RU2094906C1 - Method for determining concentration of mobile charge carriers in semiconductors - Google Patents
Method for determining concentration of mobile charge carriers in semiconductors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2094906C1 RU2094906C1 RU94002787A RU94002787A RU2094906C1 RU 2094906 C1 RU2094906 C1 RU 2094906C1 RU 94002787 A RU94002787 A RU 94002787A RU 94002787 A RU94002787 A RU 94002787A RU 2094906 C1 RU2094906 C1 RU 2094906C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- semiconductor
- sample
- determining
- dependence
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковому материаловедению и может быть использовано для определения электрофизических свойств полупроводниковых материалов, при изготовлении полупроводниковых приборов, а также полупроводниковых пластин и структур. The invention relates to semiconductor materials science and can be used to determine the electrophysical properties of semiconductor materials in the manufacture of semiconductor devices, as well as semiconductor wafers and structures.
Известны способы определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводниках, основанные на эффекте Холла [1]Для реализации этих способов необходимо создавать на образце два омических контакта, которые разрушают образец. Known methods for determining the concentration of mobile charge carriers in semiconductors based on the Hall effect [1] To implement these methods, it is necessary to create two ohmic contacts on the sample that destroy the sample.
Известен способ определения электрофизических параметров в полупроводниковых материалах [2] при реализации которого вакуумированный образец полупроводникового материала медленно нагревают с постоянной скоростью до температуры, соответствующей второй точке перегиба зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры при одновременном освещении поверхности полупроводника оптическим излучением в УФ-диапазоне с энергией фотона, близкой к работе выхода электрона из поверхности полупроводника, определяя при этом зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от температуры. При достижении температуры, соответствующей точке второго перегиба зависимости, освещают поверхность образца оптическим излучением с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электрона с вакансированных уровней, регистрируя зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от времени, по которой определяют концентрацию вакансий. Этот способ неприменим для определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводнике. A known method for determining the electrophysical parameters in semiconductor materials [2] during which the vacuum sample of the semiconductor material is slowly heated to a temperature corresponding to the second inflection point of the temperature dependence of the exoelectronic emission current while illuminating the surface of the semiconductor with optical radiation in the UV range with photon energy close to the work function of the electron from the surface of the semiconductor, while determining the dependence of the current exoelectronic emission from temperature. Upon reaching the temperature corresponding to the second inflection point of the dependence, the surface of the sample is illuminated with optical radiation with a photon energy equal to the photoelectric work function of the electron from the vacant levels, recording the time dependence of the exoelectronic emission current by which the concentration of vacancies is determined. This method is not applicable for determining the concentration of mobile charge carriers in a semiconductor.
Согласно настоящему изобретению для определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводнике образец вакуумируют, нагревают его медленно до температуры первого перегиба зависимости величины тока экзоэлектронной эмиссии от температуры при одновременном освещении поверхности образца оптическим излучением в УФ-диапазоне с энергией фотона, близкой к работе выхода электрона из поверхности полупроводника. При этом регистрируют зависимость величины тока экзоэлектронной эмиссии от температуры. Затем охлаждают образец до исходной температуры. Вторично нагревают образец при тех же режимах при дополнительном освещении поверхности образца импульсным ИК-излучением с энергией фотона, равной собственному поглощению полупроводника потока ИК-излучения. Повторно определяют зависимость величины тока экзоэлектронной эмиссии от температуры, сравнивают ее с ранее полученной, определяют температуру, при которой значения тока экзоэлектронной эмиссии принимают равные значения, определяют искомую величину с использованием плотности светового потока ИК-излучения и определенной ранее температуры. According to the present invention, to determine the concentration of mobile charge carriers in a semiconductor, the sample is evacuated, it is heated slowly to the temperature of the first inflection of the temperature dependence of the exoelectronic emission current while the surface of the sample is illuminated with optical radiation in the UV range with a photon energy close to the work function of the electron from the surface semiconductor. In this case, the temperature dependence of the current of exoelectronic emission is recorded. Then cool the sample to the initial temperature. The sample is heated a second time under the same conditions with additional illumination of the sample surface by pulsed IR radiation with a photon energy equal to the intrinsic absorption of the semiconductor of the IR radiation flux. The temperature dependence of the exoelectronic emission current is re-determined, it is compared with the previously obtained temperature, the temperature is determined at which the values of the exoelectronic emission current are equal, the desired value is determined using the light flux density of infrared radiation and a temperature previously determined.
