RU2079853C1 - Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials - Google Patents

Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials Download PDF

Info

Publication number
RU2079853C1
RU2079853C1 RU93045035A RU93045035A RU2079853C1 RU 2079853 C1 RU2079853 C1 RU 2079853C1 RU 93045035 A RU93045035 A RU 93045035A RU 93045035 A RU93045035 A RU 93045035A RU 2079853 C1 RU2079853 C1 RU 2079853C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
concentration
traps
carriers
equilibrium
Prior art date
Application number
RU93045035A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93045035A (en
Inventor
Э.А. Ильичев
А.И. Лукьянченко
Original Assignee
Ильичев Эдуард Анатольевич
Лукьянченко Елена Степановна
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 Ильичев Эдуард Анатольевич, Лукьянченко Елена Степановна filed Critical Ильичев Эдуард Анатольевич
Priority to RU93045035A priority Critical patent/RU2079853C1/en
Publication of RU93045035A publication Critical patent/RU93045035A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2079853C1 publication Critical patent/RU2079853C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed method of determination of electrophysical parameters of semiconductor and semiinsulating materials is based on local nondestructive measurements of relaxation processes of electron-hole and trap systems in sample under conditions of their periodic excitation by light and quasi-equilibrium heating of sample. Method allows to measure time of relaxation of traps, their energy and concentration as well as their distribution in plane of plane and in depth. Concentration of equilibrium carriers and their distribution in depth and in plane of plate are determined in doped samples. EFFECT: improved authenticity of proposed method. 2 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике. The invention relates to measuring equipment.

Известен способ неразрушающих измерений параметров ловушек в полупроводниках, заключающийся в измерении интенсивности оптических спектров поглощения [1] Способ основан на поглощении квантов света при стимулировании переходов примесь зона, либо зона зона. К недостаткам способа относятся низкая чувствительность и, как следствие, неудовлетворительная разрешающая способность (локальность 1 мм). В случае ловушек, находящихся в нейтральном состоянии, пороговая концентрация обнаруживаемой примеси превышает 1016 1017 см-3, что связано с малым сечением фотоионизации примеси. В случае переходов примесь-зона порог чувствительности [2] не превышает 1017 см-3. В случае глубокой примеси обнаружительная способность 1016 см-3.A known method of non-destructive measurement of the parameters of traps in semiconductors, which consists in measuring the intensity of the optical absorption spectra [1] The method is based on the absorption of light quanta when stimulating transitions, an impurity band, or a band zone. The disadvantages of the method include low sensitivity and, as a result, poor resolution (locality 1 mm). In the case of traps in a neutral state, the threshold concentration of the detected impurity exceeds 10 16 10 17 cm -3 , which is associated with a small photoionization cross section of the impurity. In the case of impurity – zone transitions, the sensitivity threshold [2] does not exceed 10 17 cm –3 . In the case of a deep impurity, the detection ability is 10 16 cm -3 .

Известен способ определения параметров ловушек в полупроводниковых материалах, основанный на нестационарной спектроскопии глубоких уровней (ГУ), в процессе которой возбуждение ГУ осуществляется подачей на тестовую ячейку импульсов электрического напряжения [3] Образец для исследований изготавливают в виде емкостной ячейки, содержащей полевой электрод и омический контакт. Измерения осуществляют в следующей последовательности. Охлаждают образец до температуры

Figure 00000002
в процессе его квазиравновесного нагревания на полевой электрод подают периодическую систему импульсов обеднения и обогащения, регистрируя в период обеднения изменения емкости во времени; при этом время, в течение которого регистрируются изменения емкости, а также момент начала регистрации выбирают соответствующими максимумам изменения емкости а текущая температура образца является параметром, изменяющим соотношение между длительностью "временного окна" и характерными временами генерационно-рекомбинационных процессов, протекающих с участием измеряемых ловушек, обуславливающих динамику процесса изменения емкости.A known method for determining the parameters of traps in semiconductor materials, based on non-stationary spectroscopy of deep levels (GU), in which the excitation of GU is carried out by applying voltage pulses to the test cell [3] The test sample is made in the form of a capacitive cell containing a field electrode and an ohmic contact . Measurements are carried out in the following sequence. Cool the sample to a temperature
Figure 00000002
in the process of its quasi-equilibrium heating, a periodic system of impulse and enrichment pulses is fed to the field electrode, recording changes in capacity over time during the depletion period; the time during which the changes in the capacitance are recorded, as well as the moment of the beginning of the registration, are selected corresponding to the maxima of the capacitance changes and the current temperature of the sample is a parameter that changes the relationship between the duration of the “time window” and the characteristic times of the generation-recombination processes taking place with the participation of measured traps causing the dynamics of the process of changing capacity.

Недостатком способа является то обстоятельство, что он относится к разрушающим методам, так как для проведения измерений требуется изготовить на образце барьерный и омический контакты. Кроме того, при диагностике приборных структур на полуизолирующих подложках из-за необходимости изготовить планарный омический контакт локальность способа неудовлетворительна (- 1 мм). И наконец, диагностировать полуизолирующие материалы указанным методом практически невозможно. The disadvantage of this method is the fact that it relates to destructive methods, since for measurements it is necessary to produce barrier and ohmic contacts on the sample. In addition, when diagnosing instrument structures on semi-insulating substrates, due to the need to produce a planar ohmic contact, the locality of the method is unsatisfactory (-1 mm). And finally, it is almost impossible to diagnose semi-insulating materials using this method.

Из неразрушающих методов определения концентрации равновесных носителей в полупроводниковых материалах известен способ, основанный на поглощении длинноволнового излучения свободными носителями [4] Способ позволяет однако производить количественные измерения только при использовании эталонных образцов и используется поэтому лишь при контроле распределения легирования в плоскости пластины. Of non-destructive methods for determining the concentration of equilibrium carriers in semiconductor materials, a method is known based on the absorption of long-wavelength radiation by free carriers [4]. The method allows, however, to carry out quantitative measurements only when using reference samples and is therefore used only to control the distribution of doping in the plane of the wafer.

