RU2037911C1 - Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors - Google Patents

Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors

Info

Publication number
RU2037911C1
RU2037911C1 SU4925820A RU2037911C1 RU 2037911 C1 RU2037911 C1 RU 2037911C1 SU 4925820 A SU4925820 A SU 4925820A RU 2037911 C1 RU2037911 C1 RU 2037911C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic field
sample
frequency
concentration
induction
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.А. Корнилович
С.А. Студеникин
А.Ф. Булдыгин
Original Assignee
Новосибирский государственный технический университет
Институт физики полупроводников СО РАН
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 Новосибирский государственный технический университет, Институт физики полупроводников СО РАН filed Critical Новосибирский государственный технический университет
Priority to SU4925820 priority Critical patent/RU2037911C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2037911C1 publication Critical patent/RU2037911C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: nondestructive testing. SUBSTANCE: semiconductor sample is cooled up to helium temperatures, is subjected to influence of permanent magnetic field with induction B and to SHF radiation directed perpendicular to investigated surface of sample and in parallel to induction vector

Description

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля параметров полупроводников и полупроводниковых структур, содержащих вырожденный электронный газ пониженной размерности, и может быть использовано для научных исследований и для определения качества материалов, применяемых в полупроводниковом приборостроении. The invention relates to methods for non-destructive testing of parameters of semiconductors and semiconductor structures containing degenerate electron gas of reduced dimension, and can be used for scientific research and to determine the quality of materials used in semiconductor instrument making.

Известен контактный способ определения концентрации свободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках с использованием барьера Шоттки [1] основанный на статическом эффекте Шубникова-де Гааза, заключающийся в том, что создают электрические контакты к образцу, затем образец исследуемого полупроводника охлаждают до гелиевых температур, помещают в магнитное поле В, регистрируют осцилляции поперечного магнитосопротивления исследуемого образца при изменении магнитного поля, измеряют период осцилляций поперечного магнитосопротивления по величине, обратной значениям магнитного поля, и определяют концентрацию свободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках по расчетной формуле
n

Figure 00000003
(B-1)]-3/2.A known contact method for determining the concentration of free charge carriers in degenerate semiconductors using the Schottky barrier [1] is based on the static Shubnikov-de Haas effect, which consists in creating electrical contacts to the sample, then the sample of the studied semiconductor is cooled to helium temperatures, placed in magnetic field B, register the oscillations of the transverse magnetoresistance of the test sample when the magnetic field changes, measure the period of oscillations of the transverse magnetoresistance values inverse to the magnetic field, and determine the concentration of free charge carriers in degenerate semiconductors using the calculation formula
n
Figure 00000003
(B -1 )] -3/2 .

Недостатками этого способа являются разрушающее действие контактов на поверхность исследуемого полупроводника, что ограничивает применение способа, например не позволяет без разрушения определять концентрацию носителей заряда электронного газа, находящегося под слоем диэлектрического и металлического покрытия или над проводящей подложкой; невозможность создания барьера Шоттки на глубине слоя для многих сильно легированных полупроводников; принципиальная невозможность создания контактов при диагностике субмикронных структур. The disadvantages of this method are the destructive effect of the contacts on the surface of the investigated semiconductor, which limits the application of the method, for example, it does not allow to determine the concentration of charge carriers of an electron gas located under a layer of a dielectric and metal coating or above a conductive substrate without destruction; the impossibility of creating a Schottky barrier at the depth of the layer for many heavily doped semiconductors; the fundamental impossibility of creating contacts in the diagnosis of submicron structures.

Известен бесконтактный способ определения концентрации носителей заряда в вырожденных полупроводниках [2] основанный на оптическом эффекте Шубникова-де Гааза, заключающийся в том, что образец исследуемого полупроводника охлаждают до гелиевых температур, одновременно воздействуют на него изменяющимся постоянным магнитным полем В, переменным магнитным полем с амплитудой b, много меньшей В, и направленным перпендикулярно постоянному магнитному полю

Figure 00000004
монохроматическим когерентным излучением, энергия кванта которого меньше ширины запрещенной зоны полупроводника (h
Figure 00000005
ΔE), поляризованного так, что вектор напряженности электрического поля перпендикулярен постоянному магнитному полю
Figure 00000006
, регистрируют интенсивность I прошедшего через образец или отраженного от него излучения, по соседним максимумам зависимости второй производной ∂2I/∂В2 от величины В определяют концентрацию носителей заряда по расчетной формуле
n
Figure 00000007
-
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
(B -1 N+ 1- B - N 1)-3/2 где К 0, 1, 3, 5,
N номер максимума (номер уровня Ландау).A known non-contact method for determining the concentration of charge carriers in degenerate semiconductors [2] is based on the optical Shubnikov-de Haas effect, namely, that the sample of the semiconductor under study is cooled to helium temperatures, simultaneously exposed to it by a changing constant magnetic field B, an alternating magnetic field with amplitude b, much smaller than B, and directed perpendicular to the constant magnetic field
Figure 00000004
monochromatic coherent radiation, whose quantum energy is less than the band gap of the semiconductor (h
Figure 00000005
ΔE), polarized so that the electric field vector is perpendicular to the constant magnetic field
Figure 00000006
, the intensity I of the radiation transmitted through the sample or reflected from it is recorded, from neighboring maxima of the dependence of the second derivative ∂ 2 I / ∂B 2 on the value of B, the concentration of charge carriers is determined by the calculation formula
n
Figure 00000007
-
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
(B -1 N + 1 - B - N 1 ) -3/2 where K 0, 1, 3, 5,
N is the maximum number (Landau level number).

