Способ определения концентрации свободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистическик

Республик (>)) 1000945 (6I ) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22)Заявлено 08.10.80 (21) 2990811/18-21 (5! )М. Кл. с присоединением заявки J4—

G 01 R 31/26

Гееудврстееввые кемитет (23) Приоритет

Опубликовано 28. 02. 83. Бюллетень № 8

Дата опубликования описания 28. 02. 83 (53) УДК 621 ° 382..2(088. 8) ве делам каееретеввй и втерытий (72) Авторы изобретения

Г. М. Миньков, В. В. Кружаев, О; Э. Рут и т; °

I мени -.: " л- А1 рькогО;, Уральский ордена Трудового Красíîro Зн государственный университет им. А.М. Г (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

В ВЫРОЖДЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Изобретение относится к способам контроля параметров полупроводников и может быть использовано для исследования однородности и качества материалов, применяемых в полупроводниковом приборостроении, а также для на5 учных исследований.

Известен способ определения концентрации носителей заряда в полупроводниках, основанный на эффекте Хол1О ла, заключающи йся в том, что обра зец полупроводникового материала помещают в ортогональные магнитное и электрическое поля, измеряют проводимость

15 образца и холловскую разность потенциалов, по которым с помощью расчетных формул определяют параметры материала 1 .

Недостатками известного способа являются невысокая точность измерений, обусловленная паразитными эффектами, например эффектом Эттингаузена, зависимость результатов от формы об2 разца, а также невозможность локального определения концентрации. !

Известен также способ определения . концентрации носителей заряда в полупроводниках, основанный на измерении вольт-фарадных характеристик барьера

Шоттки, заключающийся в том, что на участке поверхности полупроводника создают барьер Шоттки, к нему прикла" дывают обратное изменяющееся напряжение и измеряют зависимость емкости барьера от приложенного напряжения, в результате обработки .которой по расчетной формуле определяют концентрацию примесей на заданной глубине полупроводника C2 ).

Недостатком этого способа также является невысокая точность измерений, обусловленная неточностью измерений площади контакта, величин емкости и напряжения на барьере, а также.ошиб- ками дифференцирования зависимости емкости барьера от приложенного нап1ooo«.>} Ь ряжения, которое, как правило, производят графически.

П рименимост ь метода вольт-фа радных характеристик барьера Шоттки ограничена также и тем, что не для всех полупроводников при изготовлении контакта металл-полупроводник образуетсл барьер Шоттки, в частности длл таких материалов, как n - }nAs, n - PbTe, имеющих на поверхности обогащенный носи- 1О телями слой.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения концентрации свободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках, основан- t5 ный на эффекте Шубникова-де Гааза и заключающийся в том, что помещают образец в магнитное поле, регистрируют осцилллции поперечного магнитосопротивления образца при изменении магнитного поля, изменяют их период по величине, обратной напряженности магнитного полл, и с помощью расчетной формулы определяют параметр.

В случае изотропного закона дисперсии концентрации свободных носителей заряда рассчитывают согласно это.-;у с;,=.,-.= .: по формуле

1 1 P 13/ 2 ( "I1 C. Ц вЂ” P I е - =зол,„-: электрона,; ,:I< -poc.ти с:ЗетР! в 3 3:< j /!1e:„

Г1остолнна я Ди вака ", / б «-.-, .-) - nep÷oä osöè;.плции и†r:;IIò«!сог1ротивленк::. Гг) вели,А;!ер

nbðÿòíÎè I- à;!p."-: кен:.,::::-: : ..:;а-".

НИТ -IОГО Г!OЛ. ,7 (";.: ОпосоГО H!3л-, - I с, 3 эна ч, 1 е I" 1 . . е о .." ым, чем «к азан ные выше, -;.к, ак для ог1ределения концем-. .ции н:- обх, э11мо измерят B"" его Одн«у вели =

ЧИНУ ПЕпИОД OCL,|.;.ПЛЯ,(::1Й По Вё:;:: "-"ÌÍe.

-брат „ "с ..1 ".Г; яжЕННО(-ти маГ (И;- „. . --1,1 ля, }(po ...з тоro oc1;,1;. - влe,„и:e и;- и ба не согутствуют какие-либо .ущес.венные паразитные эффекты, влияюшие на период осцилллциЙ „3 ).

Основным недостатком известного

5О спосо}за является то, ч о он дает усредненное по объему образца зна „.-:;;-:!e концентрации и не может быть использован для определения pQKGn ьной п}зипове рх нос-ной концентрации носителей заряда,. т.е. не дает возможности измерения концентрационного профиля.

Цель изооретения - обеспечение локальногО спределения концентрации носителей и повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения концентрации свободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках, заключающемуся в том, что помещают образец в магнитное поле, регистрируют осцилляции поперечного магнитосопротивленил образца при изменении магнитного полл, измеряют их период по величине, обратной напряженности магнитного поля, и с помощью расчетной формулы определяют параметр, к исследуемому образцу осуществляют туннельный контакт и дополнительно измеряют период осцилляций дифференциального маrнитосопротивления туннельного контакта при нулевом напряжении смещения на нем.

