RU1805512C

RU1805512C - Method for determining electrophysical parameters of semiconductors

Info

Publication number: RU1805512C
Application number: SU904857161A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Подшивалов; Владимир Васильевич Масалов; Эдуард Анатольевич Ильичев
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических проблем им.Ф.В.Лукина
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1993-03-30

Abstract

Образец полупроводника облучают электромагнитным излучением с энергией квантов, достаточной дл генерации свободных носителей зар да и модулированным по интенсивности с частотой, равной обратной величине ожидаемого времени жизни свободных носителей зар да. Электромагнитное излучение локализуют на контролируемом участке поверхности образца. Образец помещают в область пространства, примыкающую к соленоиду, в которой магнитное поле этого соленоида при пропускании по нему электрического тока отлично от нул , На образец воздействуют внешним посто нным магнитным полем, вектор индукции которого перпендикул рен рабочей поверхности образца, параллелен оси соленоида и направлению облучени . Выбирают величину магнитной индукции посто нного магнитного пол из услови , что радиус вращени свободных носителей зар да, генерируемых электромагнитным излучением, превышает длину свободного пробега носителей зар да. Измер ют амплитуду и фазу переменной ЭДС на выводах соленоида, по которым определ ют искомый параметр. 2 ил, СО СA semiconductor sample is irradiated with electromagnetic radiation with a quantum energy sufficient to generate free charge carriers and modulated in intensity with a frequency equal to the reciprocal of the expected lifetime of free charge carriers. Electromagnetic radiation is localized on a controlled portion of the surface of the sample. The sample is placed in a region of space adjacent to the solenoid, in which the magnetic field of this solenoid when the electric current is passed through it is different from zero. The sample is exposed to an external constant magnetic field, the induction vector of which is perpendicular to the working surface of the sample, parallel to the axis of the solenoid and the direction of irradiation . The magnitude of the magnetic induction of a constant magnetic field is selected from the condition that the radius of rotation of the free charge carriers generated by electromagnetic radiation exceeds the mean free path of the charge carriers. The amplitude and phase of the variable EMF are measured at the terminals of the solenoid, from which the desired parameter is determined. 2 silt, WITH

Description

Изобретение относитс к области техники контрол электрофизических параметров полупроводников. Наиболее целесообразно использовать изобретение дл локального контрол таких параметров высокоомных полупроводников, как врем жизни носителей зар да и длина свободного пробега.The invention relates to the field of technology for monitoring the electrophysical parameters of semiconductors. It is most expedient to use the invention for local monitoring of parameters of high-resistance semiconductors such as the lifetime of charge carriers and the mean free path.

Целью изобретени вл етс повышение локальности измерений и упрощение аппаратуры дл реализации предлагаемого способа.The aim of the invention is to increase the localization of measurements and simplify the apparatus for implementing the proposed method.

Сущность изобретени состоит в использовании эффекта диамагнитизма неравновесной полупроводниковой плазмы, генерируемой электромагнитным излучением . Ранее этот эффект дл контрол полупроводников не использовалс . Эффект заключаетс в том, что свободные носители зар да, генерируемые излучением приобретают в магнитном поле диамагнитный момент . Величина этого момента определ етс интенсивностью излучени , величиной индукции магнитного пол , временем жизни и длиной свободного пробега свободных носителей зар да. При облучении полупроводника излучением, мен ющимс по интенсивности во времени, диамагнитный момент также измен етс во времени. При этом измен етс эффективна магнитна проницаемость полупроводника и соответственно величина магнитногоThe essence of the invention consists in using the effect of diamagnetism of a nonequilibrium semiconductor plasma generated by electromagnetic radiation. Previously, this effect has not been used to control semiconductors. The effect is that free charge carriers generated by radiation acquire a diamagnetic moment in a magnetic field. The magnitude of this moment is determined by the radiation intensity, the magnitude of the magnetic field induction, the lifetime, and the mean free path of the free charge carriers. When a semiconductor is irradiated with radiation that varies in intensity over time, the diamagnetic moment also changes over time. In this case, the effective magnetic permeability of the semiconductor and, accordingly, the magnitude of the magnetic

