RU185052U1 - DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS - Google Patents

DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS Download PDF

Info

Publication number
RU185052U1
RU185052U1 RU2018101433U RU2018101433U RU185052U1 RU 185052 U1 RU185052 U1 RU 185052U1 RU 2018101433 U RU2018101433 U RU 2018101433U RU 2018101433 U RU2018101433 U RU 2018101433U RU 185052 U1 RU185052 U1 RU 185052U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
concentration
optical radiation
charge carriers
semiconductor materials
sample
Prior art date
Application number
RU2018101433U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Дмитриевич Фирсов
Олег Сергеевич Комков
Original Assignee
Дмитрий Дмитриевич Фирсов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Дмитриевич Фирсов filed Critical Дмитрий Дмитриевич Фирсов
Priority to RU2018101433U priority Critical patent/RU185052U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU185052U1 publication Critical patent/RU185052U1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

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. Устройство для определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых материалах содержит 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, а блок преобразования излучения выполнен в виде управляемого компьютером интерферометра. Технический результат заключается в повышении точности определения концентрации свободных носителей заряда и расширении диапазона исследуемых полупроводниковых материалов. 3 ил.The utility model relates to devices for monitoring the parameters of semiconductor materials and can be used for non-contact and non-destructive determination of the concentration of free charge carriers (electrons or holes) in lightly and undoped semiconductor materials and structures that are widely used in instrumentation to create microelectronic and optoelectronic components. A device for determining the concentration of free charge carriers in semiconductor materials contains an optically coupled broadband optical radiation source, a radiation conversion unit, a sample holder of a semiconductor material, a high-energy photon optical radiation source, an optical radiation modulator, means for directing a beam from a high-energy optical radiation source on a sample of semiconductor material, an optical filter and a photodetector, of which a photodetector and the optical radiation modulator is electrically connected to a synchronous amplifier, the digital output of which is connected to a computer, and the radiation conversion unit is made in the form of a computer-controlled interferometer. The technical result consists in increasing the accuracy of determining the concentration of free charge carriers and expanding the range of the studied semiconductor materials. 3 ill.

Description

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.The utility model relates to devices for monitoring the parameters of semiconductor materials and can be used for non-contact and non-destructive determination of the concentration of free charge carriers (electrons or holes) in lightly and undoped semiconductor materials and structures that are widely used in instrumentation to create microelectronic and optoelectronic components.

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).To determine the concentration of charge carriers in semiconductors, it is known to use the Hall effect. In such solutions, a sample of a semiconductor material is placed in orthogonal magnetic and electric fields, the conductivity of the sample and the Hall potential difference are measured by which the material parameters are determined using calculation formulas (Batavin V.V., Kontseva Yu.A., Fedorovich Yu.V. Measurement parameters of semiconductor materials and structures.M .: Radio and communications, 1985. S. 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.Such a determination of the concentration of charge carriers is characterized by low measurement accuracy due to parasitic effects, for example, the Ettinghausen effect, the dependence of the results on the shape of the sample, and the impossibility of local determination of the concentration, in particular when shunting a lightly doped epitaxial layer with a heavily doped substrate. Also, to measure the Hall effect, it is necessary to bring the contacts to the surface of the semiconductor material, which is not always possible within the technological process.

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).Also, to determine the concentration of charge carriers in semiconductors, measurements of the capacitance-voltage characteristics of the Schottky barrier are used. To do this, create a Schottky barrier on a surface area of the semiconductor, apply an inverted voltage to it and measure the dependence of the barrier capacitance on the applied voltage, as a result of processing of which the concentration of impurities at a given depth of the semiconductor is determined by the calculation formula (Batavin V.V., Kontseva Yu.A ., Fedorovich Yu.V. Measurement of the parameters of semiconductor materials and structures (Moscow: Radio and Communications, 1985, p. 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.Such a determination of the concentration of charge carriers is also characterized by low measurement accuracy due to inaccurate measurements of the contact area, capacitance and voltage at the barrier, as well as errors in differentiating the dependence of the barrier capacitance on the applied voltage. The applicability of measuring the capacitance – voltage characteristics of the Schottky barrier is also limited by the fact that not all semiconductors produce a metal-semiconductor contact to form a Schottky barrier, in particular for materials such as n-InAs, n-PbTe, which have a carrier-enriched layer on the surface.