Поскольку в данном случае регистрируются осцилляции дифференциального магнитосопротивления образца с туннельным контактом в магнитном поле, в нем определяется средняя концентрация свободных носителей заряда в малом объеме V=S *2, где S — площадь

"уннельного контакта, Р - длина своGo ного пробега, т.е. обеспечивается высокая локальность измерений. физическая сущность способа поясняется следующим образом.

Диффере;:циальное сопротивление туннельного контакта при постоянном нап;.1лж.,нии -.мещения Ч обратно пропорциональ:-:o n, -"Tíîñòè состояний полупроводни: .—.. при =-;ÿeðrèè Я .+еЧ (EF - энергия

;"ер;:,:; полупроводника, знак смещения соответствует знаку потенциала на полупроводниковом электроде). Если контам-. помещают в магнитное поле, в гц;О.ГИ. о-è состояний полупроводника ,:!o в,-,,зю-сл максимумы, связанные с уровнями Ландау. Это приводит к воз. икновению осцилляций типа де Гаазаван вульфена в зависимости дифференциального сопротивления от магнитного по;":,. Осцилляции периодичны по величине, обратной величине напряженнос-.и магнитного поля, и при нулевом смещении на контакте их период определяют кваэиимпульс электронов в полупроводнике при энергии, равной энергии феоми, который в случае изотропного закона дисперсии однозначно связан с концентрацией носителей заряда в полупроводнике.

П р и и е р. Согласно предлагаемому способу определяют концентрацию электронов в различных точках обраэS 10009 ца n -!nAs „Р„с х=0,25, Туннельные контакты и - пАз,1х Рх — окисел РЬ изготавливают по известной методике.

П ри этом образец n - 1 и А$.1х Р х после механической шлифовки и полировки травят в полирующем травителе и обезгаживают при 120 С в вакууме (2-5)x х10 1 мм рт . ст. в течение двух часов.

Окисление проводят в атмосфере сухого кислорода при давлении 750 мм рт. ст. 10 и 120 С в течение 30-40 ч. Свинец наносят термическим распылением через маску в вакууме (1-2) ° 10 " мм рт. ст.

Туннельный контакт может быть осуществлен с помощью прижимного электрода из свинца. В обоих случаях туннельный контакт легко удаляется с образца после эксперимента. При изготовлении туннельного контакта образец имел при этом комнатную температуру. Омические20 контакты к n - InAs1 х Рх изготавливают вплавлением индия.

Во время измерений образец помещают в жидкий гелий в рабочий объем сверхпроводящего соленоида. Осцилля- 2$ ции дифференциального магнитосопротивления измеряют с помощью устройства для исследования малых нелинейностей вольт-амперных характеристик туннельных структур, позволяющего осу- щ ществлять запись зависимости дифференциального магнитосопротивления от

I напряженности магнитного поля в диапазоне 0-60 кЭ на двухкоординатном самописце.

3$

Концентрацию свободных носителей определяют в двух точках поверхности образца, отстоящих одна от другой на

3 мм. Исследуемый объем вблизи каждой точки составляет (0,05 -0,05. ) .10-6) см3=2 5 10-3 см

Результаты приведены на чертеже, из которого видно, что периоды осцил ляций для двух кривых существенно от4$ личаются. Кривой 1 соответствует концентрация n=1,08.10 " см З; кривой

2 - 9,07 ° 10 " см . Из данных, представленных на чертеже, очевидно, что с помощью предлагаемого метода можно регистрировать и меньшую разницу в

$O концентрации электронов, в то время как другие методы уже в приведенном примере не позволяли бы с достоверно45 стью различить концентрации носителей в двух точках образца.

По сравнению с методом вольт-фарадных характеристик предлагаемый способ позволяет существенно увеличить точность измерений (примерно в

2-4 раза); в отличие от метода, основанного на эффекте Шубникова-де Гааза, позволяет измерять локальную приповерхностную концентрацию носителей заряда, что является очень важ;,ым в полупроводниковом приборостроении, поскольку именно приповерхностные свойства:материалов определяют параметры многих полупроводниковых приборов; кроме того, можно с высокой точностью измерять концентрационные профили в вырожденных эпитаксиальных пленках полупроводниковых материалов, и таким образом, улучшить контроль их качества.

Формула изобретения

Способ определения концентрации

Фр свободных носителей заряда в вырожденных полупроводниках, заключающийся в том, что помещают образец в магнитное поле, ре;истрируют осцилляции поперечного магнитосопротивления образца при изменении магнитного поля, измеряют их период по величине, обратной напряженности магнитного поля, и с помощью расчетной формулы опреде-. ляют параметр, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью обеспечения локального определения концентрации носителей и повышения точности, к исследуемому образцу осуществляют туннельный контакт и дополнительно измеряют период осцилляций дифференциального магнитосопрзтивления туннельного контакта при нулевом напряжении смещения на нем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Батавин В. В. Контроль параметров полупроводниковых материалов и эпитаксиальных слоев. Н., "Советское радио", 1978, с. 23-27.

2. Цидильковский И.И. Электроны и дырки в полупроводниках. И., нНаука", 1972, с. 549 (прототип).

1000945

Тираж 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор А. Лежнина

Фе ° ФЮЮЮ

Заказ 1744

Составитель 9. Брызгалов

Техред Ж.Кастелевии Корректор " Дем ик