0000

о ел елoh eaten

юYu

потока через соленоид, что приводит к по влению на выводах соленоида электрического напр жени пропорционального производной от магнитного потока по времени , который в свою очередь пропорционален количеству свободных носителей зар да. Таким образом напр жение на выводах соленоида определ етс в конечном счете параметрами полупроводника (а также контролируемыми параметрами внешнего воздействи ). При проведении измерений выходной сигнал снимаетс непосредственно с выводом соленоида, что существенно упрощает аппаратуру, необходимую дл реализации предлагаемого способа .flux through the solenoid, which leads to the appearance on the terminals of the solenoid of the electric voltage proportional to the time derivative of the magnetic flux, which in turn is proportional to the number of free charge carriers. Thus, the voltage at the terminals of the solenoid is ultimately determined by the parameters of the semiconductor (as well as the controlled parameters of the external influence). During measurements, the output signal is taken directly with the output of the solenoid, which greatly simplifies the equipment necessary for implementing the proposed method.

Предлагаемый способ обеспечивает высокую локальность измерений поскольку электромагнитное излучение, например, инфракрасного диапазона может быть сфокусировано в п тно диаметром несколько микрон. Электромагнитное излучение может быть также подведено с помощью гибкого световода диаметром несколько дес тков микрон; локальность измерени в этом случае имеет пор док диаметра световода .The proposed method provides high localization of measurements since electromagnetic radiation, for example, of the infrared range, can be focused into spots with a diameter of several microns. Electromagnetic radiation can also be supplied using a flexible fiber with a diameter of several tens of microns; the locality of the measurement in this case is of the order of the diameter of the fiber.

На фиг, 1 приведена функциональна блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - эквивалентна электрическа схема позвол юща рассчитать параметры выходного сигнала, их зависимость от параметров полупроводника .In Fig. 1 shows a functional block diagram of a device that implements the proposed method; in FIG. 2 - an equivalent electrical circuit allowing calculating the parameters of the output signal, their dependence on the parameters of the semiconductor.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит (см. фиг. 1) из соленоида 1, подключенного к регистрирующему прибору 2 и наход щегос между полюсами электромагнита 3, световода 4, светодиода 5. Светодиод 5 подключен к генератору б через выпр мительный диод 7 и ограничивающее сопротивление 8. Переменна емкость 9 подключена параллельна соленоиду 1. Контролируема полупроводникова пластина 10 находитс у торца соленоида 1.A device that implements the proposed method consists (see Fig. 1) of a solenoid 1 connected to a recording device 2 and located between the poles of an electromagnet 3, a fiber 4, an LED 5. The LED 5 is connected to the generator b through a rectifier diode 7 and limiting resistance 8. A variable capacitance 9 is connected parallel to the solenoid 1. A controlled semiconductor wafer 10 is located at the end of the solenoid 1.

На эквивалентной схеме (фиг. 2) через обозначена индуктивность соленоида, через С -емкость контура, через RI - активное сопротивление соленоида, через R2 - активное сопротивление, характеризующее омические потери в полупроводнике (при интенсивности излучени равной нулю), е- ЭДС, обусловленна изменением магнитного потока через соленоид.On the equivalent circuit (Fig. 2), the inductance of the solenoid is denoted, through the C-capacity of the circuit, through RI is the active resistance of the solenoid, through R2 is the active resistance characterizing the ohmic losses in the semiconductor (when the radiation intensity is zero), e-EMF is determined by a change in magnetic flux through the solenoid.