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).Also, measurements of the optical absorption of free carriers are used to determine the concentration of charge carriers in semiconductors. In this case, the absorption coefficient of the semiconductor material is measured at a certain wavelength, and then the concentration of charge carriers in the volume of the semiconductor is determined by means of its calibration dependence (Batavin V.V., Kontseva Yu.A., Fedorovich Yu.V. Measurement of parameters of semiconductor materials and Structures.M: Radio and Communications, 1985.p. 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.The disadvantage of such a determination of the concentration of charge carriers is also the limited accuracy of the measurements, due to the inaccuracy of the available independent calibration dependences, errors in determining the value of the absorption index, and also the low intensity of absorption of optical radiation by free carriers. This limits the scope of such measurements to highly doped and degenerate semiconductor materials.

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).Also, to determine the concentration of charge carriers in semiconductors, an analysis of the plasma minimum in the optical reflection spectra is used. In this case, the spectrum of the reflection coefficient of the semiconductor material is measured in the infrared range, the position of the plasma minimum is determined, based on which the concentration of charge carriers in the volume of the semiconductor is determined from the calibration curve (Batavin V.V., Kontseva Yu.A., Fedorovich Yu.V. Measurement parameters of semiconductor materials and structures.M .: Radio and communications, 1985. S. 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.The disadvantage of such a determination of the concentration of charge carriers is also the limited measurement accuracy due to the inaccuracy of the available independent calibration dependences and the large errors in determining the position of the plasma minimum for lightly alloyed materials due to its substantial broadening. It also limits the scope of such measurements to highly doped and degenerate semiconductor materials.

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.Closest to the proposed is a device for determining the concentration of charge carriers in semiconductors (patent US 4953983 "Non-destructively measuring local carrier concentration and gap energy in a semiconductor)), IPC G01N 21/57; G01R 31/308; publ. 04/09/1990), containing an optical radiation source, a monochromator, a sample holder, an optical filter, a photodetector, a synchronous amplifier, a laser, an optomechanical modulator, an optical waveguide, and a personal computer with a data processing and storage system. The determination of the concentration of charge carriers in semiconductors is based on measuring the photoreflection spectrum with a monochromator, and consists in the fact that charge carriers are injected onto the surface of the sample with a source of high-energy photons, and the reflection of the surface of the sample changes, this change is recorded for a number of photon energies sufficient to identify several Franz-Keldysh oscillations and their corresponding photon energies, based on which the calculated formulas are NOSTA internal electric field and is determined by the concentration of charge carriers.

Недостатками такого устройства являются:The disadvantages of such a device are:

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;significant random measurement error arising due to the low signal-to-noise ratio in the photo-reflection spectra due to the small value of the recorded signals and the limited aperture of the monochromator, leading to inaccurate determination of the concentration of charge carriers;

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.restriction in application for materials in which the position of the Franz-Keldysh oscillations in the photoreflection spectra corresponds to the middle and far infrared ranges, where the fundamentally lower efficiency of radiation sources and receivers does not allow to achieve an acceptable signal-to-noise ratio in the photoreflection spectra, which leads to a reduction in the range of the studied materials.

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.The objective of the claimed utility model is to create a device for determining the concentration of free charge carriers in semiconductor materials, which allows to provide a technical result, which consists in increasing the accuracy of determining the concentration of free charge carriers, and expanding the range of the studied semiconductor materials.

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.The essence of the claimed device is that in a device for determining the concentration of free charge carriers in semiconductor materials containing optically coupled broadband optical radiation source, a radiation conversion unit, a sample holder of a semiconductor material, an optical radiation source with high photon energy, an optical radiation modulator, means the direction of the beam from a source of high-energy optical radiation to a sample of a semiconductor material , An optical filter and a photodetector, of which the photodetector and the optical radiation modulator electrically connected to lock-in amplifier, a digital output of which is connected to a computer, the radiation conversion unit is designed as a computer-controlled interferometer.

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.Due to the fact that radiation conversion is performed using an interferometer, which is orders of magnitude superior to previously used monochromators in aperture ratio and has the advantage of signal multiplexing, the signal-to-noise ratio in the photo-reflection spectra recorded by the device used to determine the concentration of free charge carriers increases significantly and become possible measurements in the mid-wave and long-wave infrared spectral range, in which Franz-Keldysh oscillations for narrow-gap semiconductor materials, which leads to higher accuracy of determination of the concentration of free charge carriers, and range studied of semiconductor materials.

Предлагаемую полезную модель иллюстрируют следующие чертежи.The proposed utility model is illustrated by the following drawings.

Фиг. 1. Принципиальная схема устройства.FIG. 1. Schematic diagram of the device.