Целью предлагаемого изобретения является реализация способа неразрушающих измерений электрофизических параметров полупроводниковых и полуизолирующих материалов, позволяющего определять параметры глубоких уровней, их распределения в плоскости и по глубине пластины, а также абсолютных измерений концентрации свободных носителей в полупроводниках и их распределения в плоскости пластины. The aim of the invention is the implementation of a method of non-destructive measurements of the electrophysical parameters of semiconductor and semi-insulating materials, which allows to determine the parameters of deep levels, their distribution in the plane and depth of the plate, as well as the absolute measurements of the concentration of free carriers in semiconductors and their distribution in the plane of the plate.

Поставленная цель достигается тем, что при измерениях параметров ловушек квазиравновесно нагреваемый образец размещают между обкладками плоского конденсатора, а контролируемый участок образца облучают светом (ℏν>Eд) изменяющимся во времени по периодическому закону с периодом

Figure 00000003
и регистрируют зависимость от времени и от температуры величин U1(t) и
Figure 00000004
пропорциональных току через конденсатор и среднему току, протекающему через конденсатор за время
Figure 00000005
при этом регистрирующие приборы к контролируемым цепям подключаются через усилитель, а средний ток
Figure 00000006
определяется по формуле
Figure 00000007

где
I0 максимальный фототок через образец, τp время жизни носителей на ловушках, t текущее время, tи длительность светового импульса, затем определяют температуру
Figure 00000008
соответствующую максимальной величине
Figure 00000009
после чего устанавливают другой период модуляции излучения
Figure 00000010
регистрируют соответствующую зависимость
Figure 00000011
и определяют температуру
Figure 00000012
отвечающую максимальной величине
Figure 00000013
затем для изолирующих и полуизолирующих образцов с концентрацией глубоких центров Nt, превышающей концентрацию равновесных носителей U0, увеличивают интенсивность облучения до величины, соответствующей максимальной величине U* сигнала U(t), а для образцов с концентрацией ловушек Nt, меньшей концентрации равновесных носителей n0 (для полупроводников), монотонно увеличивают мощность облучения до величины P*, при которой постоянная времени релаксации τo становится зависимой от интенсивности облучения, затем рассчитывают по формулам
Figure 00000014
время жизни носителей на ловушках при температурах
Figure 00000015
энергию ловушек
Figure 00000016

сечение захвата ловушек
Figure 00000017

концентрацию ловушек
Figure 00000018

концентрацию равновесных носителей
Figure 00000019

при этом
Figure 00000020
а используемые обозначения имеют следующий смысл: Vт тепловая скорость носителей, U * вх напряжение на входе усилителя, соответствующее максимальной величине сигнала U(t), Cвх входная емкость усилителя, α коэффициент поглощения излучения в образце, g - элементарный заряд, Px мощность излучения, приходящая на облучаемый участок образца Δx2, f* степень заполнения ловушек, τo постоянная времени релаксации фотопотенциала, β квантовая эффективность, ∈c и ∈п - диэлектрическая проницаемость окружающей среды и измеряемой среды соответственно, при этом тип ловушечных центров (ГУ) и тип полупроводника определяют по знаку регистрируемого фотопотенциала U(t) или по знаку функции
Figure 00000021

В случаях, когда концентрация носителей в образцах превышает концентрацию ловушек, а длительность возбуждающего импульса света превышает время релаксации измерительной системы и системы ловушек, при изменении интенсивности излучения регистрируют ту ее величину, которая отвечает моменту начала изменения постоянной времени релаксации фотопотенциала от интенсивности облучения и затем по приведенной выше формуле рассчитывают концентрацию свободных (равновесных) носителей.This goal is achieved by the fact that, when measuring the parameters of traps, a quasi-equilibrium heated sample is placed between the plates of a flat capacitor, and the controlled portion of the sample is irradiated with light (ℏν> E d ) which varies in time according to a periodic law with a period
Figure 00000003
and register the dependence on time and temperature of the quantities U 1 (t) and
Figure 00000004
proportional to the current through the capacitor and the average current flowing through the capacitor over time
Figure 00000005
at the same time, recording devices are connected to controlled circuits through an amplifier, and the average current
Figure 00000006
determined by the formula
Figure 00000007

Where
I 0 the maximum photocurrent through the sample, τ p the lifetime of the carriers in the traps, t the current time, t and the duration of the light pulse, then determine the temperature
Figure 00000008
corresponding to the maximum value
Figure 00000009
then set a different period of radiation modulation
Figure 00000010
register the corresponding dependence
Figure 00000011
and determine the temperature
Figure 00000012
corresponding to the maximum value
Figure 00000013
then, for insulating and semi-insulating samples with a concentration of deep centers N t exceeding the concentration of equilibrium carriers U 0 , the radiation intensity is increased to a value corresponding to the maximum value U * of the signal U (t), and for samples with a concentration of traps N t lower than the concentration of equilibrium carriers n 0 (for semiconductors) monotonically increase the irradiation power to a value of P * , at which the relaxation time constant τ o becomes dependent on the irradiation intensity, then calculated by the formulas
Figure 00000014
lifetime of carriers in traps at temperatures
Figure 00000015
trap energy
Figure 00000016

trap capture section
Figure 00000017

concentration of traps
Figure 00000018

concentration of equilibrium carriers
Figure 00000019

wherein
Figure 00000020
and the notation used has the following meaning: V t is the thermal velocity of the carriers, U * in the voltage at the amplifier input corresponding to the maximum value of the signal U (t), C in is the input capacitance of the amplifier, α is the radiation absorption coefficient in the sample, g is the elementary charge, P x the radiation power arriving at the irradiated portion of the sample Δx 2 , f * the degree of trap filling , τ o photovoltage relaxation time constant, β quantum efficiency, ∈ c p ∈ and - the permittivity of the environment and the medium, respectively, wherein the type of trap centers (SU) and the type of the semiconductor is determined by the sign of registered photovoltage of U (t) or the sign function
Figure 00000021

In cases where the carrier concentration in the samples exceeds the concentration of traps, and the duration of the exciting light pulse exceeds the relaxation time of the measuring system and the trap system, when its radiation intensity is changed, its value is recorded that corresponds to the moment of the beginning of the change in the relaxation time constant of the photopotential from the radiation intensity and then the above formula calculates the concentration of free (equilibrium) carriers.