Недостатком этого способа является невозможность определения концентрации носителей заряда в очень тонких слоях полупроводника над проводящей подложкой и в полупроводниковых структурах, содержащих вырожденный электронный газ пониженной размерности. Это ограничение, главным образом обусловлено тем, что частота оптического излучения во много раз больше частоты столкновения электронов с атомами τp -1. При этом передача энергии от световой волны свободным электронам происходит неэффективно, так как в пределах одного периода колебаний электрона происходит поглощение энергии световой волны. В результате чувствительность способа при диагностике электронного газа пониженной размерности является недостаточной.The disadvantage of this method is the impossibility of determining the concentration of charge carriers in very thin layers of a semiconductor above a conductive substrate and in semiconductor structures containing a degenerate electron gas of reduced dimension. This limitation is mainly due to the fact that the frequency of optical radiation is many times greater than the frequency of collisions of electrons with atoms τ p -1 . In this case, the transfer of energy from a light wave to free electrons is inefficient, since the absorption of light wave energy occurs within the same period of electron oscillations. As a result, the sensitivity of the method in the diagnosis of low-dimensional electron gas is insufficient.

Вторым недостатком способа является невозможность определения концентрации носителей заряда в слоях, содержащих электронный газ пониженной размерности, обусловленная тем, что направление оптического излучения выбрано перпендикулярно направлению постоянного магнитного поля (геометрия Фойгта), поэтому этот способ не применим, когда толщина исследуемого двумерного слоя меньше диаметров электронных орбит, составляющих десятые доли микрона. The second disadvantage of this method is the impossibility of determining the concentration of charge carriers in layers containing a low-dimensional electron gas, due to the fact that the direction of the optical radiation is chosen perpendicular to the direction of the constant magnetic field (Voigt geometry), therefore this method is not applicable when the thickness of the investigated two-dimensional layer is less than the electron diameters orbits making up tenths of a micron.

Наиболее близким к предлагаемому способу является взятый за прототип бесконтактный способ определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках [3] заключающийся в том, что образец исследуемого полупроводника охлаждают, воздействуют на него постоянным магнитным полем, вектор индукции которого перпендикулярен поверхности образца, возбуждают в образце СВЧ-излучение заданной частоты, направленное параллельно направлению магнитного поля, измеряют интенсивность отраженного от образца СВЧ-излучения в зависимости от величины постоянного магнитного поля и определяют по ней концентрацию носителей заряда расчетным путем. Closest to the proposed method is a non-contact method for determining the concentration of free charge carriers in semiconductors [3], which consists in the fact that the sample of the studied semiconductor is cooled, exposed to it by a constant magnetic field, the induction vector of which is perpendicular to the surface of the sample, is excited in the microwave radiation of a given frequency, parallel to the direction of the magnetic field, measure the intensity of the microwave radiation reflected from the sample, depending on the terms of a constant magnetic field and determine by it the concentration of charge carriers by calculation.

Недостатки этого способа. Охлаждение образца до азотных температур не является достаточным для выполнения условия вырождения электронного газа и для возникновения квантовых эффектов. Чувствительность способа не достаточна для измерения слабых изменений интенсивности отраженности СВЧ-излучения от тонких слоев вырожденных полупроводников. Частота столкновений носителей заряда τр -1 при азотных температурах уменьшается настолько, что становится меньше частоты СВЧ-излучения. Это ограничивает возможность применения способа для измерения в тонких слоях вырожденных полупроводников. Способ не применим, когда невозможно измерить толщину исследуемого полупроводникового слоя образца. Способ не применим для измерения в очень тонких слоях, когда СВЧ-резонанс Фабри-Перо не возможен.The disadvantages of this method. Cooling the sample to nitrogen temperatures is not sufficient to satisfy the degeneracy condition of the electron gas and for the appearance of quantum effects. The sensitivity of the method is not sufficient to measure small changes in the intensity of reflection of microwave radiation from thin layers of degenerate semiconductors. The frequency of collisions of charge carriers τ p -1 at nitrogen temperatures decreases so much that it becomes less than the frequency of microwave radiation. This limits the possibility of applying the method for measuring degenerate semiconductors in thin layers. The method is not applicable when it is impossible to measure the thickness of the investigated semiconductor layer of the sample. The method is not applicable for measurements in very thin layers when Fabry-Perot microwave resonance is not possible.