Существенность введенных в формулу изобретения признаков обосновывается следующим. Для возбуждения экзоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника необходимо воздействовать на его поверхность одновременно УФ-излучением с энергией фотона, соответствующей работе выхода электрона на поверхности, и температурным воздействием. При дополнительном освещении поверхности полупроводника ИК-излучением с энергией фотона, соответствующей собственному поглощению полупроводника в слое, толщина которого равна глубине поглощения фотонов, генерируются электроны и дырки. Вблизи поверхности они находятся в поле поверхностного заряда. Появление дополнительных (неравновесных) электронов и дырок в поле поверхностного заряда приводит к его компенсации. Это, в свою очередь, приводит к изменению поверхностного потенциала. Если же с поверхности генерируются фотостимулированные электроны, то при дополнительной ИК-подсветке их квантовый выход изменяется. Это возможно в том случае, когда концентрация электронно-дырочных пар, генерированных УФ-излучением, много меньше концентрации электронно-дырочных пар, генерированных ИК-излучением. Однако концентрация носителей заряда в полупроводнике в отсутствии ИК-подсветки не превышает концентрации носителей, генерированных ИК-излучением. Следовательно, существует такая температура полупроводника, при которой концентрация носителей заряда в полупроводнике без ИК-излучения совпадает с концентрацией носителей заряда, генерированной ИК-излучением. The materiality of the features introduced into the claims is substantiated by the following. To excite exoelectronic emission from the surface of a semiconductor, it is necessary to act on its surface simultaneously with UV radiation with a photon energy corresponding to the work function of the electron on the surface and the temperature effect. With additional illumination of the semiconductor surface with IR radiation with a photon energy corresponding to the intrinsic absorption of the semiconductor in a layer whose thickness is equal to the depth of absorption of photons, electrons and holes are generated. Near the surface, they are in the field of surface charge. The appearance of additional (nonequilibrium) electrons and holes in the surface charge field leads to its compensation. This, in turn, leads to a change in the surface potential. If photostimulated electrons are generated from the surface, then with additional IR illumination their quantum yield changes. This is possible in the case when the concentration of electron-hole pairs generated by UV radiation is much lower than the concentration of electron-hole pairs generated by IR radiation. However, the concentration of charge carriers in the semiconductor in the absence of IR illumination does not exceed the concentration of carriers generated by IR radiation. Therefore, there is a semiconductor temperature at which the concentration of charge carriers in a semiconductor without IR radiation coincides with the concentration of charge carriers generated by IR radiation.
Техническим результатом изобретения являются:
повышение целостности образца в ходе его контроля за счет отсутствия между ним и контролируемым устройством механического контакта, то есть обеспечение неразрушаемого контроля;
возможность определения концентрации подвижных носителей заряда бесконтактным, неразрушающим измерением;
повышение достоверности контроля за счет использования специального дополнительного мощного источника инфракрасного излучения в области собственного поглощения полупроводников;
увеличение диапазона толщин контролируемых образцов от тонких пленок толщиной от нескольких десятков до сотен анстрем до массивных, толщина которых приблизительно равна глубине собственного поглощения инфракрасного света в полупроводнике, то есть порядка мкм-см в зависимости от ширины запрещенной зоны.The technical result of the invention are:
increasing the integrity of the sample during its control due to the absence of mechanical contact between it and the controlled device, that is, providing indestructible control;
the ability to determine the concentration of mobile charge carriers by non-contact, non-destructive measurement;
increasing the reliability of control through the use of a special additional powerful source of infrared radiation in the field of intrinsic absorption of semiconductors;
an increase in the thickness range of controlled samples from thin films from a few tens to hundreds of anstroms to massive films, the thickness of which is approximately equal to the depth of intrinsic absorption of infrared light in a semiconductor, that is, of the order of μm-cm depending on the band gap.
Заявителю неизвестно существование способа определения концентрации подвижных носителей заряда в полупроводнике, который мог быть охарактеризован совокупностью признаков, введенных заявителем в формулу изобретения, поэтому заявитель считает, что изобретение соответствует критерию охраноспособности "новизна". The applicant is not aware of the existence of a method for determining the concentration of mobile charge carriers in a semiconductor, which could be characterized by a combination of features introduced by the applicant in the claims, therefore, the applicant believes that the invention meets the eligibility criterion of "novelty."