В случаях приложения к обкладкам плоского концентратора электрического поля (напряжение U0) при проведении описанных выше процедур определяет глубину диагностируемой области в зависимости от величины и полярности напряжения U0 по формуле (5)

Figure 00000022

где
lE эффективная длина экранирования (глубина зондирования),
E0 величина напряженности поля в конденсаторе,
Figure 00000023
, lэ - длина дебаевского экранирования; в случае наличия глубоких доноров и компенсирующих акцепторов эффективная длина экранирования равна
Figure 00000024

Неразрушающий характер измерений обусловлен бесконтактным способом измерения тока через образец, связанного с фотопотенциалом, изменяющимся периодически во времени, а отсутствие контактов повышает локальность измерений.In cases of application to the plates of a flat concentrator of an electric field (voltage U 0 ) during the above procedures determines the depth of the diagnosed area depending on the magnitude and polarity of the voltage U 0 according to the formula (5)
Figure 00000022

Where
l E effective shielding length (sounding depth),
E 0 the value of the field strength in the capacitor,
Figure 00000023
, l e - the length of the Debye screening; in the case of deep donors and compensating acceptors, the effective screening length is
Figure 00000024

The non-destructive nature of the measurements is due to the non-contact way of measuring the current through the sample, associated with the photopotential, which varies periodically in time, and the absence of contacts increases the locality of the measurements.

Схема измерения (рис.1) включает:
образец 1, измерительный конденсатор 2, источник света 3 (ℏ•ν> Eg), блок питания 4, широкополосный усилитель 5, синхродетектор 6, термостат 7, датчик температуры 8, графопостроителе 9 и 12, стробоскопический усилитель-преобразователь 10, сканирующее устройство для образца 11, источник внешнего поля 13.
The measurement scheme (Fig. 1) includes:
sample 1, measuring capacitor 2, light source 3 (ℏ • ν> E g ), power supply 4, broadband amplifier 5, synchrodetector 6, thermostat 7, temperature sensor 8, plotter 9 and 12, stroboscopic amplifier 10, scanning device for sample 11, the source of the external field 13.

Измерения проводятся по следующей схеме (процедуре). Measurements are carried out according to the following scheme (procedure).

Образец 1 помещают между обкладками измерительного конденсатора 2, одна из обкладок которого прозрачна для излучения, и через нее облучают измеряемый участок образца электромагнитным излучением от источника 3 с изменяющейся интенсивностью с периодом

Figure 00000025
частота следования импульсов света). Напряжение, возникающее на входе усилителя, пропорциональное току, протекающему через образец, усиливается широкополосным усилителем 5 и соответствующий сигнал преобразуется стробоскопическим усилителем-преобразователем 10 и подается на вход "y" графопостроителя 9; на вход "x" графопостроителя 9 подается сигнал временной развертки стробоскопического преобразователя 10. Параллельно сигнал с выхода широкополосного усилителя 5 подается на вход синхродетектора 6, а с его выхода сигнал
Figure 00000026
ставший пропорциональным среднему току, протекающему через образец за период
Figure 00000027
подается на вход "y" второго графопостроителя 12, на вход "x" которого подается сигнал, пропорциональный температуре образца, формируемый датчиком 8.Sample 1 is placed between the plates of the measuring capacitor 2, one of the plates of which is transparent to radiation, and the measured portion of the sample is irradiated with electromagnetic radiation from the source 3 with a varying intensity with a period of time
Figure 00000025
pulse repetition rate). The voltage occurring at the input of the amplifier, proportional to the current flowing through the sample, is amplified by a broadband amplifier 5 and the corresponding signal is converted by a stroboscopic amplifier-converter 10 and fed to the input "y" of the plotter 9; at the input "x" of the plotter 9, a time-sweep signal of the stroboscopic converter 10 is supplied. In parallel, the signal from the output of the broadband amplifier 5 is fed to the input of the synchrodetector 6, and the signal from its output
Figure 00000026
which has become proportional to the average current flowing through the sample over a period
Figure 00000027
fed to the input "y" of the second plotter 12, to the input "x" of which a signal is proportional to the temperature of the sample, generated by the sensor 8.

Заметим, для измерений временных и температурных зависимостей можно использовать один и тот же графопостроитель, так как процедура измерений допускает как параллельное, так и последовательное проведение временного и температурного цикла измерений; при этом, в случае выбора последовательного варианта измерений, на вход "x" графопостроителя коммутируются соответственно выход временной развертки стробоскопического усилителя 10, либо сигнал с датчика температуры 8. Note that the same plotter can be used to measure time and temperature dependencies, since the measurement procedure allows both parallel and sequential time and temperature measurement cycles; in this case, in the case of choosing a sequential measurement option, the time-sweep output of the stroboscopic amplifier 10, or a signal from the temperature sensor 8, are switched to the input "x" of the plotter.

В процессе измерений энергетических параметров ловушек производятся квазиравновесный нагрев образца и регистрация сигнала с выхода синхродетектора 6

Figure 00000028
для двух различных периодов возбуждения
Figure 00000029
а затем, используя значения
Figure 00000030
а также равенства
Figure 00000031
по формулам для Et и σt рассчитываем энергию ГУ и сечение захвата.In the process of measuring the energy parameters of the traps, quasi-equilibrium heating of the sample and registration of the signal from the output of the synchrodetector are performed 6
Figure 00000028
for two different periods of arousal
Figure 00000029
and then using the values
Figure 00000030
as well as equality
Figure 00000031
according to the formulas for E t and σ t, we calculate the GI energy and the capture cross section.