Техническим результатом предложенного способа является осуществление возможности измерения в тонких слоях вырожденных полупроводников. The technical result of the proposed method is the possibility of measuring thin layers of degenerate semiconductors.

Указанный результат достигается тем, что по способу бесконтактного определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках, заключающемуся в том, что исследуемый образец охлаждают, воздействуют на него постоянным магнитным полем, вектор индукции

Figure 00000011
которого перпендикулярен поверхности образца, возбуждают в образце СВЧ-излучение заданной частоты и направленное параллельно направлению магнитного поля, измеряют интенсивность отраженного от образца СВЧ-излучения в зависимости от величины постоянного магнитного поля и определяют по ней концентрацию носителей заряда расчетным путем, согласно изобретению образец охлаждают до гелиевых температур, дополнительно воздействуют переменным магнитным полем, изменяющимся со звуковой частотой ω и амплитудой b << B, направленным параллельно постоянному магнитному полю, частоту СВЧ-излучения выбирают меньше частоты столкновения носителей с атомами, а их концентрацию определяют по формуле
n
Figure 00000012
(
Figure 00000013
-
Figure 00000014
Figure 00000015
где е заряд электрона, Кл;
ℏ постоянная Планка, Дж с;
М число долин в зоне проводимости полупроводника;
BN и BN+1 значения индукции постоянного магнитного поля, соответствующие двум соседним экстремумам N и N+1, Т.This result is achieved by the fact that by the method of non-contact determination of the concentration of free charge carriers in semiconductors, which consists in the fact that the test sample is cooled, it is exposed to a constant magnetic field, the induction vector
Figure 00000011
which is perpendicular to the surface of the sample, excite microwave radiation of a given frequency in the sample and directed parallel to the direction of the magnetic field, measure the intensity of microwave radiation reflected from the sample depending on the magnitude of the constant magnetic field and determine the concentration of charge carriers by calculation, according to the invention, the sample is cooled to helium temperatures are additionally affected by an alternating magnetic field, changing with sound frequency ω and amplitude b << B, directed in parallel along a constant magnetic field, the frequency of microwave radiation is chosen less than the frequency of collision of carriers with atoms, and their concentration is determined by the formula
n
Figure 00000012
(
Figure 00000013
-
Figure 00000014
Figure 00000015
where e is the electron charge, C;
ℏ Planck constant, J s;
M is the number of valleys in the conduction band of the semiconductor;
B N and B N + 1 are the values of the induction of a constant magnetic field corresponding to two adjacent extrema of N and N + 1, T.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. The physical nature of the proposed method is as follows.

Известно, что в полупроводниковых структурах со сверхрешетками, либо в гетероструктурах, например, типа AlGaAs/GaAs происходит изгиб энергетических зон. Это приводит к образованию дискретных энергетических уровней Е0, Е1, Ei, в тонком переходном слое на границах раздела двух полупроводников: металл полупроводник или диэлектрик полупроводник. Если энергия Ферми EF > Ei, то энергетические уровни Е < Еi заполняются электронами. При толщине переходного слоя меньше средней длины свободного пробега электрона либо длины волны де Бройля электрона движение электрона происходит в основном в плоскости этого слоя.It is known that in semiconductor structures with superlattices, or in heterostructures, for example, of the type AlGaAs / GaAs, energy bands bend. This leads to the formation of discrete energy levels E 0 , E 1 , E i , in a thin transition layer at the interfaces of two semiconductors: a metal semiconductor or a dielectric semiconductor. If the Fermi energy is E F > E i , then the energy levels E <E i are filled with electrons. When the thickness of the transition layer is less than the mean free path of the electron or the de Broglie wavelength of the electron, the motion of the electron occurs mainly in the plane of this layer.

Определим функцию плотности квантовых состояний для двумерного слоя. Размер ячейки фазовой плоскости в этом случае ΔKxΔKy

Figure 00000016
, где S площадь образца. В расчете на единицу поверхности слоя, т.е. при S 1, ΔKxΔKy π 2. Число ячеек для электронов, имеющих волновое число К, равно KdK/2π Число состояний с учетом принципа Паули и числа долин М в зоне проводимости полупроводника
dz
Figure 00000017
.We define the density function of quantum states for a two-dimensional layer. The cell size of the phase plane in this case ΔK x ΔK y
Figure 00000016
where S is the sample area. Based on the unit surface of the layer, i.e. at S 1, ΔK x ΔK y π 2 . The number of cells for electrons having a wave number K is KdK / 2π. The number of states, taking into account the Pauli principle and the number of valleys M in the conduction band of a semiconductor
dz
Figure 00000017
.

Заменяя KdK m*dE/ ℏ2, получаем
dz

Figure 00000018
.Replacing KdK m * dE / ℏ 2 , we obtain
dz
Figure 00000018
.

