Способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника (его варианты)

 

1. Способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальнык энергетических уровней, в запре .щенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение полупроводника и измерение зависимости фотопроводимости волны излучения последующего облучения, о т л и ч яю щ и и с я тем, что, с целйю повыйенйя чувствительности способа и точности определения ширины запре 1ценной зоны и положения энергетичес ких уровней, измеряют зависимости разности между максимальным и стащ онйрным значениями фотопроводимости от длины волды последующего облучения при фиксированных энергиях предварительного возбуждения k по максимумам этих зависимостей определяют ширину запрещенной зоны полупровод ника и положение локальных энергети , ческих уровней в ней. 2. Способ определения ширины запрещённой зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение по-; лупроводника и измерение зависимости фотопроводимости от длины волны S излучения последующего облучения, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности способа и точности определения ширины запрещенной зоны и положения энергетических уровней, полупроводник предварительно возбуждают электромагнитным излучением в области яримесного и собственного поглощения сх и измеряют зависимости разности межо ду максимальным и стационарным знасо ю р чениями фотопроводимости от длины волны излучения предварительного возбуждения на фиксированных длинах волн послед5П(щего облучения и по максимумам этих зависимостей определяют ширину запрещенной зоны полу .проводника и положение локальных энергетических уровней в ней.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) Н 01 Ь ?1 бб

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCtlOMV CBBBETEllhCTBV

ГОСУДАРСТВЕННЫ 1 КОМИТЕТ .СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (Л НРЫТИЙ (21) 3373449/18-25 (22) 30.12.81 (46) 30.01.8 . Бкл. Р 4 (72) В.А.Коротков, Л.В.Маликова и А.р.Симашкевич (71) Кишиневский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им. В.И.Ленина (53) 621.382,(088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

Р 646795, кл. Н 01 1. 21/бб, 1978.

2.Абдинов А.Ш. и др. Примесная фотопроводимость в СаБе, индуцированная собственной подсветкой. Физи ка и техника полупроводников, т.14, в. 1, 1980, с. 164-169 (прототип).

I (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШИРИНЫ 3АПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ И ПОЛОЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ В ЗАПРЕЩЕННОЙ

ЗОНЕ, ПОЛУПРОВОДНИКА (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1. Способ, определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запре щенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение полу проводника и измерение зависимости фотопроводимости волны излучения последующего облучения, о т л и ч.аю шийся тем, что, с целвю повышения чувствительности способа и точности определения ширины запре;щенной зоны и положения энергетичес

1 ких уровней, измеряют зависимости разности между максимальным и стаци SU,,1086 9 А онарным значениями фотопроводимости от длины волны последующего облучения при фиксированных энергиях предварительного возбуждения и по максимумам этих зависимостей определяют ширину запрещенной зоны полупроводника и положение локальных энергети-,,ческих уровней в ней.

2. Способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение по-; лупроводника и измерение зависимости фотопроводимости от длины волны Е излучения последующего облучения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительностиспособа и точности определения ширины запрещенной зоны и положения энергетических уровней, полупроводник предварительно возбуждают элекгромагнитным излучением в области примесного и собственного поглощения и измеряют зависимости разности между максимальным и стационарным значениями фотопроводимости от длины волны излучения предварительного возбуждения на фиксированных длинах волн последующего облучения и по

Максимумам этих зависимостей опрецеляют ширину запрещенной зоны полупроводника и положение локальных энергетических уровней в ней.

1086999 2

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, а также на основании этих данных — природы примесей и дефектов фоточувствительных материалов, например соединений типа A 8, A 8, Ge u Si с глубокими- 10 примесями.

Известен способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, вклю- 15 чающий облучение полупроводника электромагнитным излучением из области спектра многофотонного поглощения 51).

Недостатком данного способа является то, что он предусматривает об- 20 лучение материала излучением с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника в 2-3 раза; при этом коэффициент поглощения принимает максимальное значение, в результа-25 те чего на точность и чувствительность .способа сильно влияет состояние поверхности. Кроме того, для широкозонных материалов реализация это.го способа вызывает дополнительные 30 трудности, связанные с применением ультрафиолетового излучения. Этот способ требует предварительного измерения времени жизни как основных, так и неосновных носителей заряда,. а также удельной теплоемкости, которая неизвестна для новых материалов.

Известен также способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в 40 запрещенной зоне полупроводника, включающий предварительное возбуждение полупроводника и измерение зависимости фотопроводимости от длины волны излучения последующего облуче- 45 ния, являющийся наиболее близким к описываемому способу и выбранный в . качестве прототипа (2).