Фиг. 2. Пример нормированного спектра фотоотражения образца автоэпитаксиального n-InSb.FIG. 2. An example of a normalized photoreflection spectrum of a sample of autoepitaxial 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):FIG. 3. The dependence of the distance between the extrema of the Franz – Keldysh oscillations on their number (point), and the approximation of this dependence (dashed line) to determine the concentration of free carriers from the n-InSb photoreflection spectrum. The device contains (Fig. 1):

1 - широкополосный источник оптического излучения;1 - broadband optical radiation source;

2 - блок преобразования излучения (интерферометр Майкельсона);2 - radiation conversion unit (Michelson interferometer);

3 - держатель образца полупроводникового материала;3 - sample holder of a semiconductor material;

4 - источник оптического излучения с высокой энергией фотонов;4 - a source of optical radiation with a high energy of photons;

5 - модулятор оптического излучения;5 - modulator of optical radiation;

6 - средство направления оптического излучения с высокой энергией фотонов на образец полупроводникового материала;6 - means for directing high-energy optical radiation to a sample of a semiconductor material;

7 - оптический фильтр;7 - optical filter;

8 - фотоприемник;8 - photodetector;

9 - синхронный усилитель;9 - synchronous amplifier;

10 - компьютер.10 - computer.

Блоки 1-8 связаны между собой оптически.Blocks 1-8 are optically coupled.

Блоки 5, 8, 9 и 10 связаны между собой электрически.Blocks 5, 8, 9 and 10 are electrically connected.

Управление работой блока 2 осуществляется с блока 10.The operation of block 2 is controlled from block 10.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.The radiation from the broadband optical radiation source 1 enters the radiation conversion unit 2, which is an interferometer (a Michelson interferometer or similar), the output beam of which is focused on a semiconductor material sample placed on the semiconductor material sample holder 3. The semiconductor material sample holder 3 is at an angle providing a specular reflection of the incident beam through the optical filter 7 to the photodetector 8. It is possible to place the holder For a sample inside an evacuated cryostat with optically transparent windows for radiation input and output. The photodetector 8 should be sensitive to the radiation of a broadband optical radiation source 1 in the spectral range containing Franz-Keldysh oscillations for the analyzed sample of semiconductor material. The optical filter 7 should be transparent to radiation in the same range, and cut off the radiation of the optical radiation source with high photon energy 4.

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 vmod как минимум на порядок превышает частоту повторения экстремумов интерференции для оптического излучения, соответствующего коротковолновой границе используемого спектрального диапазона.The output electrical signal of the photodetector 8 is fed to the working input of the synchronous amplifier 9. The synchronous amplifier 9 extracts from the signal arriving at the working input a component that matches the frequency of the variable signal supplied to the reference input and has a certain phase, and generates a constant output signal, the value of which proportional to the value of this component. The output signal of the synchronous amplifier 9 is sent to the input of the analog-to-digital converter of the computer 10. Software is installed on the computer that allows controlling the position 8 of the movable mirror of the interferometer 2 during the measurement and recording the digitized intensity 1 of the output signal of the synchronous amplifier 9 as a function I (δ ), which is an interferogram of the modulated component of the radiation detected by the photodetector 8. To ensure synchronous signal amplification in percent During the registration of the interferogram, the moving mirror of the interferometer 2 must be moved in stepwise mode, or at a speed at which the modulation frequency v mod is at least an order of magnitude higher than the frequency of the interference extrema for optical radiation corresponding to the short-wavelength boundary of the used spectral range.

Модулятор оптического излучения 5 располагается в положении А и осуществляет модуляцию интенсивности луча широкополосного источника оптического излучения 1 с контролируемой частотой vmod, и вывод переменного электрического сигнала с частотой vmod 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 IR(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.The optical radiation modulator 5 is located in position A and modulates the beam intensity of the broadband optical radiation source 1 with a controlled frequency v mod , and outputs an alternating electrical signal with a frequency v mod to the reference input of the synchronous amplifier 9. The phase on the synchronous amplifier 9 is adjusted to the maximum signal arriving at its working input from the photodetector 8. Computer 10 starts the measurement process, registration of the digitized interferogram I R (δ) of the sample reflected is emitted and I. After the registration of the interferogram, the modulation of the beam intensity of the broadband optical source 1 is stopped, the optical radiation modulator 5 is removed from position A.

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.Radiation from an optical radiation source 4 (for example, a laser) with a high photon energy exceeding the band gap of the analyzed semiconductor material is directed to a sample of the semiconductor material using means 6 (for example, a mirror). In this case, the spot of the beam from the source of optical radiation with a high energy of photons 4 should overlap on the sample with the spot of the output beam of the interferometer 2.