Поверхностная плотность квантовых состояний не зависит от энергии:

Figure 00000019
Figure 00000020
.The surface density of quantum states is independent of energy:
Figure 00000019
Figure 00000020
.

При EF > Ei вероятность заполнения уровня Ei равна единице. Тогда поверхностная концентрация электронов определяется при интегрировании выражения
dn

Figure 00000021
dE
ni=
Figure 00000022
Figure 00000023
dE
Figure 00000024
(EF- Ei).When E F > E i, the probability of filling the level of E i is equal to one. Then the surface electron concentration is determined by integrating the expression
dn
Figure 00000021
dE
n i =
Figure 00000022
Figure 00000023
dE
Figure 00000024
(E F - E i ).

Известно, что в квантующих магнитных полях плотность электронных состояний имеет резонансный характер с максимумами вблизи уровней Ландау:
EN= (N +

Figure 00000025
)ℏωc, где N номер уровня Ландау;
ωc циклотронная частота вращения электрона в магнитном поле, равная еВ/m*.It is known that in quantizing magnetic fields the density of electronic states has a resonant character with maxima near the Landau levels:
E N = (N +
Figure 00000025
) ℏω c , where N is the Landau level number;
ω c cyclotron frequency of rotation of an electron in a magnetic field, equal to eV / m *.

Когда уровень Ферми совпадает с уровнем Ландау, при взаимодействии СВЧ электромагнитной волны с двумерным электронным газом наблюдается максимум высокочастотной проводимости полупроводника, обусловленный максимумом плотности квантовых электронных состояний. Этим обусловлены осцилляции интенсивности отраженного от образца СВЧ-излучения, пропорциональные изменениям проводимости исследуемого образца. When the Fermi level coincides with the Landau level, during the interaction of a microwave electromagnetic wave with a two-dimensional electron gas, a maximum of the high-frequency conductivity of the semiconductor is observed, due to the maximum density of quantum electronic states. This is due to oscillations in the intensity of microwave radiation reflected from the sample, which are proportional to changes in the conductivity of the sample under study.

Из условия EF Ei EN следует
n

Figure 00000026
(N +
Figure 00000027
)BN
n
Figure 00000028
Figure 00000029
(N+1)+
Figure 00000030
BN+1;
n
Figure 00000031
(B -1 N+ 1- B - N 1)-1.
Амплитуда отраженного СВЧ-излучения зависит от индукции поля В. Индукция поля В с помощью модуляционных катушек изменялась на величину
ΔB~ b sin ωt.From the condition E F E i E N it follows
n
Figure 00000026
(N +
Figure 00000027
) B N
n
Figure 00000028
Figure 00000029
(N + 1) +
Figure 00000030
B N + 1 ;
n
Figure 00000031
(B -1 N + 1 - B - N 1 ) -1 .
The amplitude of the reflected microwave radiation depends on the induction of the field B. The induction of the field B using modulation coils changed by
ΔB ~ b sin ωt.

Тогда амплитуда отраженного СВЧ-излучения
A=A(B) A(Bo+ΔB~) A(Bo)+

Figure 00000032
ΔB~+
Использование модуляционной методики измерения резонансных явлений после детектирования отраженного СВЧ-излучения диодом детектором позволяет выделять с помощью селективного детектора изменения амплитуды отраженного СВЧ-излучения со звуковой частотой ω и регистрировать с помощью самописца изменение интенсивности отраженного СВЧ-излучения ∂I/∂В в зависимости от В.Then the amplitude of the reflected microwave radiation
A = A (B) A (B o + ΔB ~ ) A (B o ) +
Figure 00000032
ΔB ~ +
Using a modulation technique for measuring resonance phenomena after the reflected microwave radiation is detected by a diode detector, it is possible to select, with a selective detector, changes in the amplitude of reflected microwave radiation with sound frequency ω and to record using a recorder the change in the intensity of reflected microwave radiation ∂I / ∂В depending on В .

В поле СВЧ-волны при ν < τ р -1 происходит увеличение времени передачи энергии волны электрону, поскольку именно в пределах одного периода колебаний электрона происходит поглощение энергии электромагнитной волны. При этом чувствительность предлагаемого способа, определяемая отношением сигнал/шум, увеличивается по сравнению с прототипом примерно в 104 раз.In the field of a microwave wave at ν <τ p -1 , an increase in the time of transfer of wave energy to an electron occurs, since it is within the same period of electron oscillations that the energy of an electromagnetic wave is absorbed. In this case, the sensitivity of the proposed method, determined by the signal-to-noise ratio, increases in comparison with the prototype by about 10 4 times.