В результате сканирования длины волны электромагнитного излучения, падающего на образец, в направлении от коротких к длинным появляется широкая полоса примесной фотопроводимости, по длинноволновому спаду которой определяют положение энергетического уровня в запрещенной зоне полупроводника. При сканирований длины волны электромагнитного излучения, падающего на образец, в направлении уменьшения длины волны явление индуцированной примесной фотопроводимости не наблюдается.

Недостатком данного способа является низкая чувствительность и точность определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, так как широкая полоса индуцированной примесной фото. проводимости является результатом наложения в процессе сканирования нескольких элементарных перекрывающихся полос фотопроводимости, а на длинноволновой спад собственной фотопроводимости обычно накладывается примесной фотоэффект. Регистрация стационарного значения фотопроводимости исключает возможность выявления тех энергетических уровней, которые работают в неравновесном состоянии и релаксируют к равновесному но мере установления стационарного значения фотопроводимости. По зависимости фотопроводимости от длины волны электромагнитного излучения последующего облучения нельзя определить энергетическое положение нефоточувствительных центров — некоторых уровней рекомбинации и захвата.

Цель изобретения — повышение чувствительности способа и точности определения ширины запрещенной зоны полупроводника и положения локальных энергетических уровней в ней.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, включающем предварительное возбуждение полупроводника и измерение зависимости фотопроводимости от длины волны излучения последующего облучечия, измеряют зависимости разности между максимальным и стационарным значениями фотопроводимости от длины волны последующего облучения при фиксированных энергиях предварительного возбуждения и по максимумам этих зависимостей определяют ширину запрещенной зоны полупроводника и положение локальных энергетических уровней в ней.

Поставленная цель может быть достигнута также предварительным возбуж1086999 4 дением полупроводника электромагнитным излучением в области примесного и собственного поглощения и измере нием зависимости разности между мак,симальным и стационарным значениями

I ° фотопроводимости от длины волны излучения предварительного возбуждения на фиксированных длинах волн последующего облучения и определением по максимумам этих зависимостей ширины 10 запрещенной зоны полупроводника и положения локальных энергетических уровней в эапреценной зоне полупроводника.

На фиг. 1 представлена кривая, 35 фотопроводимости полупроводника; на фиг. 2 — кривые спектральной зависимости фотопроводймости: кривая спектральная зависимость продольной фотопроводимости, кривая 2 — зависи- 20 мость амплитуды всплеска d 3 при. Л =

= 0,875 мкм от длины волны предварительного освещения, кривая 3 — зависимость 8 3 на фиксированной длине волны последующего облученич от дли- 25 ны волны предварительного возбуждения.

Описываемый способ использует явление вспьш ечной релаксации фотопроводимости полупроводника электромаг- З0. нитным излучением в области собстч венного и примесного поглощения (фиг. 1). В основе существования вспьппки фотопроводимости независимо от физических механизмов, ее вызывающих, лежит необходимость создания неравновесного состояния на локальных энергетических уровнях, расположенных в запрещенной зоне полупроводника. Последующая релаксация 40 уровней в равновесное состояние приводит к восстановлению стационарного - значения фотопроводимости. Если при. облучении полупроводника излучением определенной длины волны после дли- 45 тельной выдержке в темноте релаксаций фотопроводимости плавно нарастает до стационарного значения, а такое же облучение полупроводника после предварительного возбуждения элек-50 тромагнитным излучением другой длины волны либо любым другим видом излу- чения, создающим пары неравновесных носителей, приводит к появлению вспъппки фотопроводимости с последу- . 55, ющей релаксацией к прежнему стационарному значению, очевидно,что предварительное возбуждение полупроводника приводит к созданию неравновесного состояния на некоторых локальных энергетических уровнях. Количественным критерием этого состояния, на всех прочих равных условиях— полная выдержка предварительного возбуждения до установления квазиравновесного состояния полупроводника; регистрация разности между максимальным и стационарным значениями фотопроводнмости — пЗ только после полной релаксации фотопроводимости к стационарному значению и т.д. — является, очевидно, величина д3 — разность между максимальным и стационарным значениями Аотопроводимости при последующем облучении полупроводника, которая отражает процессы захвата и рекомбинации, происходящие при возвращении предварительно возбужденного — приведенного в неравновесное состояние полупроводника в стационарное состояние. Если некоторые из имеющихся уровней предварительно не были выведены иэ равновесных условий, то при облучении полупроводника они могут не участвовать в создании сигнала фотопроводимости — будучи либо нефоточувствительными, либо незаметными на фоне преобладаюцих каналов рекомбинации и захвата на других центрах, которые определяют стационарные процессы фотопроводимости. Предварительным возбуждением можно изменять состояние на этих уровнях, что приводит к их проявлению в величине h3 на это указывает зависимость а3 от длины волны предварительного возбуждения при фиксированной длине волны последующего облучения. Поэтому исследование зависимости от длины волны последующего облучения при фиксированной энергии предварительного возбуждения и ее зависимости от длиI ны волны предварительного возбуждения при,фиксированной длине волны последующего излучения позволяет увеличить чувствительность способа и точность определения ширины запрещенной зоны и энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника по сравнению с исследованием зависимостей стационарной фотопроводимости от сканирующего электромагнитного излучения из области собственного и примесного поглощения.