Для измерения концентрации производим монотонное изменение интенсивности импульсов облучения. При этом, в случае полуизоляторов (Nt > n0) увеличиваем интенсивность облучения до величины, соответствующей максимальной величине фотосигнала (до "насыщения"), и рассчитываем концентрацию ловушек по формуле для Nt. При измерении концентрации свободных носителей (равновесных) для случая Nt < n0 измеряем время релаксации в условиях слабых возбуждений (линейный режим рекомбинации), затем, увеличивая монотонно интенсивность облучения, регистрируем ту величину мощности облучения P*, при которой постоянная времени релаксации соответственного импульса фотопотенциала начинает зависеть от интенсивности облучения, и определяем концентрацию равновесных носителей по формуле для n0.To measure the concentration, we produce a monotonic change in the intensity of the irradiation pulses. Moreover, in the case of semi-insulators (N t > n 0 ), we increase the irradiation intensity to a value corresponding to the maximum value of the photo signal (to “saturation”), and calculate the concentration of traps according to the formula for N t . When measuring the concentration of free carriers (equilibrium) for the case N t <n 0, we measure the relaxation time under conditions of weak excitations (linear recombination mode), then, increasing the irradiation monotonously, we register the irradiation power P * at which the relaxation time constant of the corresponding pulse the photopotential begins to depend on the intensity of irradiation, and we determine the concentration of equilibrium carriers by the formula for n 0 .

В основе метода лежит физический эффект, связанный с генерационно-рекомбинационными процессами в полупроводнике, с участием глубоких уровней, в условиях возбуждения неравновесных носителей в образце световыми импульсами. Падающий на образец свет проникает на глубину α-1 ( a коэффициент поглощения света образцом); при этом в области α-1 будет преобладать тот тип носителей, у которого больше время рекомбинации, что следует из справедливости стационарного уравнения

Figure 00000032

В процессе диффузии и самоиндуцированного дрейфа носителей, а также дрейфа их в приповерхностном "контактном" электрическом поле (на границе раздела полупроводник/воздух), доминирующие неравновесные носители распространяются вглубь образца, существенно меняя картину равновесной заселенности глубоких уровней на длине дебаевского экранирования, либо на эффективной длине дебаевского экранирования (при наличии внешнего поля) и создавая объемный заряд. В результате за время освещения импульсом АДБ (рис. 2а) образуется дрейфово-диффузионный потенциал ΦmDE (рис. 2б), приводящий при модулированном во времени освещении (облучении) к изменению во времени поверхностного потенциала ΦDE (рис. 2в). Последний изменяется от максимальной величины Φm соответствующей моменту окончания импульса облучения, до величины Φo соответствующей моменту окончания времени задержки между световыми импульсами. Эта вариация потенциала δΦ= Φmo создает во внешней цепи ток δj=δΦ/Z, где Z Zi + Zn есть сумма сопротивлений измерительной емкости Zi и импеданса образца Zn. При наличии ловушек динамика изменений поверхностного потенциала определяется их энергией и сечением захвата, а при больших интенсивностях облучения и концентрацией неравновесных носителей. При этом можно показать, что функция
Figure 00000033
аппаратно реализующаяся в представленной схеме измерения (имеется в виду режим синхродетектирования), будет иметь максимум при равенстве времени релаксации фотопотенциала и длительности периода следования импульсов световых f -1 т Действительно, так как Iз=Io•[1-exp(-t/τз)] функция тока "зарядки", а Iр=Io•exp(-t/τ )]p функция тока "разрядки" (тока релаксации фотопотенциала в темноте), то величина протекающего за временной интервал заряда ("среднего" тока) будет иметь вид:
Figure 00000034
.The method is based on a physical effect associated with generation-recombination processes in a semiconductor, with the participation of deep levels, under conditions of excitation of nonequilibrium carriers in the sample by light pulses. The light incident on the sample penetrates to a depth of α -1 (a is the light absorption coefficient of the sample); in this case, in the region α -1 , the type of carriers that has a longer recombination time will prevail, which follows from the validity of the stationary equation
Figure 00000032

In the process of diffusion and self-induced drift of carriers, as well as their drift in a near-surface “contact” electric field (at the semiconductor / air interface), the dominant nonequilibrium carriers propagate deep into the sample, significantly changing the equilibrium population of deep levels along the Debye screening length, or on the effective the length of the Debye screening (in the presence of an external field) and creating a space charge. As a result, during the illumination by the ADB pulse (Fig. 2a), the drift-diffusion potential Φ mDE (Fig. 2b) is formed, which, under time-modulated illumination (irradiation), changes in the surface potential Φ DE in time (Fig. 2c). The latter varies from the maximum value Φ m corresponding to the end of the irradiation pulse, to Φ o corresponding to the end of the delay time between the light pulses. This variation of the potential δΦ = Φ mo creates a current δj = δΦ / Z in the external circuit, where ZZ i + Z n is the sum of the resistances of the measuring capacitance Z i and the impedance of the sample Z n . In the presence of traps, the dynamics of changes in the surface potential is determined by their energy and capture cross section, and at high irradiation intensities and the concentration of nonequilibrium carriers. Moreover, it can be shown that the function
Figure 00000033
hardware implemented in the presented measurement scheme (meaning the synchrodetection mode), will have a maximum if the relaxation time of the photopotential and the duration of the repetition period of light pulses f -one t Indeed, since I z = I o • [1-exp (-t / τ z )] the function of the “charging” current, and I p = I o • exp (-t / τ)] p is the function of the “discharge” current ( of the relaxation potential of the photopotential in the dark), then the magnitude of the charge flowing over the time interval (the "average" current) will have the form:
Figure 00000034
.