Способ реализуетс следующим образом . Контролируема полупроводникова пластина 10 помещаетс около торца соленоида 1, Светодиод 5 через световод 4 освещает небольшую часть площади пластины 10, наход щуюс в рабочей области соленоида 1, прерывистым излучением. Частота прерываний определ етс генератором 6. Под действием излучени периодически из: мен етс эффективна магнитна проницаемость освещаемой части полупроводника. Это приводит к периодическому изменению магнитного потока через соленоид и по влению на его выводах напр жени , которое регистрируетс регистрирующим приборомThe method is implemented as follows. A controlled semiconductor wafer 10 is placed near the end of the solenoid 1, LED 5 through the light guide 4 illuminates a small part of the area of the wafer 10 located in the working area of the solenoid 1 with intermittent radiation. The interruption frequency is determined by the generator 6. Under the influence of radiation, the effective magnetic permeability of the illuminated part of the semiconductor periodically changes. This leads to a periodic change in the magnetic flux through the solenoid and the appearance of a voltage at its terminals, which is recorded by a recording device

2. Переменна емкость 9 используетс дл подстройки резонансной частоты контура на частоту генератора 6. Параметры выходного сигнала определ ютс параметрами электромагнитного излучени , величиной2. The variable capacitance 9 is used to adjust the resonant frequency of the circuit to the frequency of the generator 6. The parameters of the output signal are determined by the parameters of electromagnetic radiation, the value

магнитной индукции электромагнита 3 и электрофизическими параметрами полупроводника .magnetic induction of electromagnet 3 and the electrophysical parameters of the semiconductor.

Анализ эквивалентной схемы показывает , что в случае, когда интенсивность излучени измен етс с резонансной частотой (о амплитуда напр жени на катушке определ етс соотношениемAn analysis of the equivalent circuit shows that in the case when the radiation intensity varies with the resonant frequency (the amplitude of the voltage across the coil is determined by the relation

..1 LMu/2e2l2Bq0PoT0 ,,,...1 LMu / 2e2l2Bq0PoT0 ,,,.

Do- ------------------- , ()Do- -------------------, ()

127rR mnE0RiVl + ftA2 а фаза127rR mnE0RiVl + ftA2 a phase

Ј -arctg йлг0 .(2) В выражени х (1) и (2) L-индуктивность соленоида; М - взаимоиндуктивность соленоида и витка тока радиусом Ro, текущим по границе освещаемой зоны; е - зар д электрода; I-длина свободного пробега носител зар да; В - индукци магнитного пол , qo - эффективность конизации; Ро - амплитудаAr -arctg yl0. (2) In expressions (1) and (2) the L-inductance of the solenoid; M is the mutual inductance of the solenoid and the current loop with a radius Ro flowing along the boundary of the illuminated zone; e is the charge of the electrode; I is the mean free path of the charge carrier; B - magnetic field induction, qo - conization efficiency; Po - amplitude

изменени мощности излучени , mn - эффективна масса свободного носител зар да , Ео - энерги кванта излучени , RI - сопротивление соленоида, то - врем жизни носителей зар да.changes in the radiation power, mn is the effective mass of the free charge carrier, Eo is the energy of the radiation quantum, RI is the resistance of the solenoid, then is the lifetime of the charge carriers.

. В случае, когда частота прерываний электромагнитного излучени близка к обратному времени жизни носителей зар да То, значение то может быть определено по фазе колебаний в контуре из (2), а длина. In the case when the interruption frequency of electromagnetic radiation is close to the reciprocal of the lifetime of the carriers of the To charge, the value of that can be determined from the phase of oscillations in the circuit from (2), and the length

свободного пробега I из (1).the mean free path I of (1).

В качестве примера рассмотрим возможность контрол времени жизни и длины свободного пробега электронов в полуизолирующем арсениде галли . Поскольку ширина запрещенной зоны арсенида галли 1,4 эВ, то.длина волны источника света Я должна бытьAs an example, we consider the possibility of controlling the lifetime and mean free path of electrons in the semi-insulating gallium arsenide. Since the band gap of gallium arsenide is 1.4 eV, then the wavelength of the light source I should be

. Зх10вх4. „ ,л-е ----f4---- 0,87хЮ°м. ZX10BX4. „, L-f ---- f4 ---- 0.87 x 10 ° m

здесь с - скорость света, h - посто нна Планка.here c is the speed of light, h is Planck's constant.