1086999

Пример определения положения локальных уровней энергии в запрещен-. ной зоне и ширины запрещенной зоны материала ZnSe, специального нелеги.рованного, с темновым удельным сопро- > тивлением P 10" Ом ем, с индиевыми омическими контактами. Измерения проводят при комнатной температуре . и постоянном напряжении на образце

V 5B. Сначала измеряют спектраль-.

1О ную зависимость продольной фотопроводимости (фиг. 2, кривая,1), На спектре фотопроводимости наблюдают максимумы при длинах волн 0,45; 0,51;

0,925 мкм и слабо заметные особеннос-15 ти при 0,62 и 0,875 мкм! Экспериментально определяют, что релаксационная кривая фотопроводимости при возбуждении светом, в частнОсти, с длиной волны 0,875 мкм имеет форму всплеска (фиг. 1), амплитуда которого йЭ вЂ” разность между максимальным и стационарным значениями фотопроводимости зависит.от длины волны предварительного освещения образца. Измеряют зависимость амплитуды всплеска при В 0,875 мкм от длины волны предварительного освещения (фиг. 2, кривая 2). Для этого . образец ZnSe, выдержанный в темноте, 30 предварительно освещают монохроматическим светом из области фоточувствительности. Когда фотопроводимость достигает стационарного значения, свет выключают и включают освещение З5 с длиной волны 0,875 мкм, регистрируя величину амплитуды всплеска. При следующем измерении меняют длину волны предварительного освещения, оставляя неизменной дли- 40 ну волны последующего облучения.

Измеряют также спектральную зависимость ЬЗ при фиксированной длине волны предварительного освещения

0,45 мкм, соответствующей максимуму 4s собственного поглощения (фиг. 2, кривая 3). Для этого, предварительно освещая образец, выдержанный в темноте, светом с длиной волны

0,45 мкм, при последующем освещении go образца монохроматическим светом из

„области фоточувствительности, регистрируют величину амплитуды всплеска.

":Сравнивают кривые 2 и 1 фиг. 2. Коротковолновые максимумы на спектрах фотопроводимости, соответствующие области собственного поглощения селенида цинка, на кривых 1 и 2 совпадают. Шйрина запрещенной зоны, определенная по этим максимумам, составляет 2,6 эВ. В области примесной фотопроводимости на кривой 2 (фиг. 2) наблюдается несколько минимумов, в отличие от кривой 1 (фиг,2) . Эти максимумы являются элементарными полосамн фотопроводимости, которые, перекрываясь, дают широкую сглаженную примесную полосу в спектре фото" проводимости на кривой 1 (фиг. 2) .

Этим максимумам, расположенным при длинах волн 0,515; 0,58; 0,64; 0,75;

0,79; 0,85; 0,9251 0,975 мкм соответствуют локальные уровни энергии

2,4; 2, 14; 1,94; 1,65; 1,57; 1,46;

1,34; 1,27 эВ от дна зоны проводимости соответственно. Кривая 3 (фиг. 2) выделяет только один локальный уровень энергии на расстоянии

О,б эВ от потолка валентной зоны.

Предлагаемый способ определения локальнык уровней энергии эффективен для исследования полупроводниковых материалов. Данный способ по сравнению со спектром фотопроводимости позволяет выявить большее количество" локальных уровней. На спектральных зависимостях d,3 проявляются дополнительные относительно спектров фотопроводимости максимумы, а его особенности более резко выражены на спектральных зависимостях йЗ, что,уве- . личивает чувствительность и точность данного метода. В полупроводнике всегда присугствуют неконтролируемые примеси и дефекты кристаллической структуры, .за счет которых в спект- рах фотопроводимостй размывется длинноволновой спад собственной фотопроводимости или даже возникает широкая полоса примесной фотопроводимости. Данный способ может использоваться в технологии изготовления фоточувствительных полупроводниковых материалов для контроля чистоты полупроводника и состава примеси, а также в научных целях для определения параметров полупроводника, для исследова ния процессов захвата и рекомбинации и для определения природы примесей.

108б999

Фиг,1

1086999

0-3

Тираж 679 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Рауиская наб., д.4/5

Заказ 154/4 филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4. Редактор С.Титова Техред О. Иеце Корректор N.Ìàêñèìèøèíåö