Способ определения энергетического положения уровней дефектных и примесных центров в полупроводниковых и диэлектрических материалах

 

Изобретение относится к области исследования материалов оптическими методами и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых и диэлектрических материалов, используемых в электронной технике. Цель изобретения - расширение области применения способа на полупроводниковые и диэлектрические материалы с низким квантовым выходом люминесценции и с большим удельным сопротивлением . Согласно изобретению на поверхности образца создают неоднородно экспонированную картину путем облучения образца, например, интерференционным полем двух когерентных световых пучков. Затем фиксируют температурную зависимость глубины пространственной модуляции показателя преломления при линейном нагреве по изменению дифракционной эффективности , записанной на образце фазовой решетки - голограмме. Искомое энергетическое положение уровней, задаваемых дефектными или примесными центрами, определяют по положению максимумов зависимости производной модуляции показателя преломления от температуры. Начальную температуру, при которой производят экспонирование образца, выбирают в зависимости от глубины залегания исследуемых энергетических уровней. 1 ил. (Л с со со о О) vl а:

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИК (19) (И) (5()4 Н 01 L 21 66 001 N 21 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3964148/31-25 (22) 16.09.85 (46) 15.08.87. Бюл. У 30 (71) Институт физики АН УССР (72) И.С. Горбань, С.Г. Одулов, О.И. Олейник и M.Ñ. Соскин (53) 621.382(088.8) (56) Бьюб P. Фотопроводимость твердых тел. М.: Иностранная литература, 1962, с. 558.

Милнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. М.: Мир, 1977, с. 263. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ДЕФЕКТНЫХ И

ПРИМЕСНЫХ ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЬБ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ (57) Изобретение относится к области исследования материалов оптическими методами и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых и диэлектрических материалов, используемых в электронной технике.

Цель изобретения — расширение области применения способа на полупроводниковые и диэлектрические материалы с низким квантовым выходом люминесценции и с большим удельным сопротивлением. Согласно изобретению на поверхности образца создают неоднородно экспонированную картину путем облучения образца, например, интерференционным полем двух когерентных световых пучков. Затем фиксируют температурную зависимость глубины пространственной модуляции показателя преломления при линейном нагреве по изменению дифракционной эффективности, записанной на образце фазовой решетки — голограмме. Искомое энергетическое положение уровней, задаваемых дефектными или примесными центрами, определяют по положению максимумов зависимости производной модуляции показателя преломления от температуры. Начальную температуру, при которой производят экспонирование образца, выбирают в зависимости от глубины залегания исследуемых энергетических уровней. 1 ил.

1330676

10 8 14

50

Яаn d

3 — sln2

Л cos г

Изобретение относится к исследованию материалов оптическими методами и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых и диэлектрических материалов, применяемых в современной электронной технике.

Цель изобретения — расширение области применения способа на полупроводниковые и диэлектрические материалы с низким квантовым выходом люминесценции и с большим удельным сопротивлением.

На чертеже представлена температурная зависимость дифракционной эффективности записываемой голограммы на образце (кривая 1) и ее производной (с )/,/т) гр ™ (кривая 2) .

Пример. Определяют энергетическую структуру дефектных и примесных состояний в кристаллах ниобата лития LiNbO, — высокоомном сегнетоэлектрике, обладающем спонтанным пиропробоем.

Образец ниобата лития Х-среза толшиной 2 мм и поперечными размерами бх6 мм, торцы которого отполированы до оптического качества, помещают в криостат и охлаждают до 77 К.

Освещение производят светом с энергией кванта Е„,, достаточяой для фотовозбуждения электрона с донорного уровня в зону проводимости, при использовании ниобата лития, у которсго ширина запрещенной зоны Е

Я

=3„3 эВ, — в сине-зеленой области спектра, излучением аргонового лазера с длиной волны =0,48 мкм, для ,1 которого Е,, †., Е, с мощностью Р

1, =100 мВт.

Освещение образца выполняют двумя когерентными пучками одинаковой интенсичност), что обеспечивает контраст пространственной модуляции интенсивности в интерференционной картине, близкий к единице. Интенсивность пучков составила примерно

10 Вт/см, что при константе фото73 1 проводимости X =10 87 0 сМ обеспечивает пространственно модулирован12 ную фотопрово,;имость &„ =10 Ом см намного прерышающую темновую проводимость &-, этого кристалла, оценивае— 7 мую в 5 - 10 Ом см

Т

Угол схождения пучков О выбирают так, чтобы период интерференционной

?0

?5

35 картины h.- =Л /2sin — был больше деД

2 баевской длины экранирования 1 и

D меньше размеров образца 1 . Для крисо талла LiNbO„ с концентрацией дефектов

1ГЗ

N-=10 см расчетное значение 1

Э

=2 мкм. Отсюда согласно неравенству

1 - ? 1, определяют интервал значений д при размерах образца порядка 1 см: и выбирают угол из этого диапазона.