Заявителю неизвестно использование признаков, введенных им в отличительную часть формулы изобретения для достижения аналогичного технического эффекта, поэтому заявитель считает, что изобретение соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень". The applicant is not aware of the use of the features introduced by him in the characterizing part of the claims to achieve a similar technical effect, therefore, the applicant believes that the invention meets the eligibility criterion of "inventive step".
Заявитель считает, что сущность изобретения раскрыта в материалах заявки с полнотой, позволяющей потенциальному пользователю воспроизвести способ; кроме того, оборудование, используемое для реализации способа, является общедоступным. Следовательно, заявитель считает, что изобретение соответствует критерию охраноспособности "промышленная применимость". The applicant believes that the essence of the invention is disclosed in the application materials with the completeness that allows a potential user to reproduce the method; in addition, the equipment used to implement the method is publicly available. Therefore, the applicant considers that the invention meets the eligibility criterion of "industrial applicability".
На фиг. 1 изображена функциональная схема установки для реализации заявленного способа; на фиг. 2 вид зависимости для случая УФ-обработки; на фиг. 3 вид зависимости для случая УФ- и ИК-обработки. In FIG. 1 shows a functional diagram of an installation for implementing the inventive method; in FIG. 2 type of dependence for the case of UV treatment; in FIG. 3 type of dependence for the case of UV and IR treatment.
Установка, используемая для реализации способа, содержит вакуумную камеру 1, в которой размещен предметный столик 2, выполненный с возможностью регулируемого и контролируемого подогрева, вторичный электронный умножитель 3. В стенке камеры 1 выполнены отверстия 4 и 5, закрытые прозрачными для УФ 6, и для ИК 7 материалами. За ними расположены соответственно источники 8 и 9 УФ- и ИК-излучения. Между источниками и отверстиями в стенке могут быть размещены фокусирующие системы. The installation used to implement the method comprises a vacuum chamber 1, in which a stage 2 is placed, made with the possibility of adjustable and controlled heating, a secondary electronic multiplier 3. In the wall of the chamber 1 there are holes 4 and 5 closed transparent for UV 6, and for IR 7 materials. Behind them are respectively sources 8 and 9 of UV and IR radiation. Between sources and holes in the wall, focusing systems can be placed.
Способ реализуют следующим образом. The method is implemented as follows.
Образец полупроводника (столик или пластину) помещают в вакуумную камеру и вакуумируют, нагревая образец со скоростью от 10 до 20 о/мин при одновременном освещении поверхности образца УФ-излучением с энергией фотона, близкой к энергии работы выхода электрона из поверхности образца. Регистрируют зависимость экзоэмиссионного тока от температуры. Доводят нагрев образца до температуры, соответствующей первой точке перегиба зависимости. Затем медленно (примерно с той же скоростью) охлаждают образец до исходной температуры. Повторяют процесс нагрева при УФ-облучении при тех же условиях с дополнительной ИК-подсветкой с частотой от 10 до 20 Гц и энергией фотона, равной собственному поглощению полупроводника, измеряя при этом плотность светового потока ИК-излучения. Повторно определяют зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от температуры. Сравнивают полученную зависимость с ранее полученной. Определяют температуру, при которой значения токов экзоэлектронной эмиссии совпадают при одинаковых световых потоках. Рассчитывают концентрацию подвижных носителей заряда по формуле [3]
где
ni -концентрация подвижных носителей заряда;
m эффективная масса электронов;
k,ℏ постоянная Больцмана и Планка соответственно;
Eg -ширина запрещенной зоны (все эти величины справочные данные);
T*-температура, при которой токи экзоэлектронной эмиссии совпадают.A semiconductor sample (a stage or a plate) is placed in a vacuum chamber and vacuumized, heating the sample at a speed of 10 to 20 rpm while illuminating the surface of the sample with UV radiation with a photon energy close to the electron work function from the surface of the sample. The temperature dependence of the exoemission current is recorded. Bring the sample to a temperature corresponding to the first inflection point of the dependence. Then slowly (at approximately the same speed) cool the sample to the initial temperature. The heating process is repeated under UV irradiation under the same conditions with additional IR illumination with a frequency of 10 to 20 Hz and a photon energy equal to the intrinsic absorption of the semiconductor, while measuring the light flux density of infrared radiation. Re-determine the temperature dependence of the current of exoelectronic emission. Compare the obtained dependence with the previously obtained. The temperature is determined at which the values of the currents of exoelectronic emission coincide at the same light fluxes. Calculate the concentration of mobile charge carriers according to the formula [3]
Where
n i is the concentration of mobile charge carriers;
m is the effective mass of electrons;
k, ℏ is the Boltzmann and Planck constant, respectively;
E g is the band gap (all these values are reference data);
T * is the temperature at which the currents of exoelectronic emission coincide.