При tи< f -1 т , либо при Δn≪ no, M, K, получим, что максимум этой величины реализуется при условии τ = f -1 т (получаем из

Figure 00000035
). Значит в полученной зависимости
Figure 00000036
максимум функции соответствует температуре Tm, при которой f -1 т = τ(Tm) (рис. 3а). Таким образом, используя полученные на зависимостях
Figure 00000037
значения
Figure 00000038
, а также зная, что
Figure 00000039
, определяем энергию ГУ Et и их сечение захвата σt. Действительно, так как
Figure 00000040
и τo= (Ut•σt•Ncv)-1, то при двух периодах повторения
Figure 00000041
получаем:
Figure 00000042
, а так как
Figure 00000043

Figure 00000044
и
Figure 00000045
.For t and <f -one t or, for Δn≪ n o , M, K, we obtain that the maximum of this quantity is realized under the condition τ = f -one t (we obtain from
Figure 00000035
) So in the resulting relationship
Figure 00000036
the maximum of the function corresponds to the temperature T m at which f -one t = τ (T m ) (Fig.3a). Thus, using the obtained dependencies
Figure 00000037
values
Figure 00000038
as well as knowing that
Figure 00000039
, we determine the energy of the PG E t and their capture cross section σ t . Indeed, since
Figure 00000040
and τ o = (U t • σ t • N cv ) -1 , then for two repetition periods
Figure 00000041
we get:
Figure 00000042
, and since
Figure 00000043

Figure 00000044
and
Figure 00000045
.

При измерениях концентрации ГУ предпочтительно реализовать следующие соотношения между импедансами измерительной емкости Zc, входным сопротивлением усилителя 5 Zвх и сопротивлением растекания и объемным сопротивлением измеряемого образца Zn: Zc>>Zn>>Zвх. Несложно показать, что упомянутые соотношения между указанными импедансами реализуются в области частот повторения импульсов возбуждения (102 106 Гц) и при характерных размерах зазора между образцом и полупрозрачной обкладкой емкости 0,1 1,0 мм и ее линейным размером 1 мм. В этом случае между величиной фотоЭДС и напряжением на входе усилителя справедливо следующее соотношение:

Figure 00000046

Эквивалентная схема измерения показана на фиг. 4.When measuring the concentration of PG, it is preferable to implement the following relations between the impedances of the measuring capacitance Z c , the input impedance of the amplifier 5 Z in and spreading resistance and the volume resistance of the measured sample Z n : Z c >> Z n >> Z in . It is easy to show that the aforementioned relations between the indicated impedances are realized in the region of repetition frequencies of the excitation pulses (10 2 10 6 Hz) and with the characteristic dimensions of the gap between the sample and the translucent lining of the capacitance 0.1 1.0 mm and its linear size 1 mm. In this case, between the photo-emf value and the voltage at the input of the amplifier, the following relation is valid:
Figure 00000046

An equivalent measurement circuit is shown in FIG. 4.

Тогда, так как f -1 т ≫ τиз.сист и Cиз.им<<Cn, то для тока через образец можно написать следующее соотношение:

Figure 00000047

Учитывая что
Figure 00000048
, имеем
Figure 00000049

Отсюда окончательно имеем
Figure 00000050

Значит, для произведения концентрации ловушек на степень их заполнения можно написать следующее соотношение:
Figure 00000051

При определении концентрации свободных равновесных носителей n0 (случай Nt<n0) предлагаемый подход основан на следующем соотношении для стационарной концентрации неравновесных носителей: Δnст.= τ•β•I•α-1.Then, since f -one t ≫ τ from the system and C from the name << C n , then for the current through the sample we can write the following relation:
Figure 00000047

Given that
Figure 00000048
, we have
Figure 00000049

From here we finally have
Figure 00000050

So, for the product of the concentration of traps by the degree of their filling, we can write the following relation:
Figure 00000051

When determining the concentration of free equilibrium carriers n 0 (case N t <n 0 ), the proposed approach is based on the following relation for the stationary concentration of nonequilibrium carriers: Δn Art. = τ • β • I • α -1 .

При малых уровнях возбуждения (Δn<no) реализуется линейный режим рекомбинации и τ является постоянной величиной. В случае больших интенсивностей возбуждения (Δn>no)τ становится функцией концентрации неравновесных носителей и уменьшается при дальнейшем увеличении интенсивности облучения, рис.3б. Таким образом существует критическая величина, при превышении которой τ перестает быть постоянной величиной. Такая величина P* соответствует ситуации, при которой концентрация неравновесных носителей становится равной концентрации равновесных носителей, Dnст.= no.
Отсюда для равновесной концентрации следует соотношение:

Figure 00000052

где P* мощность светового облучения равная критической (пороговой) величине, β квантовая эффективность, t время жизни ловушек в возбужденном состоянии, ℏ постоянная Планка, ν частота электромагнитного излучения (ℏ•ν энергия кванта света), a коэффициент поглощения света образцом, Dx линейный размер пятна светового зонда.At low excitation levels (Δn <n o ), a linear recombination regime is realized and τ is a constant. In the case of high excitation intensities (Δn> n o ), τ becomes a function of the concentration of nonequilibrium carriers and decreases with a further increase in the irradiation intensity, Fig.3b. Thus, there is a critical value, above which τ ceases to be a constant value. Such a value of P * corresponds to a situation in which the concentration of nonequilibrium carriers becomes equal to the concentration of equilibrium carriers, Dn Art. = n o .
From here for the equilibrium concentration follows the ratio:
Figure 00000052

where P * is the light irradiation power equal to the critical (threshold) value, β is the quantum efficiency, t is the lifetime of the traps in the excited state,, is the Planck constant, ν is the frequency of electromagnetic radiation (ℏ • ν is the quantum energy of light), and the light absorption coefficient is sample, Dx is linear spot size of the light probe.