Врем жизни носителей зар да в арсениде галли TO по пор дка величины равноThe lifetime of charge carriers in gallium arsenide TO is of the order of magnitude

, а длина свободного пробега I м. Частоту прерываний источника целесообразно выбрать из услови 0)Т0 1., and the mean free path I m. It is advisable to choose the interruption frequency of the source from condition 0) T0 1.

f а) /2л: 1/2лг0 1,6-Ю6 Гц.f a) / 2l: 1/2 lg0 1.6-106 Hz.

В качестве источника излучени выбе- рем полупроводниковый лазер с длиной волны 0,82 мкм (Ео 2,4 х Дж) и мощностью излучени 10 мВт. Излучение попадает в полупроводник через гибкий световод диаметром 2 мм. Соленоид пред- ставл ет из себ катушку со средним диаметром D 1 см, длиной 1К 0,1 см, числом витков WK 300. Собственна резонансна частота контура fo 1,6 МГц, индуктивность L 1,6 мГн, емкость С 6,3 пф, взаимоин- дуктивность М 0,12 мкГн, добротность Q 200, RI 160 Ом. Индукци внешнего магнитного пол В 0,5 Т, значение коэффициента эффективности ионизации qo 0,9. Подставив значени параметров в (15), получим Uo ЮмкВ.A semiconductor laser with a wavelength of 0.82 microns (EO 2.4 x J) and a radiation power of 10 mW will be chosen as the radiation source. The radiation enters the semiconductor through a flexible fiber with a diameter of 2 mm. The solenoid is a coil with an average diameter of D 1 cm, length 1K 0.1 cm, number of turns WK 300. The natural resonant frequency of the circuit fo 1.6 MHz, inductance L 1.6 mH, capacitance C 6.3 pF , mutual inductance M 0.12 μH, Q factor Q 200, RI 160 Ohms. Induction of an external magnetic field of 0.5 T, the value of the coefficient of ionization efficiency qo 0.9. Substituting the parameter values in (15), we obtain Uo UmkV.

Таким образом, чтобы определить врем жизни неравновесных свободных носителей зар да и длину их свободного пробега, необходимо определить амплитуду и фазу напр жени на электрических выводах соленоида, что дл напр жений пор дка 10 мкВ можно выполнить, использу стандартные измерительные приборы. Thus, in order to determine the lifetime of nonequilibrium free charge carriers and their mean free path, it is necessary to determine the amplitude and phase of the voltage at the electrical terminals of the solenoid, which for voltages of the order of 10 µV can be performed using standard measuring instruments.

Claims

The claims

A method for determining the electrophysical parameters of semiconductors, comprising providing electromagnetic coupling of a semiconductor to a resonant circuit and

the semiconductor is irradiated with intensity-modulated electromagnetic radiation with a quantum energy sufficient to generate free charge carriers, which, in order to increase the measurement locality and simplify the method, provide electromagnetic coupling by placing the semiconductor in a region of space adjacent to the solenoid , in which the magnetic field of this solenoid, when an electric current is passed through it, differs from zero, exposes the sample to an external constant magnetic field, vect For the induction of which is perpendicular to the working surface of the sample and parallel to the axis of the solenoid and the direction of irradiation, the magnitude of the magnetic induction of a constant magnetic field is chosen from the condition that the radius of rotation of free charge carriers generated by electromagnetic radiation exceeds the mean free path of charge carriers and electromagnetic radiation is localized on a controlled portion of the semiconductor surface, and the modulation frequency of the electromagnetic emitter is chosen equal to the reciprocal of the expected time In order to measure the lifetime of free charge carriers, the amplitude and phase of a variable electromotive force arising at the terminals of the solenoid are measured, and the lifetime and mean free path of nonequilibrium charge carriers are calculated from these values.

Par. 2