Источники информации. Sources of information.
1.Ковтонюк Н.Ф. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов. М. Металлургия, 1970, с.155-171. 1.Kovtonyuk N.F. et al. Measurement of semiconductor material parameters. M. Metallurgy, 1970, p. 155-171.
2. Авторское свидетельство СССР 1728901, H 01 L 21/66, 1990. 2. Copyright certificate of the USSR 1728901, H 01 L 21/66, 1990.
3. Зеегер К. Физика полупроводников. М. Мир, 1977, с.54-69. 3. Seeger K. Physics of semiconductors. M. Mir, 1977, p. 54-69.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94002787A RU2094906C1 (en) | 1994-01-28 | 1994-01-28 | Method for determining concentration of mobile charge carriers in semiconductors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94002787A RU2094906C1 (en) | 1994-01-28 | 1994-01-28 | Method for determining concentration of mobile charge carriers in semiconductors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94002787A RU94002787A (en) | 1996-09-27 |
| RU2094906C1 true RU2094906C1 (en) | 1997-10-27 |
Family
ID=20151799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94002787A RU2094906C1 (en) | 1994-01-28 | 1994-01-28 | Method for determining concentration of mobile charge carriers in semiconductors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2094906C1 (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 |
-
1994
- 1994-01-28 RU RU94002787A patent/RU2094906C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Ковтонюк Н.Ф. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов. - М.: Металлургия, 1970, с.155 - 171. 2. Авторское свидетельство СССР N 1728901, кл.H 01L 21/66, 1990. * |
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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94002787A (en) | 1996-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Brillson | Observation of extrinsic surface states on (1120) CdS | |
| IL267920B1 (en) | Inspection and metrology using broadband infrared radiation | |
| Shinn et al. | Excimer laser photoablation of silicon | |
| RU2094906C1 (en) | Method for determining concentration of mobile charge carriers in semiconductors | |
| Nunomura et al. | O2 and Ar plasma processing over SiO2/Si stack: Effects of processing gas on interface defect generation and recovery | |
| US6143667A (en) | Method and apparatus for using photoemission to determine the endpoint of an etch process | |
| Gheeraert et al. | Thermally stimulated conductivity and luminescence in polycrystalline diamond films | |
| Greiffenberg et al. | Busca | |
| Ohtomo et al. | Surface morphology of a Cu substrate flattened by a 2 ″photoemission‐assisted ion beam source | |
| Wang et al. | H+ ion-implantation energy dependence of electronic transport properties in the MeV range in n-type silicon wafers using frequency-domain photocarrier radiometry | |
| Tyutrin et al. | Formation of a thin luminescent layer in LiF crystals under glow discharge radiation | |
| JPH113923A (en) | Method for detecting metallic contaminant in sub-micron silicon surface layer of semiconductor | |
| Bailey et al. | Time‐resolved visible spectroscopy of laser‐produced lithium plasmas | |
| Żuk et al. | Effect of oxygen implantation on ionoluminescence of porous silicon | |
| Lee et al. | Detection of electron and hole traps in CdZnTe radiation detectors by thermoelectric emission spectroscopy and thermally stimulated conductivity | |
| SU1628106A1 (en) | Method of laser mass-spectrographic analysis | |
| SU1556463A1 (en) | Method of determining power of two-dimentional electron zones of metal surfaces | |
| JPH04104042A (en) | Method for measuring concentration of oxygen in silicon | |
| Larmande et al. | LBIC measurement optimization to detect laser annealing induced defects in Si | |
| Degoda et al. | Light Sum Accumulation in ZnSe Crystals at X‐Ray Excitation | |
| Yost et al. | A quality monitor and monitoring technique employing optically stimulated electron emission | |
| JPS62113052A (en) | Element analysis | |
| Manche | Differential thermoluminescence (DTL)—a new instrument for measurement of thermoluminescence with suppression of blackbody radiation | |
| JPH06109718A (en) | Analyzing method for metal element in semiconductor crystal | |
| Serdobintsev et al. | Secondary-ion mass spectrometry of photoconducting targets |