Заметим, поверхностный потенциал способствует разделению дырок и электронов: дырки в поле поверхностного потенциала устремляются к поверхности и рекомбинируют с большой скоростью на ее множественных дефектах, усиливая корректность монополярного представления задачи. Учет контактного потенциала не влияет на энергетику ловушек и практически не влияет на темп захвата на ГУ, а будет определять только толщину диагностируемого слоя. А так как предложенный выше способ определения концентрации ГУ является оценкой "снизу", а истинная толщина зондируемого слоя не α-1, а равен длине экранирования, то способ точности оценки повышается и не хуже 2 раз.Note that the surface potential facilitates the separation of holes and electrons: holes in the field of the surface potential rush to the surface and recombine at high speed on its multiple defects, enhancing the correctness of the monopolar representation of the problem. Taking into account the contact potential does not affect the energy of traps and practically does not affect the capture rate at the GU, but will determine only the thickness of the diagnosed layer. And since the method for determining the concentration of PG proposed above is an estimate from below, and the true thickness of the probed layer is not α -1 , but equal to the screening length, the method of estimation accuracy increases and is no worse than 2 times.

Примеры измерений. Examples of measurements.

(а). Устанавливаем образец (Nt>n0, полуизолирующая подложка арсенида галлия) в измерительный конденсатор 2 и облучаем его импульсами света с

Figure 00000053
, с периодом 100 мкс (период повторения импульсов) и длительностью 10 мкс. Монотонно увеличивает температуру образца и регистрируем U(t) и
Figure 00000054
(кривые 1, 2 рис. 5а,б).(a). We install a sample (N t > n 0 , a semi-insulating gallium arsenide substrate) in the measuring capacitor 2 and irradiate it with light pulses with
Figure 00000053
, with a period of 100 μs (pulse repetition period) and a duration of 10 μs. Monotonically increases the temperature of the sample and register U (t) and
Figure 00000054
(curves 1, 2 Fig. 5a, b).

Повторяем эту процедуру при периоде следования импульсов света 300 мкс и получаем кривые 3 и 4 рис.5аб. Используя полученные выше соотношения для Et и σt, определяем энергию и сечение захвата ловушек.We repeat this procedure with a light pulse repetition period of 300 μs and obtain curves 3 and 4 of Fig. 5ab. Using the relations obtained above for E t and σ t , we determine the energy and trapping capture cross section.

В результате измерений получено:

Figure 00000055

Используя вышеприведенные соотношения, получаем:
Figure 00000056
(отсчет ведется от Ec).As a result of measurements obtained:
Figure 00000055

Using the above relations, we obtain:
Figure 00000056
(counting is from E c ).

Увеличивая интенсивность облучения, регистрируем максимальную величину фотопотенциала, U * ФП :U * ФП = 1500 мкВ. Учитывая геометрию эксперимента (диаметр прозрачной обкладки измерительного конденсатора 1 мм, зазор между образцом и обкладкой емкости 0,1 мм, диаметр светового пятна 500 мкм), рассчитываем
NtoCNt 5•1015 см-3.
Increasing the irradiation intensity, we record the maximum photopotential, U * FP : U * FP = 1500 μV. Given the geometry of the experiment (the diameter of the transparent lining of the measuring capacitor is 1 mm, the gap between the sample and the lining of the capacitance is 0.1 mm, the diameter of the light spot is 500 μm), we calculate
N t o CN t 5 • 10 15 cm -3 .

(б). Устанавливаем образец (n0>Nt) полупроводниковой структуры в измерительную емкость, монотонно увеличиваем амплитуду импульсов облучения, измеряя при этом время релаксации τ импульсов фотопотенциала, и регистрируем ту величину мощности облучения P*, при которой величина времени релаксации становится зависящей от интенсивности облучения. Измерено: пороговая световая мощность 1,1•10-4 Вт, время релаксации to на участке с линейной рекомбинацией 2 мс (рис. 6, 1, 2). Используя полученную выше формулу для определения n0, получаем для равновесной концентрации значения 4•1015 см-3. Контрольные измерения образа с использованием метода ВФХ дали для концентрации свободных носителей значение 4,4•1015 см-3.(b) We install a sample (n 0 > N t ) of the semiconductor structure in the measuring capacitance, monotonically increase the amplitude of the irradiation pulses, measuring the relaxation time τ of the photopotential pulses, and record the irradiation power P * at which the relaxation time becomes dependent on the irradiation intensity. Measured: threshold light power 1.1 • 10 -4 W, relaxation time t o in the area with linear recombination 2 ms (Fig. 6, 1, 2). Using the formula obtained above to determine n 0 , we obtain values of 4 • 10 15 cm -3 for equilibrium concentration. Control measurements of the image using the C – V method gave a value of 4.4 • 10 15 cm -3 for the concentration of free carriers.

На рис. 7 представлены результаты измерений заявляемым методом полуизолирующей подложки арсенида галлия, содержащей один акцепторный центр: Et 0,82 эВ, σt=10-13 см2, Nt 4•1014 см-3, τo= 0,6 мс.
На рис.8 представлены результаты измерений полуизолирующей подложки арсенида галлия, содержащей донорный и акцепторный глубокие центры:

Figure 00000057

Источники информации, использованные при составлении заявки
1. W. Kohn. Sol. State Phys. v.5, p.257 (1957).In fig. 7 presents the measurement results of the inventive method of a semi-insulating substrate of gallium arsenide containing one acceptor center: E t 0.82 eV, σ t = 10 -13 cm 2 , N t 4 • 10 14 cm -3 , τ o = 0.6 ms.
Figure 8 shows the results of measurements of the semi-insulating gallium arsenide substrate containing donor and acceptor deep centers:
Figure 00000057

Sources of information used in the preparation of the application
1. W. Kohn. Sol. State Phys. v. 5, p. 257 (1957).