Модулятор оптического излучения 5 располагается в положении Б и осуществляет модуляцию интенсивности луча источника оптического излучения с высокой энергией фотонов 4 с контролируемой частотой vmod, и вывод переменного электрического сигнала с частотой vmod 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 vmod и опорного сигнала для синхронного усилителя 5 может быть применен дополнительный генератор.The optical radiation modulator 5 is located in position B and modulates the beam intensity of the optical radiation source with high photon energy 4 with a controlled frequency v mod , and outputs an alternating electrical signal with a frequency v mod to the reference input of the synchronous amplifier 9. The phase on the synchronous amplifier 9 is adjusted in phase with modulation of the beam intensity of a source of optical radiation with a high energy of photons 4. For this, a signal from a modulated radiation with a high energy of photon can be used Coming from the photodetector 8 in the absence of the optical filter 7, which at the time of determining the phase is removed, and then returned to the circuit. The modulation of the beam intensity of the optical radiation source with high photon energy 4 can also be carried out by modulating the radiation pump source - in particular, the supply current in the case of a laser diode. Such modulation can replace the operation of the optical radiation modulator 5, while an additional generator can be used as a source of modulation frequency v mod and a reference signal for synchronous amplifier 5.

Компьютером 10 запускается процесс измерения, осуществляется регистрация оцифрованной интерферограммы IΔR(δ) фотомодуляционной составляющей отраженного образцом излучения (фотоотражения).Computer 10 starts the measurement process, registration of the digitized interferogram I ΔR (δ) of the photomodulation component of the radiation reflected from the sample (photo-reflection) is carried out.

На основе интерферограммы IR(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.Based on the interferogram I R (δ) of the radiation reflected by the sample using formulas based on the Fourier transform, the radiation reflection spectrum of the sample of semiconductor material R (E) is determined, as well as the phase error spectrum of the interferogram, which are stored in the range including Franz-Keldysh oscillations.

На основе интерферограммы IΔR(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.Based on the interferogram I ΔR (δ) of the photomodulation component of the radiation reflected by the sample (photoreflection) according to the formulas based on the Fourier transform and including the correction of the phase error of the interferogram using the found phase error spectrum, the photoreflection spectrum ΔR (E) of the semiconductor material sample is determined in the range including Franz-Keldysh oscillations (including normalized to the reflection spectrum). Correction of the phase error of the interferogram allows you to save information about the sign of the signal and to avoid distortions in the shape of the photo-reflection spectrum during the Fourier transform, which is a necessary condition for determining the concentration of free charge carriers.

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.At least two Franz-Keldysh oscillation extremes are identified and numbered in the photoreflection spectrum of the sample, photon energies corresponding to the position of these extremes are found. The electric field strength F is determined near the surface of the semiconductor material sample by the analytical ratio or graphic construction, including the numbers and photon energy for the extrema of the Franz-Keldysh oscillations in the photoreflection spectrum.

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.The concentration of free charge carriers in a sample of a semiconductor material (electrons n or holes p) is determined by analytical relations, including the found surface electric field strength in the sample, and taking into account the value of the surface potential (Fermi level pinning) and the type of electrical conductivity for the sample of semiconductor material.

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 (Е0) и осцилляциям Франца-Келдыша (ОФК), пронумерованные соответственно индексам: Е1, Е2, Е3. 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⋅1015 [см-3].An example of the photoreflection spectrum of a semiconductor material for an n-type InSb epitaxial layer on a heavily doped InSb substrate is shown in FIG. 2. The arrows show the extrema corresponding to the band gap (E 0 ) and Franz-Keldysh oscillations (OFC), numbered according to the indices: E 1 , E 2 , E 3 . Finding the value of the near-surface electric field from the position of the extreme points of the OFC is shown in FIG. 3, the value of the field strength was F = 7.7 kV / cm. The concentration of free electrons in the InSb epitaxial layer, found taking into account the pinning of the Fermi level, corresponding to the formation of an enriched surface layer, was / 7 = 1.8⋅10 15 [cm -3 ].

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).The device can be implemented on the basis of a typical Fourier spectrometer containing a broadband optical radiation source, an interferometer and a photodetector (e.g. Vertex 80 manufactured by Bruker Optics), the design of which must be modified to ensure the output of the electrical signal from the output of the photodetector amplifier to the input of a synchronous amplifier, and inputting the output of the synchronous amplifier to the input of the analog-to-digital converter. A typical synchronous amplifier (e.g. SR830 manufactured by Stanford Research Systems), standard lasers (e.g. LDD-19 with a laser diode), modulators (e.g. optomechanical modulator SR540), and personal computers with typical software ( e.g. OPUS for spectrometers manufactured by Bruker Optics).