Точность определения поверхностной концентрации носителей заряда зависит лишь от точности измерения значения индукции постоянного магнитного поля, соответствующего экстремальным значениям ∂I/∂В, и не превышает 0,5%
Новым по отношению к прототипу в предлагаемом способе являются применение СВЧ-эффекта Шубникова-де Гааза при охлаждении образца до гелиевых температур, при дополнительном воздействии на образец переменным магнитным полем, изменяющимся со звуковой частотой ω и амплитудой b << B, направленным параллельно постоянному магнитному полю В, и выбор частоты СВЧ-излучения меньше частоты столкновения τр -1свободных носителей заряда с атомами полупроводника.
The accuracy of determining the surface concentration of charge carriers depends only on the accuracy of measuring the value of the induction of a constant magnetic field corresponding to the extreme values of ∂I / ∂В, and does not exceed 0.5%
New in relation to the prototype in the proposed method are the application of the Shubnikov-de Haas microwave effect when the sample is cooled to helium temperatures, with additional exposure to the sample with an alternating magnetic field, changing with sound frequency ω and amplitude b << B, parallel to the constant magnetic field B, and the choice of the frequency of microwave radiation is less than the collision frequency τ p -1 of free charge carriers with semiconductor atoms.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 приведены графики зависимости производной ∂I/∂В от индукции постоянного магнитного поля для двух полупроводниковых гетероструктур AlGaAs/GaAs (кривая а для первого образца и кривая б для второго образца). In FIG. 1 shows a functional diagram of a device that implements the proposed method; figure 2 shows graphs of the dependence of the derivative ∂I / ∂B on the induction of a constant magnetic field for two AlGaAs / GaAs semiconductor heterostructures (curve a for the first sample and curve b for the second sample).

Устройство (фиг.1) содержит источник 1 зондирующего СВЧ-излучения, источник 2 постоянного магнитного поля, модуляционные катушки 3 и 4, создающие переменное магнитное поле, цилиндрический резонатор 5, циркулятор 6, прямоугольные волноводы 7, 13, СВЧ-детектор 8, генератор 9 звуковой частоты, усилитель-детектор 10, самописец 11, датчик 12 магнитного поля, образец 14 полупроводника. The device (figure 1) contains a source 1 of probing microwave radiation, a source 2 of a constant magnetic field, modulation coils 3 and 4, creating an alternating magnetic field, a cylindrical resonator 5, a circulator 6, rectangular waveguides 7, 13, a microwave detector 8, a generator 9 audio frequency, amplifier-detector 10, recorder 11, magnetic field sensor 12, semiconductor sample 14.

Источник 1 СВЧ-излучения может, например, представлять собой генератор на серийном диоде Ганна типа АА728Б. Источник 2 постоянного магнитного поля может представлять собой сверхпроводящий соленоид. В качестве СВЧ-детектора 8 может быть использован, например, прибор на основе диода Шоттки типа АА123А. The microwave radiation source 1 may, for example, be a generator on a serial Gunn diode type AA728B. The constant magnetic field source 2 may be a superconducting solenoid. As a microwave detector 8 can be used, for example, a device based on a Schottky diode type AA123A.

Прямоугольные волноводы 7, 13 могут, например, представлять собой серийные волноводы размерами 3,4 х 7,2 мм, соединенные с серийным циркулятором 6. Цилиндрический резонатор 5 может, например, иметь внутренний диаметр 6,1 мм. Усилитель-детектор 10 содержит селективный усилитель и синхронный детектор (не показаны) и может быть выполнен, например, на основе универсального прибора типа UNIPAN 232 B. В качестве генератора 9 звуковой частоты может быть использован, например, прибор типа ГЗ-33. The rectangular waveguides 7, 13 may, for example, be serial 3.4 x 7.2 mm waveguides connected to the serial circulator 6. The cylindrical resonator 5 may, for example, have an internal diameter of 6.1 mm. The amplifier-detector 10 contains a selective amplifier and a synchronous detector (not shown) and can be performed, for example, on the basis of a universal device such as UNIPAN 232 B. As an audio frequency generator 9, for example, a device of the type GZ-33 can be used.

Самописец 11 представляет собой двухкоординатный самописец, например, ENDIMOO2. В качестве датчика 12 магнитного поля может быть использован, например, датчик Холла, калиброванный прибором Ш1-1, работающим на основе ядерного магнитного резонанса. Модуляционные катушки 3, 4 могут, например, иметь внутренний диаметр 10 мм и содержать 960 витков провода ПЭЛ 0,2 мм. The recorder 11 is a two-coordinate recorder, for example, ENDIMOO2. As the sensor 12 of the magnetic field can be used, for example, a Hall sensor calibrated by a device Ш1-1, operating on the basis of nuclear magnetic resonance. Modulation coils 3, 4 can, for example, have an internal diameter of 10 mm and contain 960 turns of PEL wire 0.2 mm.