2. Ж. Панков. Оптические процессы в полупроводниках. Изд. "Мир", 1973, гл.3. 2. J. Pankov. Optical processes in semiconductors. Ed. "World", 1973, ch. 3.

3. D.V. Lang. J. appl. Phys. v. 75, N7, p. 3014(1974). 3. D.V. Lang. J. appl. Phys. v. 75, N7, p. 3014 (1974).

4. Н. И. Фэн. Поглощение ИК-излучения в полупроводниках. Успехи физических наук, т.6, с.316, 1958. 4. N.I. Feng. The absorption of infrared radiation in semiconductors. Advances in Physical Sciences, vol. 6, p. 316, 1958.

5. Гинберг Н. Брынских П. Теория поглощения света свободными носителями, охватывающая квантовую и классические области. Физика и техника полупроводников, т.5, в.7, с.1271 (1971). 5. Ginberg N. Brynskih P. The theory of light absorption by free carriers, covering quantum and classical domains. Physics and technology of semiconductors, v.5, v.7, p.1271 (1971).

Claims (1)

1. Способ определения электрофизических параметров полупроводниковых материалов, по которому предварительно охлаждают образец до температуры
Figure 00000058

где E* и N * t - ориентировочные минимальные значения энергии ловушек и концентраций ловушек соответственно, выбранные из области возможных значений для заданного объекта измерений;
k постоянная Больцмана;
Ncv плотность состояний на уровне дна зоны проводимости - Nc и потолка валентной зоны Nv,
с последующим его квазиравновесным нагреванием в условиях периодического возмущения равновесия электронно-дырочной и ловушечной систем в образце, отличающийся тем, что измеряемый образец размещают между обкладками плоского конденсатора и контролируемый участок образца облучают электромагнитным излучением с энергией фотонов ℏv > Eg,
где Еg ширина запрещенной зоны исследуемого образца, изменяющимся во времени по периодическому закону с периодом
Figure 00000059
и регистрируют зависимость от времени и от температуры величин U1(t) и
Figure 00000060
, пропорциональных току через конденсатор и среднему току, протекающему через конденсатор за время
Figure 00000061
при этом регистрирующие приборы к контролируемым цепям подключают через усилитель, а средний ток определяют по формуле
Figure 00000062

где I0 максимальный фототок через образец;
τp- время жизни носителей на ловушках;
t текущее время;
tи длительность светового импульса, определяют температуру
Figure 00000063
, соответствующую максимальной величине
Figure 00000064
затем устанавливают другой период модуляции излучения
Figure 00000065
регистрируют соответствующую зависимость
Figure 00000066
и определяют температуру
Figure 00000067
, отвечающую максимальной величине
Figure 00000068
затем для изолирующих и полуизолирующих образцов с концентрацией глубоких центров Nt, превышающей концентрацию равновесных носителей n0 увеличивают интенсивность облучения до величины U*, соответствующей максимальной величине сигнала U(t), а для образцов с концентрацией ловушек Nt, меньшей концентрации равновесных носителей n0, монотонно увеличивают мощность облучения до величины Р*, при которой постоянная времени релаксации τo становится зависимой от интенсивности облучения, затем рассчитывают по формулам время жизни носителей на ловушках при температурах
Figure 00000069
Figure 00000070
энергию ловушек
Figure 00000071

сечение захвата ловушек
Figure 00000072

концентрацию ловушек
Figure 00000073

Концентрацию равновесных носителей
Figure 00000074

где
Figure 00000075

vt тепловая скорость носителей;
U * вх - напряжение на входе усилителя, соответствующее максимальной величине сигнала U(t),
Свх выходная емкость усилителя;
α - коэффициент поглощения излучения в образце;
g элементарный заряд;
Р* мощность излучения, приходящая на облучаемый участок образца;
f* степень заполнения ловушек;
t0 постоянная времени релаксации фотопотенциала;
β - квантовая эффективность;
Ec и En - диэлектрическая проницаемость окружающей среды и измеряемой среды соответственно, при этом тип ловушечных центров и тип полупроводника определяют по знаку регистрируемого фотопотенциала U(t) или по знаку функции
Figure 00000076

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на обкладки плоского конденсатора подают электрическое напряжение U0 и рассчитывают глубину диагностируемой области в зависимости от величины напряжения и его полярности.
1. The method of determining the electrophysical parameters of semiconductor materials, which pre-cool the sample to a temperature
Figure 00000058

where E * and N * t - approximate minimum values of the energy of traps and concentration of traps, respectively, selected from the range of possible values for a given measurement object;
k Boltzmann constant;
N c v the density of states at the bottom of the conduction band - N c and the ceiling of the valence band N v ,
followed by quasi-equilibrium heating under conditions of periodic disturbance of the equilibrium of the electron-hole and trap systems in the sample, characterized in that the measured sample is placed between the plates of a flat capacitor and the controlled portion of the sample is irradiated with electromagnetic radiation with photon energy ℏv> E g ,
where E g the band gap of the test sample, which varies in time according to the periodic law with a period
Figure 00000059
and register the dependence on time and temperature of the quantities U 1 (t) and
Figure 00000060
proportional to the current through the capacitor and the average current flowing through the capacitor over time
Figure 00000061
at the same time, recording devices are connected to controlled circuits through an amplifier, and the average current is determined by the formula
Figure 00000062

where I 0 is the maximum photocurrent through the sample;
τ p is the lifetime of carriers on traps;
t current time;
t and the duration of the light pulse, determine the temperature
Figure 00000063
corresponding to the maximum value
Figure 00000064
then set a different period of modulation of radiation
Figure 00000065
register the corresponding dependence
Figure 00000066
and determine the temperature
Figure 00000067
corresponding to the maximum value
Figure 00000068
then, for insulating and semi-insulating samples with a concentration of deep centers N t exceeding the concentration of equilibrium carriers n 0 , the radiation intensity is increased to a value U * corresponding to the maximum signal value U (t), and for samples with a concentration of traps N t lower than the concentration of equilibrium carriers n 0 , the irradiation power is monotonically increased to a value of P * , at which the relaxation time constant τ o becomes dependent on the irradiation intensity, then the carrier lifetime per l is calculated using the formulas temperature-controlled
Figure 00000069
Figure 00000070
trap energy
Figure 00000071

