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 semiconductorsInfo
- 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
Links
Images
Abstract
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 (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 (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 монохроматическим когерентным излучением, энергия кванта которого меньше ширины запрещенной зоны полупроводника (h ΔE), поляризованного так, что вектор напряженности электрического поля перпендикулярен постоянному магнитному полю , 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 - (B
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 monochromatic coherent radiation, whose quantum energy is less than the band gap of the semiconductor (h ΔE), polarized so that the electric field vector is perpendicular to the constant magnetic field , 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 - (B
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 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 (- 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 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 ( - 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 , 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 .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 where S is the sample area. Based on the unit surface of the layer, i.e. at
dz .
Заменяя KdK m*dE/ ℏ2, получаем
dz .Replacing KdK m * dE / ℏ 2 , we obtain
dz .
Поверхностная плотность квантовых состояний не зависит от энергии:
.The surface density of quantum states is independent of energy:
.
При EF > Ei вероятность заполнения уровня Ei равна единице. Тогда поверхностная концентрация электронов определяется при интегрировании выражения
dn dE
ni= dE (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 dE
n i = dE (E F - E i ).
Известно, что в квантующих магнитных полях плотность электронных состояний имеет резонансный характер с максимумами вблизи уровней Ландау:
EN= (N + )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 + ) 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 (N + )BN
n (N+1)+ BN+1;
n (B
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 (N + ) B N
n (N + 1) + B N + 1 ;
n (B
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)+ 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 ) + 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
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
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
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
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
Выход СВЧ-детектора 8 подключен к информационному входу усилителя-детектора 10, являющемуся входом селективного усилителя. The output of the
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-
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 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 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 80 , а также в субмикронных структурах, представляющих мезаструктуры размерами вплоть до величин, сравнимых с длиной волны де Бройля электрона ≈80-500 мкм.From the
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 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
Claims (1)
где e заряд электрона, Кл;
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 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 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 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:
where e is the electron charge, C;
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.
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)
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 |
-
1991
- 1991-04-04 RU SU4925820 patent/RU2037911C1/en active
Non-Patent Citations (3)
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)
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 |