Источник 1 зондирующего СВЧ-излучения связан с прямоугольным волноводом 7, который связан с циркулятором 6. Последний связан с цилиндрическим резонатором 5 и с помощью прямоугольного волновода 13 с СВЧ-детектором 8. Исследуемый образец 14 закреплен в конце цилиндрического резонатора 5 в рабочем объеме источника 2 постоянного магнитного поля и вместе с цилиндрическим резонатором 5, источником 2 постоянного магнитного поля, модуляционными катушками 3 и 4 и датчиком 12 магнитного поля помещен в гелиевый криостат (не показан). Модуляционные катушки 3 и 4 подключены к первому выходу генератора 9 звуковой частоты, второй выход которого соединен с опорным входом усилителя-детектора 10, являющемуся опорным входом синхронного детектора, информационный вход которого соединен с выходом селективного усилителя. The probe microwave radiation source 1 is connected to a rectangular waveguide 7, which is connected to a circulator 6. The latter is connected to a cylindrical resonator 5 and, using a rectangular waveguide 13, to a microwave detector 8. The test sample 14 is mounted at the end of a cylindrical resonator 5 in the working volume of source 2 a constant magnetic field and together with a cylindrical resonator 5, a source 2 of a constant magnetic field, modulation coils 3 and 4 and a magnetic field sensor 12 is placed in a helium cryostat (not shown). Modulation coils 3 and 4 are connected to the first output of the sound frequency generator 9, the second output of which is connected to the reference input of the amplifier-detector 10, which is the reference input of the synchronous detector, the information input of which is connected to the output of the selective amplifier.

Выход СВЧ-детектора 8 подключен к информационному входу усилителя-детектора 10, являющемуся входом селективного усилителя. The output of the microwave detector 8 is connected to the information input of the amplifier-detector 10, which is the input of a selective amplifier.

Выход усилителя-детектора 10, являющийся выходом синхронного детектора, соединен с входом Y самописца 11, вход Х которого соединен с выходом датчика 12 магнитного поля, размещенного в рабочем объеме источника 2 постоянного магнитного поля. The output of the amplifier-detector 10, which is the output of the synchronous detector, is connected to the input Y of the recorder 11, the input X of which is connected to the output of the magnetic field sensor 12 located in the working volume of the constant magnetic field source 2.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

От источника 1 зондирующего СВЧ-излучения на образец 14 через прямоугольный волновод 7, циркулятор 6 и цилиндрический резонатор 5 направляют параллельно вектору индукции постоянного магнитного поля