trap capture section
Figure 00000072

concentration of traps
Figure 00000073

The concentration of equilibrium carriers
Figure 00000074

Where
Figure 00000075

v t thermal velocity of the carriers;
U * in - voltage at the input of the amplifier corresponding to the maximum value of the signal U (t),
C in x output capacity of the amplifier;
α is the radiation absorption coefficient in the sample;
g elementary charge;
P * radiation power coming to the irradiated portion of the sample;
f * degree of trap filling;
t 0 is the relaxation time constant of the photopotential;
β - quantum efficiency;
E c and E n are the dielectric permittivities of the environment and the medium being measured, respectively, while the type of trap centers and the type of semiconductor are determined by the sign of the detected photographic potential U (t) or by the sign of the function
Figure 00000076

2. The method according to p. 1, characterized in that the electrical voltage U 0 is supplied to the plates of the flat capacitor and the depth of the diagnosed area is calculated depending on the magnitude of the voltage and its polarity.
RU93045035A 1993-09-17 1993-09-17 Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials RU2079853C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93045035A RU2079853C1 (en) 1993-09-17 1993-09-17 Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93045035A RU2079853C1 (en) 1993-09-17 1993-09-17 Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93045035A RU93045035A (en) 1996-06-10
RU2079853C1 true RU2079853C1 (en) 1997-05-20

Family

ID=20147518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93045035A RU2079853C1 (en) 1993-09-17 1993-09-17 Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2079853C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2575134C1 (en) * 2014-07-10 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена" Dielectric method of diagnostics of electronic conditions in crystals of sillenites
RU2585963C1 (en) * 2015-04-08 2016-06-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method of determining electrophysical parameters of capacitor structure of memristor characterising moulding process
RU2649065C1 (en) * 2016-11-01 2018-03-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Р. Лебедева Российской академии наук, (ФГБУН ФИАН) Method of determining parameters of cascade-excited traps of charge media in semiconductor
CN113030188A (en) * 2021-03-08 2021-06-25 内蒙古工业大学 Method for detecting carrier concentration of semiconductor material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
W Kohn Jol.Stale Phys, v. 5, р. 257, 1957. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках. - М.: Мир, 1973, гл. 3. D.U.Land sappl Phys, 45, N 7, р. 3014, 1977. Фэи Н.И. Поглощение ИК-излучения в полупроводниках. Успехи физических наук, 1958, т. 6, с. 316. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2575134C1 (en) * 2014-07-10 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена" Dielectric method of diagnostics of electronic conditions in crystals of sillenites
RU2585963C1 (en) * 2015-04-08 2016-06-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method of determining electrophysical parameters of capacitor structure of memristor characterising moulding process
RU2649065C1 (en) * 2016-11-01 2018-03-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Р. Лебедева Российской академии наук, (ФГБУН ФИАН) Method of determining parameters of cascade-excited traps of charge media in semiconductor
CN113030188A (en) * 2021-03-08 2021-06-25 内蒙古工业大学 Method for detecting carrier concentration of semiconductor material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4758786A (en) Method of analyzing semiconductor systems
SU1713448A3 (en) Method of determination of thickness of layers in semiconductor sandwich structures and device to implement it
Williams Surface photovoltage measurements on cadmium sulfide
Mandelis Laser infrared photothermal radiometry of semiconductors: principles and applications to solid state electronics
Guo et al. Device simulation of the light-addressable potentiometric sensor for the investigation of the spatial resolution
Fischer Determination of semiconductor surface properties by means of photoelectric emission
RU2079853C1 (en) Method of measurement of electrophysical parameters of semiconductor materials
Mort Transient photoconductivity in trigonal selenium single crystals
Newman Photoconductivity in Gold-Germanium Alloys
Many et al. Field effect studies of oxygen adsorption on CdS surfaces
JP4441381B2 (en) Method for measuring surface carrier recombination velocity
Mandelis et al. Highly resolved separation of carrier‐and thermal‐wave contributions to photothermal signals from Cr‐doped silicon using rate‐window infrared radiometry
US4621233A (en) Non-destructive testing of semiconductors using acoustic wave method
Law Surface Electrical Changes Caused by the Adsorption of Hydrogen and Oxygen on Silicon
Toney et al. Photocurrent mapping as a probe of transport properties and electric field distributions in cadmium zinc telluride detectors
Steinrisser et al. Electron beam technique for measuring microvolt changes in contact potential
RU2616876C1 (en) METHOD FOR MONITORING PRESENCE OF GaAs MATRIX DEEP DEFECTS CONNECTED WITH EMBEDDING INAS QUANTUM DOTS THEREIN
Gilboa et al. Transverse acoustoelectric voltage inversion and its application to semiconductor surface study: CdS
RU2330300C2 (en) Method of defining electrophysical parametres of semiconductors
Chemla et al. Thickness of surface thin oxide layers determined by impedance spectroscopy using silicon/oxide/electrolyte (SOE) structures
Marinelli et al. Analysis of traps in high quality CVD diamond films through the temperature dependence of carrier dynamics
RU2080611C1 (en) Method for determining electrophysical properties of semiconductors
Klevenhagen Temperature response of silicon surface barrier semiconductor detectors operated in the DC–short circuit configuration
RU2516238C2 (en) Method to determine electroconductivity and energy of activation of admixture centres of semiconductor layers
Mendoza-Lopez et al. Measurement setup to simultaneously explore the location and energy of trapped charges in thin polymer films