Claims (1)

Устройство для определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых материалах, содержащее 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, отличающееся тем, что блок преобразования излучения выполнен в виде управляемого компьютером интерферометра.A device for determining the concentration of free charge carriers in semiconductor materials, comprising an optically coupled broadband optical radiation source, a radiation conversion unit, a sample holder of a semiconductor material, a high-energy photon optical radiation source, an optical radiation modulator, means for directing a beam from a high-energy optical radiation source photons per sample of a semiconductor material, an optical filter and a photodetector, of which photodetector IR radiation and the optical modulator are electrically connected to lock-in amplifier, a digital output of which is connected to a computer, characterized in that the radiation conversion unit is designed as a computer-controlled interferometer.
RU2018101433U 2018-01-16 2018-01-16 DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS RU185052U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018101433U RU185052U1 (en) 2018-01-16 2018-01-16 DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018101433U RU185052U1 (en) 2018-01-16 2018-01-16 DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU185052U1 true RU185052U1 (en) 2018-11-19

Family

ID=64325337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018101433U RU185052U1 (en) 2018-01-16 2018-01-16 DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU185052U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1413684A1 (en) * 1986-05-05 1988-07-30 Предприятие П/Я Р-6681 Method of determining concentration of local centres in semiconductors
US4953983A (en) * 1988-03-25 1990-09-04 Nicholas Bottka Non-destructively measuring local carrier concentration and gap energy in a semiconductor
RU2037911C1 (en) * 1991-04-04 1995-06-19 Новосибирский государственный технический университет Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors
RU2094906C1 (en) * 1994-01-28 1997-10-27 Юрий Давидович Дехтяр Method for determining concentration of mobile charge carriers in semiconductors

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1413684A1 (en) * 1986-05-05 1988-07-30 Предприятие П/Я Р-6681 Method of determining concentration of local centres in semiconductors
US4953983A (en) * 1988-03-25 1990-09-04 Nicholas Bottka Non-destructively measuring local carrier concentration and gap energy in a semiconductor
RU2037911C1 (en) * 1991-04-04 1995-06-19 Новосибирский государственный технический университет Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors
RU2094906C1 (en) * 1994-01-28 1997-10-27 Юрий Давидович Дехтяр Method for determining concentration of mobile charge carriers in semiconductors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20060262316A1 (en) System and method for interferometric laser photoacoustic spectroscopy
CN102792136B (en) Device and method for measuring terahertz wave
EP3425355B1 (en) Fourier transform infrared spectrophotometer
US20210165040A1 (en) High precision optical characterization of carrier transport properties in semiconductors
CN109115690A (en) Real-time polarization sensitive terahertz time-domain ellipsometer and optical constant measuring method
CN110207733B (en) Optical fiber interferometer arm length difference measuring device and method based on sweep frequency laser
JP4147487B2 (en) Physical property measuring device using terahertz electromagnetic wave
FR2468099A1 (en) METHOD AND APPARATUS FOR LASER INTERFEROMETRY WITH TWO WAVE LENGTHS
KR102141228B1 (en) Method and apparatus for measuring physical quantity of a thin layer using terahertz spectroscopy
US11561170B2 (en) Method and system for performing terahertz near-field measurements
CN110207822A (en) Highly sensitive optical time delay estimating system, method and medium
RU185052U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS
US5757488A (en) Optical frequency stability controller
JP4031712B2 (en) Spectroscopic measurement method and spectroscopic measurement apparatus for semiconductor multilayer film
CN208026605U (en) A kind of terahertz time-domain spectroscopy instrument device of miniaturization
Scholl et al. Broadband precision wavelength meter based on a stepping Fabry–Pérot interferometer
Zhao et al. Multichannel Fourier transform Raman spectroscopy: combining the advantages of CCDs with interferometry
US20200408730A1 (en) Concentration measurement method and concentration measurement device
US7026831B2 (en) Method and device for measuring the diffusion length of minority carriers in a semiconductor sample
US8953168B2 (en) Optical sensing devices and methods for detecting samples using the same
RU2444085C1 (en) Apparatus for contactless measurement of lifetime of nonequilibrium charge carriers semiconductors (versions)
Shen et al. Fabry–Perot etalon-based ultraviolet high-spectral-resolution lidar for tropospheric temperature and aerosol measurement
RU2450387C1 (en) Method for contact-free determination of life span for non-equilibrium carriers in semi-conductors
JPH01181434A (en) Beam modulated spectroscope
Tan et al. Performance comparison of Fabry-Perot and Mach-Zehnder interferometers for Doppler lidar based on double-edge technique

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20200117