Figure 00000033
СВЧ-волну типа Е01n, (n 80), частота которой меньше частоты столкновений электронов с атомами и циклотронной частоты вращения электронов в магнитном поле и составляет 38,6 ГГц. Для увеличения значения сигнал/шум с помощью генератора 9 звуковой частоты и модуляционных катушек 3 и 4 создают слабое переменное магнитное поле, частота которого составляет 30-389 Гц. Величина индукции В магнитного поля, создаваемого источником 2, непрерывно изменяется от 0 до 7 Т, при этом сигнал с выхода датчика 12 магнитного поля, размещенного в рабочем объеме источника 2, поступает на вход самописца 11. Точность измерения значения индукции В магнитного поля определяется используемым датчиком магнитного поля и в данном случае составляет 0,02% На вход Y самописца 11 поступает выходной сигнал с СВЧ-детектора 8, пропорциональный изменению проводимости образца 14, предварительно прошедший через цилиндрический резонатор 5, циркулятор 6, прямоугольный волновод 13 и детектируемый СВЧ-детектором 8, усиленный и выпрямленный усилителем-детектором 10. При этом на опорный вход усилителя-детектора поступает сигнал звуковой частоты генератора 9. В результате самописец 11 выдает график зависимости производной интенсивности отраженного от образца 14 СВЧ-излучения от индукции В магнитного поля, в данном случае для двух образцов AlGaAs/GaAs (фиг.2). По графикам фиг.2 определяют период осцилляции Δ(B-1) интенсивности отраженного СВЧ-излучения и по расчетной формуле вычисляют концентрацию свободных носителей заряда в исследуемом образце, в данном случае для первого образца n1 8,86 ˙1011см-2, а для второго образца n2 1,01 ˙1012 см-2. Точность измерений концентрации носителей заряда в исследуемых образцах составляет ≈0,5%
Предлагаемый способ в отличие от прототипа, во-первых, основан на СВЧ-эффекте Шубникова-де Гааза, который проявляется в результате охлаждения образца до гелиевых температур, во-вторых, является высокочувствительным в результате дополнительного воздействия на образец переменным магнитным полем, изменяющимся со звуковой частотой ω и амплитудой b<< B, направленным параллельно постоянному магнитному полю
Figure 00000034
и направлению СВЧ-излучения, в-третьих, применяется по частоте столкновений носителей заряда во много раз больше частоты СВЧ-излучения, что приводит к увеличению чувствительности и дает возможность измерять осцилляции интенсивности СВЧ-излучения, отраженного от тонких слоев вырожденных полупроводников, в-четвертых, применим, когда невозможно измерить толщину исследуемого полупроводникового слоя, так как значение концентрации свободных носителей заряда, определяемое этим способом, не зависит от толщины слоя и частоты СВЧ-излучения, а зависит лишь от значения индукции магнитного поля В, в-пятых, применим для определения концентрации свободных носителей заряда в очень тонких слоях вырожденных полупроводников, когда толщина слоя в 105 раз меньше, чем в источнике, принятом за прототип. Это позволило увеличить чувствительность способа по сравнению с прототипом примерно в 104 раз и осуществить возможность измерения в тонких слоях вырожденных полупроводников. Например, этим способом можно определять концентрацию свободных носителей заряда в двумерных слоях толщиной
Figure 00000035
80
Figure 00000036
, а также в субмикронных структурах, представляющих мезаструктуры размерами вплоть до величин, сравнимых с длиной волны де Бройля электрона ≈80-500 мкм.From the source 1 of the probe microwave radiation to the sample 14 through a rectangular waveguide 7, the circulator 6 and the cylindrical resonator 5 are sent parallel to the induction vector of a constant magnetic field
Figure 00000033
A microwave wave of type E 01n , (n 80), whose frequency is less than the frequency of collisions of electrons with atoms and the cyclotron frequency of rotation of electrons in a magnetic field and is 38.6 GHz. To increase the signal-to-noise value using a sound generator 9 and modulation coils 3 and 4, a weak alternating magnetic field is created, the frequency of which is 30-389 Hz. The magnitude of the induction B of the magnetic field generated by the source 2, continuously varies from 0 to 7 T, while the signal from the output of the sensor 12 of the magnetic field located in the working volume of the source 2 is fed to the input of the recorder 11. The accuracy of the measurement of the value of the induction B of the magnetic field is determined by the used a magnetic field sensor and in this case is 0.02%. An input signal from the microwave detector 8 is proportional to the change in the conductivity of sample 14, previously passed through a cylindrical resonator 5, to the input Y of the recorder 11 hector 6, a rectangular waveguide 13 and detected by a microwave detector 8, amplified and rectified by an amplifier-detector 10. At the same time, the sound frequency of the generator 9 is supplied to the reference input of the amplifier-detector. As a result, the recorder 11 gives a graph of the dependence of the derivative of the intensity reflected from the microwave sample 14 -radiation from induction In a magnetic field, in this case, for two samples of AlGaAs / GaAs (figure 2). The graphs of figure 2 determine the oscillation period Δ (B -1 ) the intensity of the reflected microwave radiation and the calculation formula calculates the concentration of free charge carriers in the test sample, in this case, for the first sample n 1 8.86 × 10 11 cm -2 , and for the second sample n 2 1.01 ˙10 12 cm -2 . The accuracy of measurements of the concentration of charge carriers in the samples under study is ≈0.5%
The proposed method, in contrast to the prototype, is, firstly, based on the Shubnikov-de Haas microwave effect, which manifests itself as a result of cooling the sample to helium temperatures, and secondly, it is highly sensitive as a result of additional exposure to the sample by an alternating magnetic field, changing with sound frequency ω and amplitude b << B, parallel to the constant magnetic field
Figure 00000034
and the direction of microwave radiation, thirdly, the frequency of collisions of charge carriers is applied many times higher than the frequency of microwave radiation, which leads to an increase in sensitivity and makes it possible to measure oscillations in the intensity of microwave radiation reflected from thin layers of degenerate semiconductors, fourthly , applicable when it is impossible to measure the thickness of the investigated semiconductor layer, since the concentration of free charge carriers determined by this method does not depend on the thickness of the layer and the frequency of microwave radiation, and Avis only on the value of magnetic field induction B, fifthly, suitable for determining the concentration of free charge carriers in very thin layers degenerate semiconductors, when the thickness of the layer 10 is 5 times smaller than in the source adopted as a prototype. This made it possible to increase the sensitivity of the method compared to the prototype by about 10 4 times and to make it possible to measure degenerate semiconductors in thin layers. For example, this method can determine the concentration of free charge carriers in two-dimensional layers with a thickness
Figure 00000035
80
Figure 00000036
as well as in submicron structures representing mesastructures with sizes up to values comparable to the electron de Broglie wavelength ≈80-500 μm.