В данном случае ® =2 .

Экспонирование светом производят до тех пор, пока дифракционная эффективность 1 решетки, записываемой в кристалле, измеряемая при помощи дополнител.ного тестирующего лазера с неактивным излучением, не достигнет заметной величины, не превышающей

0,01-0,02. В этом случае дифракционная эффективность оказывается прямо пропорциональной квадрату изменения показателя преломления п, что облегчает пересчет полученных температурных зависимостей.

После экспонирования, как и во всех способах определения энергетической структуры по термостимулированным процессам, образец подвергают нагреву; наиболее удобным с точки зрения последующей расшифровкй температурных зависимостей является линейный по времени закон нарастания температуры.

В процессе нагрева измеряют зависимость дифракционной эффективности решетки от температуры (кривая 1).

Для этого на объемную решетку, возникшую в образце, направляют пучок считывающего излучения гелий-неонового лазера с длиной волны $,=0,63 мкм под углом Брэгга и измеряют интенсивность падающего пучка I, и дифрагированного Z,, =1 /Z . Для относительных измерений интенсивности используют ФЭУ-62 и самопишущий потенциометр ПДП4-002. По зависимости эффективности от температуры находят температурную зависимость изменения показателя преломления п (Т) с использованием известной связи: где d — толщина образца.

11306 И

-1

Е=с/- Т

Е иин

По полученным данным рассчитывают зависимость температурной производной (с1,сП ) (кривая 2).

Эта зависимость для материалов с дискретными уровнями имеет четко выраженные максимумы, температурное положение которых Т дает меру энергетической глубины залегания измеряемых уровней Е, где д — коэффициент пропорциональности эмпирического правила

Урбаха.

Величина коэффициента определяется по сопоставлению формы температурной производной для изолированного энергетического уровня. Для конкретных условий исследования она равна d =516 К/эВ. От значения этого ко— эффициента зависит при фиксированной температуре Т, облучения образца та минимальная глубина Е залегания вин уровней, начиная с которой возможно применение данного способа:

Поэтому согласно предлагаемому способу обработку ведут по методу последовательных приближений. На первом этапе при произвольном значении начальной температуры проводят все описанные. действия и находят коэффициент d-. Затем устанавливают ту начальную температуру, которая необходима для исследования энергетического спектра дефектов и примесей в желаемом диапазоне энергий.

Описанная последовательность действия позволила (применительно к ниобату лития) определить две группы центров с энергетическими положениями 0,28 и 0,38 эВ. Использование известного способа для данного материала не позволяет однозначно суцить о наличии уровней в запрещен15

45 ной зоне, а лишь указывает вероятный интервал их залегания 0,25

0,5 эВ.

Результаты измерений на кристалле ниобата бария-натрия по предлагаемому способу совпали с точностью до

47. с результатами измерений по известному способу на том же образце.

Формула изобретения

Способ определения энергетического положения уровней дефектных и примесных центров в полупроводниковых и диэлектрических материалах, включающий облучение образца электромагнитным излучением с энергией кванта, превышающей глубину залегания уровней донорных центров, с последующим нагревом, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения на полупроводниковые и диэлектрические материалы с низким квантовым выходом люминесценции и с большим удельным сопротивлением, облучение осуществляют пространственно модулированным электромагнитным излучением, причем среднее расстояние между двумя соседними максимумами в распределении интенсивности выбирают не меньше дебаевской длины экранирования в исследуемом материале, но не больше линейного размера образца, а глубину пространственной модуляции интенсивности облучения выбирают из условия, что наведенное пространственно-неоднородное изменение проводимости не меньше, чем темновая проводимость данного материала, измеряют температурную зависимость глубины пространственной модуляции показателя преломления, осуществляемой в результате облучения, а энер( гетическое положение уровней определяют по положению максимумов зависимости производной модуляции показателя преломления от температуры.

1330676

Ь ( Ъ

Составитель И. Петрович

Редактор М. Келемеш Техред Л.Сердюкова Корректор А. Зимокосов

Заказ 3587/53 Тираж 698 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4