Badana próbka półprzewodnikowa o grubości d=350 pm, była wykonana z krystalicznego Si krzemu typu -p o orientacji (100), domieszkowanego borem i oporze właściwym = 100 Qcm. Zmieniając częstotliwość modulacji promieniowania laserowego zarejestrowano zależność sygnału indukowanego w cewce pomiarowej od indukcji pola magnetycznego FME, (a tym samym wywołanego przepływem prądu fotomagnetoelektrycznego) od częstotliwości modulacji promieniowania elektromagnetycznego padającego na badaną próbkę. Uzyskane wyniki aproksymowano zależnością teoretyczną na podstawie której otrzymano czas życia nośników ładunku elektrycznego x = (3,1310,04)40^-)^].Example. For this purpose, the following test stand was used, consisting of a He-Ne laser emitting light with a wavelength of λ = 632.8 nm. The radiation of this laser was electronically modulated by a generator controlling the power supply. The sample was placed between the poles of the permanent magnets. In the presented case, magnets made of NdaFeiąB generated a magnetic field with an induction of 1.1 T in the area where the sample was placed. In one of the magnets, a hole with a diameter of 1 mm was made in one of the magnets, through which the radiation illuminated the tested material. An inductive measuring coil was also placed between the magnets. The laser light was led to the hole in the magnet with an optical fiber. At the same time, its intensity was monitored during the measurements. The signal induced in the measuring coil was measured with an EG&G 5110 nanovoltmeter. The measurements were controlled by an IBM PC / XT microcomputer via the IEC-625 bus. The tested semiconductor sample with a thickness of d = 350 µm was made of crystalline Si silicon of the orientation type (100), doped with boron and resistive = 100 µm. By changing the frequency of laser radiation modulation, the dependence of the signal induced in the measuring coil on the FME magnetic field induction (and thus caused by the flow of photomagnetoelectric current) on the modulation frequency of electromagnetic radiation incident on the test sample was recorded. The results obtained are approximated by a theoretical relationship based on the obtained time of the electric charge carrier lifetime = x (3,1310,04) 40 ^-) ^].

176 712176 712

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 70 copies

Cena 2,00 zł.Price PLN 2.00.

Claims

Patent claims

1. Method of determining the lifetime of electric charge carriers in semiconductors using the non-contact photomagnetoelectric method, consisting in the measurement of the electromotive force induced in the measuring coil with the time changes of the magnetic field caused by the flow of photomagnetoelectric current in point-wise time-varying illuminated semiconductor sample, the illuminated surface of which is perpendicular to the vector an external magnetic field induction, characterized by; that the dependence of the measured electromotive force, and thus the magnetic field induction caused by the flow of photomagnetoelectric currents, on the modulation frequency of the electromagnetic radiation incident on the sample is determined, and the obtained results are approximated by the theoretical dependence, with the adjusted parameter being the life time of electric charge carriers.

2. The method of determining the lifetime of electric charge carriers in semiconductors using the non-contact photomagnetoelectric method, consisting in measuring the electromotive force induced in the measuring coil with the time changes of the magnetic field caused by the flow of photomagnetoelectric current in point-wise time-varying illuminated semiconductor sample, the illuminated surface of which is perpendicular to the vector external magnetic field induction, characterized by determining the dependence of the measured electromotive force, and thus the magnetic field induction caused by the flow of photomagnetoelectric currents, on the modulation frequency of electromagnetic radiation incident on the sample, and the obtained results are compared with the dependence obtained for standard samples with known, life time of electric charge carriers determined by standard methods.