Claims (1)

СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, включающий охлаждение образца при одновременном воздействии на него постоянным магнитным полем, вектор индукции
Figure 00000037
которого перпендикулярен поверхности образца, облучение образца СВЧ-излучением заданной частоты в направлении, параллельном вектору индукции
Figure 00000038
магнитного поля, измерение интенсивности отраженного от образца СВЧ-излучения в зависимости от величины индукции B постоянного магнитного поля и определение по этой зависимости концентрации носителей заряда расчетным путем, отличающийся тем, что образец охлаждают до гелиевых температур, дополнительно воздействуют переменным магнитным полем, изменяющимся со звуковой частотой W, имеющим амплитуду индукции, во много меньшую B, и вектор индукции, направленный параллельно вектору
Figure 00000039
постоянного магнитного поля, причем частоту СВЧ-излучения выбирают меньшей частоты столкновения носителей с атомами полупроводника, а концентрацию n определяют по формуле:
Figure 00000040

где e заряд электрона, Кл;
Figure 00000041
постоянная Планка, Дж · с;
M число долин в зоне проводимости полупроводника;
Bn + 1 и Bn значения индукции постоянного магнитного поля, соответствующие двум соседним экстремумам измеренной зависимости, Тл.
METHOD FOR NON-CONTACT DETERMINATION OF THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTORS, including cooling of the sample while it is exposed to a constant magnetic field, induction vector
Figure 00000037
which is perpendicular to the surface of the sample, irradiating the sample with microwave radiation of a given frequency in a direction parallel to the induction vector
Figure 00000038
magnetic field, measuring the intensity of the microwave radiation reflected from the sample depending on the magnitude of the induction B of a constant magnetic field and determining the concentration of charge carriers by calculation, characterized in that the sample is cooled to helium temperatures, additionally exposed to an alternating magnetic field that varies with the sound frequency W, having an induction amplitude much smaller than B, and an induction vector parallel to the vector
Figure 00000039
a constant magnetic field, and the frequency of microwave radiation is chosen lower than the frequency of collision of carriers with atoms of the semiconductor, and the concentration n is determined by the formula:
Figure 00000040

where e is the electron charge, C;
Figure 00000041
Planck's constant, J · s;
M is the number of valleys in the conduction band of the semiconductor;
B n + 1 and B n the values of the induction of a constant magnetic field corresponding to two adjacent extrema of the measured dependence, T.
SU4925820 1991-04-04 1991-04-04 Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors RU2037911C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4925820 RU2037911C1 (en) 1991-04-04 1991-04-04 Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4925820 RU2037911C1 (en) 1991-04-04 1991-04-04 Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2037911C1 true RU2037911C1 (en) 1995-06-19

Family

ID=21568819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4925820 RU2037911C1 (en) 1991-04-04 1991-04-04 Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2037911C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU185052U1 (en) * 2018-01-16 2018-11-19 Дмитрий Дмитриевич Фирсов DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР N 1000945, кл. G 01R 31/26, 1983. *
2. Авторское свидетельство СССР N 1694018, кл. H 01L 21/66, 1994. *
3. Лауринавичус А.К., Пожела Ю.К. Бесконтактное измерение неоднородности распределения концентрации носителей тока в объеме узкозонных полупроводников. Приборы и техника эксперимента, 1976, N 4, с.241-242. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU185052U1 (en) * 2018-01-16 2018-11-19 Дмитрий Дмитриевич Фирсов DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTOR MATERIALS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11774482B2 (en) Atom-based electromagnetic field sensing element and measurement system
Holloway et al. Broadband Rydberg atom-based electric-field probe for SI-traceable, self-calibrated measurements
Silver et al. Multiple quantum resonance spectroscopy through weakly connected superconductors
US4087745A (en) Technique for contactless characterization of semiconducting material and device structures
Freeman Picosecond pulsed‐field probes of magnetic systems
US5792667A (en) Process and a device for the detection of surface plasmons
Meredith et al. Application of a SQUID magnetometer to NMR at low temperatures
Semenov et al. Effect of microwaves on superconductors for kinetic inductance detection and parametric amplification
CN108279065B (en) Method for detecting spin wave information transmission frequency
RU2037911C1 (en) Method of contactless determination of concentration of free charge carriers in semiconductors
RU2368982C2 (en) Method for contactless definition of quantised hall resistance of semiconductors
Fang et al. de Haas—van Alphen effect in silicon inversion layers
Xu et al. Magneto-photon-phonon resonances in two-dimensional semiconductor systems driven by terahertz electromagnetic fields
CN114720919B (en) Microwave magnetic field measuring method and microwave magnetic field measuring system
Yamazaki et al. Implementation of magneto-optic probe with> 10 GHz bandwidth
RU2654935C1 (en) Method of the semiconductors quantized hall resistance contactless determination and device for its implementation
WO2000004375A1 (en) Microwave measuring instrument and methods of measuring with microwaves
Ullah et al. Macroscopic transport of a current-induced spin polarization
JP7384399B2 (en) Measuring device and method
WO2022172350A1 (en) Temperature measurement device
Ioffe et al. Hall Voltage Fluctuations as a Diagnostic of Internal Magnetic Field Fluctuations in High Temperature Superconductors and the Half-Filled Landau Level
Koledintseva et al. Spectrum visualization and measurement of power parameters of microwave wide-band noise
Hübner et al. Time-resolved spin dynamics and spin noise spectroscopy
Kornilovich et al. Apparatus for determining parameters of semiconductor structures by magnetic quantum effects and admittance spectroscopy
Liseno et al. Depth resolving power in near zone: numerical results for a strip source